1引    言
工业配料是指将几种不同的原料按照生产要求的比例进行混和的过程,在建筑、化工、冶金等生产领域具有极其广泛的应用,传统的人工配料强度大、工作效率低,已不能适应大规模生产的需要。随着科学技术的发展,出现了由微机、微控制器和智能仪表构成的自动配料系统,极大提高了生产效率和配料精度。但目前的配料系统精度低、各组分重量大,难以应用在医药、精细化工等生产领域。本研究为解决医学、精细化工等生产过程中配料重量小,精度高,并需同时对液体和固体粉末进行配料的要求,进行微量配料系统的研究。
2系统组成及原理
本系统由上位机PC、下位机sPCE061、数据采集及A/D转换模块、传感器模块、进料控制模块和料斗6部分组成,如图1所示。用户在上位机上设
定好各组分的重量后系统开始配料,传感器模块接收到命令后,将重量信息传递给数据采集及A/D转换模块经A/D转换后发送给上位机,下位机将上位机发送的重量数据和设定重量进行比较后控制进料模块的启停。料斗则用来存放物料并通过进料控制模块来控制进料与否。

在工业配料过程中,常用称量方式有进料式称量和卸料式称量2种。进料式称量有2种实现方法:零位法和增量法,零位法的称量精度比增量法高。卸料式称量需要传感器的量程较大而造成精度太低故较少使用[1]。
本系统使用零位法进行称量,为了保证称量精度和称量速度,在称量时采用快、中、慢三速给料,先快速给料至设定重量的80%,然后中速给料至95%,最后采用慢速给料。
3硬件设计
3.1控制核心
SPCE061是本系统的核心硬件,现对它做一个简单介绍:
SPCE061是台湾某科技生产的16位微处理器,在2.6V-3.6V工作电压范围内.其工作频率可由程序设定在0.320MHz-49.152MHz,当工作频率为49.152MHz时.指令周期约为20ns。sPCE061单片机采用模块化结构.以16位微控制器（微信号处理器)为内核。sPCE061单片机内嵌:32KB的闪速只读存储器(F1ashR0M）和2KB的静态存储器(sRAM）:32位可编程多功能I/0端口:2个可自动赋初值的16位定时器/计数器:8通道10位A/D转换器:双通道10位D/A转换器:通用异步串行接口(UART）:看门狗(watchdog）电路[2]。
SPCE061工作效率高,运行可靠,所以在本系统中选用该微控制器作为控制核心。
3.2串行通讯接口电路
SPCE061单片机提供了一个全双工通用异步串行接口UART模块,用于完成与外设之间的串行通信。本系统采用某公司的MAI232C与UART相连接.完成TTL电平和Rs232电平的相互转换,实现sPCE061和计算机的串行通讯。
3.3进料控制模块
本系统可以实现对粉末和液体的配料,粉末物料的进料控制部分由料斗、V形槽和微型振动马达构成,当振动马达转动时带动V形槽一起振动,将物料从V形槽中振落至配料容器:液体物料的给料控制由料斗、管路、电磁继电器和电磁阀构成,电磁继电器动作时,控制电磁阀打开,液体物料通过管路进入配料容器:这样就可以通过控制振动马达的启停和电磁阀的通断来控制进料。
3.4数据采集及A/D转换模块
本系统中的数据采集模块使用某电子国际有限公司推出的A1pha911模块,该模块提供20个通道的电压和电流测量,完成A/D转换并通过Rs232或Rs485和其它设备进行通讯。利用该公司自主开发的通讯协议,可以设置A/D转换时间,转换精度,波特率,并可以一次读取全部通道的数据
或和指定通道的数据。
4软件设计
4.1上位机软件设计
Visua1Basic简单易学,具有面向对象编程的所有功能,可以充分利用windows提供的图形环境,含有丰富的控件,功能强大,人机界面友好,所以在本系统中,上位机软件使用VB进行开发[4,5]。
上位机主要完成以下功能:(1）设定各通道数据:(2）在微控制器MC和数据采集及A/D转换模块间传递数据。
4.1.1设定各通道数据
要使系统正常工作,应对每个通道进行数据设置,在本系统中这些数据包括通道号、物料名称、物料性质（粉末或液体)、设定重量和误差范围等项,也可以根据实际需要增加或删除。
各通道数据的设置可以从已有的配方数据库中通过配方号读取,也可以在配料前逐个设定。
软件界面如图2所示,本系统最多可以支持20个通道,如果需要更多通道,可以使用多个A1pha911模块通过Rs485组成网络。当配料失败时,可以使用醒目的颜色来显示当前状态信息,并可添加蜂鸣器和发光二极管等硬件设备来实现声光报警,以便及时发现故障并予以解决

4.1.2在微控制器MC和数据采集及A/D转换模块之间传递数据
上位机的另外一个功能在微控制器MC和数据采集及A/D转换模块之间传递数据。由于大多数微控制器(包括SPCE061）只有一个UART接口,不能同时和上位机、数据采集模块进行连接,所以微控制器和数据采集模块之间的通讯只能通过上位机中转。上位机接收到数据采集模块发送过来的数据后进行简单处理,去掉帧中的格式单位等信息,只将数值发送给微控制器MC。上位机PC的流程图如图3所示。

4.2下位机软件设计
微控制器MC上的软件是本软件的核心,这部分算法设计的好坏将直接关系到本系统的优劣,影响系统的性能。下位机流程图如图4所示。
5影响配料精度的主要因素及相应措施

在本系统中,选取美国某公司4503系列产品,非线性误差为0.02%,磁滞为0.02%,重复性为0.01%,能很好地满足我们的要求。
5.2称重仪表
影响称重仪表测量精度的主要因素有:(1）内部模数转换器的A/D转换方式、采样精度及转换精度:(2）仪表数据传送方式,称重仪表可以通过模拟.
对于配料系统而言,配料精度是关系到系统设计成功与否的关键,尤其在本系统中配料精度要求高,稍有不慎,便不能达到精度要求。影响称重配料系统精度的因素很多,主要有以下几个方面。
5.1称重传感器
电阻应变式传感器是目前称重配料系统中最常用的称重传感器,影响其精度的主要因素是其性能指标,主要指非线性误差、迟滞、重复性、蠕变等,这些误差将对传感器的合成误差产生影响[6]。
量传输和数字量传输2种方式将重量信号传递给计算机。
本系统采用的希蒙国际推出的Alpha9ll模块,可以根据时间需要来编程设定其A/D的分辨率和积分时间,当设置为l7位时,其积分时间为20ms,而设置为l3位时,其积分时间为lms:对于数据的传送方式,在本系统中,采用的是数字量的传送,抗干扰能力强,精度高。
5.3控制元件的响应时间和执行机构的行程时间
控制元件的响应时间和执行机构的行程时间都会影响配料系统的精度,而这两个时间都与器件本身的性能和使用时间的长短有关。
为了减少元件的响应时间和执行机构的行程时间,在方案的选择和产品的选型时,尽量采用响应时间短的元件,并减少执行机构的行程,以控制其行程时间。
5.4落差和称重控制算法的影响
本系统采用进料式称量,由于落差的影响,当停止给料后,还将有一部分物料落入称量料斗而产生误差,并且由于重量加速度的影响,而造成称盘上重量的抖动。为了保证精度,应使出料口尽量靠近称量料斗而减小落差,另外必须设计一个合理的算法,对终止给料提前进行控制,使实际配料值保持在误差范围内。

6配料精度验证及分析
本系统在交付用户使用前,笔者对其做了一些使用,其数据如表1所示,其中A表示配料结束后最终重量与设定重量的差值,6表示所允许的误差。在6=0.5g、0.2g、0.1g时各做了1000次试验,从结果可以看出,在6=0.5g和6=0.2g时,系统的成功率高达99%,完全满足用户的需求。在6=0.1g时,成功率仅有86%,但效果不理想,在后续的研究中,希望能通过硬件的设计和算法的优化来解决这个问题。本系统在可靠工作时,精度能够达到为0.2g。
7结束语
该系统上位机使用VisualBasic6.0开发,人机界面友好、控制灵活:下位机使用sPCE061,运行速度快,并且有看门狗电路,工作可靠。适合医药、精细化工等行业应用,实现全自动微量配料。经试验证明,配料精度高达0.2g,可以很好的解决在医药、精细化工中重量少、精度高的要求,并能同时对固体粉末和液体进行配料。

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