1前言

详细介绍了面粉自动称重控制器的设计思想、硬件结构和应用软件,重点阐述了解决计量精度、可靠性问题所采取的措施。控制器是一个机电一体化的计算机控制系采用单片计算机配以必要的测控接口和应用软件,实现对机械下料过程的动态检测和定量称重控制。现场运行结果表明,面粉自动称重控制器的各项技术指标已达到或超过了面粉定量包装的出厂标准,具有较为明显的经济效益和广阔的应用前景。

多年以来,我国的面粉包装生产线大多采用机械称重。当给料量达到定量时,利用机械秤标尺的通过杠杆放大机构或光电效应控制执行机构的杠杆原理等手段实现定量控制。这种方法称重精度低、操作复杂、工人劳动强度大,并且必须随时进行零位标定及成品复验,一旦出现超差只能靠增加或减少称体上的附加配重来进行调整极不方便。

为改变这种局面,近年来出现了一些机电一体化的智能称重设备。这种称重控制器集机械技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术于一体,从根本上改变了用电子传感元件代替了机械杠杆,使计量电子化;特别是计算机技术的应用,使动态计量设备成为具备了数字化和智能化的机电产品。到目前为止,这些设备在一定程度上改善了包装生产线的条件。但是计量精度及可靠性仍然没有能够达到令人满意的水平。因此,本文设计的面粉自动称重控制机首先是要解决计量精度和可靠性问题。其次完善设备的功能,使之更具有通用性和实用性。

2称重控制器系统结构
本文所设计的面粉自动称重控制器是一个机电一体化的计算机控制系统。控制装置采用单片计算机配以必要的测量控制接口和控制软件,以实现对机械下料过程的实时动态检测和定量控制。控制装置具有较高的性能价格比,系统称重误差<±4‰。非常适合于粉粒状物体的定量计量控制。系统分为机械给料和信号检测及控制，和称重控制仪表3大部分。

1)机械给料结构
纸型机械给料部分主要由螺旋给料机、缓冲料斗、称重料斗、变频电机、电磁铁等部分组成。机械结构性能的好坏直接影响着称重计量仪器的各项技术指标,是机电一体化产品能否成功的最基本条件。因此,在结构设计时,吸取了有关厂家的称重设备的优点,创立自己的特点。对给料器、缓冲料斗,称重料斗及斗门机构进行了设计。
给料器由大小两个不同口径的螺旋推进器组成。在高速装料阶段,为提高装料速度,双绞轮同时高速运行;在低速精调阶段,用离合器将大绞轮脱开,由小绞轮单独装料。整个装料过程配以变频电机的无级调速特性,从而可以实现精确装料。经过研究发现,绞刀给料的均匀性、稳定性对称重精度影响很大。因此,在螺旋推进器叶轮前端采用了多叶片和出头短一节的特殊结构,大大地改善了料流,特别是低速料流的均匀性和稳定性,从而有效地提高了称重精度。缓冲料斗由储料仓和双扇料门组成。它与螺旋给料器出口相连,当物料达到额定值附近时,关闭缓冲料门,截取空中滞留的物料,减少落差物料对计量精度的影响。
称重料斗由储料仓、传感器吊挂机构和双扇料门组成。采用悬挂式结构,由三只拉力传感器通过双绞链结构将称重斗按对称结构吊起。物体质量通过三只拉力传感器变换成叠加的mV信号送计算机处理。这种结构消除了由于物料在称重料斗内分布不均匀所造成的受力点偏移、信号失真的问题。
料斗门均采用拉杆互锁机构,由电磁铁控制其动作,开关门响应速度快,一致性好。在传感器吊挂机构中,增加阻尼装置,减少机械振动对传感器信号的影响。

2)信号检测及控制
控制器是以ATMEL公司单片机89C52为核心部件的智能化仪器。
Fig11Systemstructurediagram系统由单片计算机、拉力传感器、称重信号变送器,AΠD,DΠA转换器及交流无触点隔离开关等组成。由于采用单片计算机和大规模集成电路技术,模块化电路结构设计,因此该系统具有结构简单、功能强、性能稳定、控制精度高、操作维护方便等优点。
模拟量输入通道由三只S型剪切梁式拉力传感器(精度<0105%)将物料质量叠加的信号(0～5mV)送入由高精度、低温漂集成运算放大器(OP07)组成的两级差动输入式信号放大器(精度<0A3A01%)进行放大,变成0～5V直流信号送12位ΠD转换器变换成0～4095的数字供计算机处理。
模拟量输出通道采用D/A转换,经变频器控制变频电机进行无级调速。开关量输出通道采用光电控制电磁铁动作。开关量输入通道由霍尔开关作为检测元件将料斗门的隔离驱动无触点交流开关,开、关状态反馈给计算机,保证称重顺序准确无误，提高了系统的可靠性。
操作面板采用直观的LED数字显示及运行状态模拟屏显示。设置了通讯网络接口(RS2485),支持半双工异步通讯协议,可将称重控制过程的数据实时传送给上位管理机,为现代化管理奠定了基础。

3)控制器控制过程
磨面机加工输出的面粉经输料器直接(或经缓冲料仓)送往包装车间。在包装车间内按照生产规模安装有多台动态定量秤及相应的打包机械。输料器来料分成多个下料口将面粉分别送入各个动态定量称的缓冲料槽内。计算机控制定量秤的螺旋给料器变速将面粉送入称重料斗,并实时地检测，经电子传感元件所反映的称重料斗内面粉的质量(流量),按最佳方案控制给料器的转速,当达到定量值时,停给料器并关闭缓冲料门截取空中滞留的面粉,实现定量计量控制。,定量计量结束由计算机判断卸料开关状态,若需卸料,则打开称重斗门将面粉倒入打包机械,由打包机械完成装袋封口。

3.称重控制器控制软件
控制装置的软件采用C51程序设计语言编写,模块化结构设计,分主程序模块、测试模块、定时采样模块、自适应模块及端口刷新模块。

本系统的中断定时时间为2ms,中断中进行ΠD采样、自适应控制及IΠO端口刷新处理等工作。定时中断程序。

1)定时采样

称重控制器按照2ms中断采集一个数据,10次为一个周期对机械下料过程中检测到的动态数据进行采样、滤波。由于动态定量计量的特殊性,可将滤波处理分成两个部分:一部分用来滤除物料下落过程中引起的冲击、振动的影响。为了有效地滤除这类干扰,获得真实的数据,在程序中引入了两个判别数据真伪的限制函数,即:xn-xn-1≥0(1)xn-xn-1≤em(2)式中,xn为本次采样值;xn-1为上次采样值;em为门限值。物料在下落过程中,称重斗内质量累计增长,因此,当前采样值xn一定大于或等于上次采样值xn-1即应满足式(1);又因为物料是以一定速度下落的,相邻两次采样值之差一定小于或等于某个门限值em即满足式(2)。对本装置而言,定时采样约为2ms,其平均下料量(按3s重量达到额定值的95%计算)为01016kgΠ2ms,AΠD转换器的分辨率为01007kg。故取em=0102。凡不能同时满足式(1),式(2)的采样数据均视为无效,在下一步求平均值时将其去掉。另一部分为了滤除工频干扰,选定采样周期为20ms。即定时采样10次求平均、滤波,消除工频干扰,获得真实数据。

2)自适应控制算法

在动态定量计量中,计量精度不仅取决于测量精度,也取决于控制精度。特别要在满足高速装料(200～300Πh)的情况下,保证装袋的计量精度为±4‰,控制精度起着重要作用。在机械系统设计中,本文从结构上充分地考虑了机械系统内在的因素,为软件控制奠定了基础。但是由于物料来料流量不稳定以及机械惯性所造成的纯滞后,给提高控制精度带来了很大困难。

通常可根据操作经验给出一个控制提前量,但是这种固定不变的控制模式往往不能满足控制要求。为此本文设计了自适应控制算法。具体思路是:将整个装料时间划分为几个阶段,按照流量2时间曲线分别采用不同的控制模型控制,并根据每次实际控制效果来辩识下一次的控制值。这样除第一袋是人为设置的控制值外,以后各袋均根据上一次的控制效果或产生的错误来加以修正。

定量称重控制器算法如下:
①第一控制点大、小绞轮以额定转速同时送料,达到控制点时停大、小绞轮。公式为
Wk1=Wm1-(Q2-Q1)(Δtc1+k13tg1)(3)式中,Wk3为第四控制点质量;k3为冲量系数。
Vs=250(4)式中,Wk1为第一控制点质量;Wm1为额定质量的95%,Q1为实测流量,Q1=ΔWΠT;ΔW为实测量增量;T为采样周期;Q2为上次停大绞轮时刻流量;Δtc1为绞轮出口轴线至称重斗料面落差时间,为辩识值;Δtg1为大小绞轮共同转动时的惯性时间;k1为比例系数,Vs为速度对应数字量。
②第二控制点大、小绞轮以惯性衰减曲线进行自由停车,当质量达到W1时分大绞轮,小绞轮以额定转速的30%送料,辩识计算大、小绞轮惯性时间Δtg1。公式为Wk2≤W1(5)W1=Wm1-Qm23Δtc2(6)Vs=80(7)式中,Wk2为第二控制点质量;W1为上次分大绞轮时刻质量;Qm2为上次低速稳定流量值;Δtc2为缓冲料斗门至称重斗料面落差时间。
③第三控制点在未达到控制点之前,不断地测试物料流量,计算速度差,与上次低速稳定流量比较,调整给料速度(当速度小于额定值的16%时保持)。当达到上次低速稳定流量即控制点时,计算本次低速流量稳定值Qm2,辩识计算小绞轮惯性时间Δtg2。公式为Q2≤Qm2(8)Qm2=Wm2-Wm1-Q2k2-Δtg2(9)
Vs-ΔVs=Vs-(Q2-Qm2)3TΠΔtg2(10)
式中,Q2为实测流量;Q2=ΔWΠT;Qm2为低速流量稳定值;Wm2为额定质量;k2为比例系数;Δtg2为小绞轮惯性时间,为辩识值。

④第四控制点保持恒速给料,当达到控制点时,关缓冲料门、停电机;辩识计算比例系数k2公式为Wk3=Wm2-Qm23Δtc2+Qm23k3(11)
⑤辩识计算落差时间及冲量系数测流量计时,当流量为零时,辩识计算落差时间Δtc2和冲量系数k3。
3)端口刷新
为了提高称重控制系统的抗干扰能力,除电路硬件设计中考虑抗干扰措施外,在软件设计中,利用定时端口刷新的方法,对系统的开关量、显示数据等进行定时刷新,确保输出逻辑关系准确无误。
4)测试模块
为提高系统的可维护性,便于维护人员及时查找分析处理故障,在控制软件中设计了一套可对系统硬件环境进行测试、故障诊断、系统标定的程序。当系统出现故障时,维护人员可通过键盘按故障性质逐一对系统硬件进行检测。

面粉自动称重控制器的各项技术指标达到或超过面粉定量包装秤的出厂标准。它的基本原理和思路适用于所有类似粉粒状物体的定量包装控制和称重控制仪表。并且已经成功应用在作者参与开发的工业设备中,获得了很好的实用价值和使用评价。

作者简介:安世奇
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