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面粉自動定量稱重控制器設計
詳細介紹了面粉自動稱重控制器的設計思想、硬件結構和應用軟件,重點闡述了解決計量精度、 可靠性問題所采取的措施。控制器是一個機電一體化的計算機控制系采用單片計算機配以必要的測控接口和應用軟件,實現對機械下料過程的動態檢測和定量稱重控 制。現場運行結果表明,面粉自動稱重控制器的各項技術指標已達到或超過了面粉定量包裝的出廠標準,具有較為明顯的經濟效益和廣闊的應用前景。
多年以來,我國的面粉包裝生產線大多采用機械稱重。當給料量達到定量時,利用機械秤標尺的通過杠桿放大機構或光電效應控制執行機構的杠桿原理等手段實 現定量控制。這種方法稱重精度低、操作復雜、工人勞動強度大,并且必須隨時進行零位標定及成品復驗,一旦出現超差只能靠增加或減少稱體上的附加配重來進行 調整極不方便。
為改變這種局面,近年來出現了一些機電一體化的智能稱重設備。這種稱重控制器集機械技術、微電子技術、自動化技術、計算機技術于一體,從根本上改變了 用電子傳感元件代替了機械杠桿,使計量電子化;特別是計算機技術的應用,使動態計量設備成為具備了數字化和智能化的機電產品。到目前為止,這些設備在一定 程度上改善了包裝生產線的條件。但是計量精度及可靠性仍然沒有能夠達到令人滿意的水平。因此,本文設計的面粉自動稱重控制機首先是要解決計量精度和可靠性 問題。其次完善設備的功能,使之更具有通用性和實用性。
2稱重控制器系統結構
本文所設計的面粉自動稱重控制器是一個機電一體化的計算機控制系統。控制裝置采用單片計算機配以必要的測量控制接口和控制軟件,以實現對機械下料過程 的實時動態檢測和定量控制。控制裝置具有較高的性能價格比,系統稱重誤差<±4‰。非常適合于粉粒狀物體的定量計量控制。系統分為機械給料和信號檢 測及控制，和稱重控制儀表3大部分。
1）機械給料結構
紙型機械給料部分主要由螺旋給料機、緩沖料斗、稱重料斗、變頻電機、電磁鐵等部分組成。機械結構性能的好壞直接影響著稱重計量儀器的各項技術指標,是 機電一體化產品能否成功的最基本條件。因此,在結構設計時,吸取了有關廠家的稱重設備的優點,創立自己的特點。對給料器、緩沖料斗,稱重料斗及斗門機構進 行了設計。
給料器由大小兩個不同口徑的螺旋推進器組成。在高速裝料階段,為提高裝料速度,雙絞輪同時高速運行;在低速精調階段,用離合器將大絞輪脫開,由小絞輪 單獨裝料。整個裝料過程配以變頻電機的無級調速特性,從而可以實現精確裝料。經過研究發現,絞刀給料的均勻性、穩定性對稱重精度影響很大。因此,在螺旋推 進器葉輪前端采用了多葉片和出頭短一節的特殊結構,大大地改善了料流,特別是低速料流的均勻性和穩定性,從而有效地提高了稱重精度。緩沖料斗由儲料倉和雙 扇料門組成。它與螺旋給料器出口相連,當物料達到額定值附近時,關閉緩沖料門,截取空中滯留的物料,減少落差物料對計量精度的影響。
稱重料斗由儲料倉、傳感器吊掛機構和雙扇料門組成。采用懸掛式結構,由三只拉力傳感器通過雙絞鏈結構將稱重斗按對稱結構吊起。物體質量通過三只拉力傳
感器變換成疊加的mV信號送計算機處理。這種結構消除了由于物料在稱重料斗內分布不均勻所造成的受力點偏移、信號失真的問題。
料斗門均采用拉桿互鎖機構,由電磁鐵控制其動作,開關門響應速度快,一致性好。在傳感器吊掛機構中,增加阻尼裝置,減少機械振動對傳感器信號的影響。
2）信號檢測及控制 控制器是以ATMEL公司單片機89C52為核心部件的智能化儀器,稱重控制器
Fig11Systemstructurediagram系統由單片計算機、拉力傳感器、稱重信號變送器,A蠨,D蠥轉換器及交流無觸點隔離開關等組
成。由于采用單片計算機和大規模集成電路技術,模塊化電路結構設計,因此該系統具有結構簡單、功能強、性能穩定、控制精度高、操作維護方便等優點。
模擬量輸入通道由三只S型剪切梁式拉力傳感器（精度<0105%）將物料質量疊加的信號（0～5mV）送入由高精度、低溫漂集成運算放大器 （OP07）組成的兩級差動輸入式信號放大器（精度<0A3A01%）進行放大,變成0～5V直流信號送12位蠨轉換器變換成0～4095的數字供 計算機處理。
模擬量輸出通道采用D/A轉換,經變頻器控制變頻電機進行無級調速。開關量輸出通道采用光電控制電磁鐵動作。開關量輸入通道由霍爾開關作為檢測元件將料斗門的隔離驅動無觸點交流開關,開、關狀態反饋給計算機,保證稱重順序準確無誤，提高了系統的可靠性。
操作面板采用直觀的LED數字顯示及運行狀態模擬屏顯示。設置了通訊網絡接口（RS2485）,支持半雙工異步通訊協議,可將稱重控制過程的數據實時傳送給上位管理機,為現代化管理奠定了基礎。
3，稱重控制器控制軟件
控制裝置的軟件采用C51程序設計語言編寫,模塊化結構設計,分主程序模塊、測試模塊、定時采樣模塊、自適應模塊及端口刷新模塊。
本系統的中斷定時時間為2ms,中斷中進行蠨采樣、自適應控制及I蠴端口刷新處理等工作。定時中斷程序,。
3）控制器控制過程磨面機加工輸出的面粉經輸料器直接（或經緩沖料倉）送往包裝車間。在包裝車間內按照生產規模安裝有多臺動態定量秤及相應的打包機 械。輸料器來料分成多個下料口將面粉分別送入各個動態定量稱的緩沖料槽內。計算機控制定量秤的螺旋給料器變速將面粉送入稱重料斗,并實時地檢測，經電子傳 感元件所反映的稱重料斗內面粉的質量（流量）,按最佳方案控制給料器的轉速,當達到定量值時,停給料器并關閉緩沖料門截取空中滯留的面粉,實現定量計量控 制。,定量計量結束由計算機判斷卸料開關狀態,若需卸料,則打開稱重斗門將面粉倒入打包機械,由打包機械完成裝袋封口。
1）定時采樣
稱重控制器按照2ms中斷采集一個數據,10次為一個周期對機械下料過程中檢測到的動態數據進行采樣、濾波。由于動態定量計量的特殊性,可將濾波處理 分成兩個部分:一部分用來濾除物料下落過程中引起的沖擊、振動的影響。為了有效地濾除這類干擾,獲得真實的數據,在程序中引入了兩個判別數據真偽的限制函 數,即:xn-xn-1≥0（1）xn-xn-1≤em（2）式中,xn為本次采樣值;xn-1為上次采樣值;em為門限值。物料在下落過程中,稱重斗內 質量累計增長,因此,當前采樣值xn一定大于或等于上次采樣值xn-1即應滿足式（1）;又因為物料是以一定速度下落的,相鄰兩次采樣值之差一定小于或等 于某個門限值em即滿足式（2）。對本裝置而言,定時采樣約為2ms,其平均下料量（按3s重量達到額定值的95%計算）為01016kg?2ms,A蠨 轉換器的分辨率為01007kg。故取em=0102。凡不能同時滿足式（1）,式（2）的采樣數據均視為無效,在下一步求平均值時將其去掉。另一部分為 了濾除工頻干擾,選定采樣周期為20ms。即定時采樣10次求平均、濾波,消除工頻干擾,獲得真實數據。
2）自適應控制算法
在動態定量計量中,計量精度不僅取決于測量精度,也取決于控制精度。特別要在滿足高速裝料（200～300衕）的情況下,保證裝袋的計量精度為±4‰ ,控制精度起著重要作用。在機械系統設計中,本文從結構上充分地考慮了機械系統內在的因素,為軟件控制奠定了基礎。但是由于物料來料流量不穩定以及機械慣 性所造成的純滯后,給提高控制精度帶來了很大困難。
通常可根據操作經驗給出一個控制提前量,但是這種固定不變的控制模式往往不能滿足控制要求。為此本文設計了自適應控制算法。具體思路是:將整個裝料時 間劃分為幾個階段,按照流量2時間曲線分別采用不同的控制模型控制,并根據每次實際控制效果來辯識下一次的控制值。這樣除第一袋是人為設置的控制值外,以 后各袋均根據上一次的控制效果或產生的錯誤來加以修正。
3）端口刷新
為了提高稱重控制系統的抗干擾能力,除電路硬件設計中考慮抗干擾措施外,在軟件設計中,利用定時端口刷新的方法,對系統的開關量、顯示數據等進行定時刷新,確保輸出邏輯關系準確無誤。
4）測試模塊
為提高系統的可維護性,便于維護人員及時查找分析處理故障,在控制軟件中設計了一套可對系統硬件環境進行測試、故障診斷、系統標定的程序。當系統出現故障時,維護人員可通過鍵盤按故障性質逐一對系統硬件進行檢測。
面粉自動稱重控制器的各項技術指標達到或超過面粉定量包裝秤的出廠標準。它的基本原理和思路適用于所有類似粉粒狀物體的定量包裝控制和稱重控制儀表。并且已經成功應用在作者參與開發的工業設備中,獲得了很好的實用價值和使用評價。
