1引言

    在工業生產過程中有很多的環節都涉及到定量稱重問題，比如食品的包裝過程，醫藥化工的配料過程，飼料的配料包裝過程等等。傳統的模式都是采用先進行靜態的機械稱重，然後再進行人工包裝或者配料。這樣往往會導致效率極低，工人的勞動強度極大，而且精度不高。電子秤的出現改善了靜態機械稱重的精度，但是在快速生產過程中，動態稱重精度卻是一個問題。於是如何解決高速稱重過程中的動態精度問題成為了當前研究的熱點。

    就目前來看，國內在動態稱重的技術上比國外還有不小的差距。雖然在過去的一二十年內我國的定量稱重包裝設備的自動化程度有了大幅的提高，但是由於國內的技術儲備不夠，而在最近的一二十年內，國外在動態稱重技術上不斷應用了先進技術，如人工神經網絡（ANN）技術，非線性回歸（NLR）理論，以及基於線性高斯法（LOG），卡爾曼濾波（Kalman filter），模糊邏輯估計（Fuzzy logic estimator）的新數字濾波器的設計[1]等。然而國內也在吸收和消化引進技術的基礎上自主開發了一批定量稱重係統，比如由某公司所研究開發的應用於煤粉定量控製係統中的SKPLC，其穩定性比較可靠，功能也比較完善，價格比較實惠[2]。但是總的來說，由於國內在技術儲備、研發水平、製造水平與國外的差距，導致了現今國內的定量稱重設備的技術含量、功能，特別是在稱重精度和速度這對矛盾的解決上並不是很成功，此外包裝設備與生產線上的其它控製設備的數據通信等方麵與國外的產品還是有很大的差距。

    在參考當前國內外動態稱重研究成果的基礎上，結合農用化肥生產對定量稱重包裝設備的具體要求，設計了一種適用於農用化肥生產過程的電子定量包裝動態稱重係統。

    2整體設計

    2.1係統技術指標

    根據國家對農用化肥包裝重量精度的要求並結合農用化肥企業的生產實際需求，提出以下的係統設計技術指標：（1）稱重計量精度：<（±0.5）%；（2）稱重範圍：（20~50）Kg；（3）稱重包裝速度：20包/min。

    2.2電子定量包裝秤動態稱重係統的數學模型根據力學原理所建立的定量包裝秤數學模型如下[3]
    式中：M（t）—物料質量；m—稱料倉等的質量；c—係統等效阻尼係數；c1—係統等效剛度；F（t）—物料下落的衝擊力；x—稱體相對參考零點的位移；g—重力加速度。

    從上式可以看出對係統精度和速度有影響的關鍵參數是m，c，c1，F（t），從而可知影響係統性能的關鍵因素有：由喂料係統帶來的衝擊力大小的影響，傳感器數量與布置方式對係統等效剛度的影響，係統各組件連接方式對係統等效阻尼係數的影響[3]等。其中下落物料的衝擊力對稱重的精度影響較大，該物理量不僅與物料的流速有關，還與儲料倉的儲料數量、稱料倉的留空體積等眾多因素相關，是一個典型的時變參量，因此上述數學模型所表達的係統是一個時變係統，這就導致了傳統的控製理論難於對它進行控製，目前也沒有成熟而且實用的新處理方法。所以我們隻能嚐試在大量實驗的基礎上通過對實驗數據的分析，尋找係統中存在的規律，從而達到準確定量稱重控製的目的。

     2.3電子定量包裝秤動態稱重係統機械結構設計電子定量包裝秤動態稱重係統主要由進料係統、定量稱重係統、包裝係統所組成。由於單純的包裝機械國內和國外的差別不大，研究的重點都放在了進料部分和定量稱重部分。

    進料係統從結構形式上又可劃分為絞龍輸送供料、皮帶輸送供料、直流式供料[4]、柱塞供料、螺旋供料、振動供料[5]等等，各種方式都是優缺並存。其中直流式喂料的機構簡單，速度快，但是會使得稱重的精度與料位高度及物料流動的均勻性與平衡性有密切的關係。由於農用化肥包裝屬較重物料的包裝，為了兼顧效率和精度，我們的進料係統采用了直流式供料方式，同時為達到生產線快速稱重的實際需要，在稱重結構上采用雙秤結構（分A，B秤）。整個電子定量包裝秤動態稱重係統先是通過皮帶傳輸供料裝置送料到直流式供料裝置的儲料鬥，然後由直流式供料裝置供料。

    動態稱重過程中物料K8凯发登录入口大小直接決定物料對稱重係統的衝擊力大小，物料下料K8凯发登录入口大時，稱重速度快，但稱重的計量精度將難於保證，反之下料K8凯发登录入口小時，稱重的計量精度可獲得提高，但稱重效率很低。為滿足係統稱重的計量精度，並兼顧稱重速度，我們在給料的速率上采用多級K8凯发登录入口控製方式。實驗結果表明，采用三級給料控製方式已經可以較好的解決速度和精度這對矛盾。所設計的電子定量包裝秤動態稱重係統的整體結構原理。
        2.4電子定量包裝秤動態稱重係統控製部分設計

    電子定量包裝秤動態稱重係統中的控製部分是協調整個係統有序工作的大腦。控製器CPU采集來自稱重傳感器的信號，接收人工鍵盤或異地遠程指令，監視整個係統的狀態，產生氣動閥門的控製信號，在顯示器上輸出係統的狀態信息。如圖2所示，給出了動態稱重係統控製器的實現原理圖。

     在控製器的設計中，應關注的主要問題有以下幾個方麵：（1）輸入輸出信號間的時序關係，這主要由控製器軟件來體現；（2）在惡劣的工業現場環境下工作的可靠性問題。在化肥廠空氣中存有大量的腐蝕性氣體，對控製器電路板需要進行密封與散熱；（3）硬件電路參數對動態稱重計量精度的影響。控製器中傳感器及其後的放大調理電路、A/D的參數、CPU的性能對係統精度影響較大。控製器設計中我們首先選定的是高性能的ATmega128單片機，其帶有豐富的I/O接口以及內部資源，工作於16MHz時性能高達16MIPS，特別的是ATmega128帶有性價比很高的A/D轉換器，它具有10位精度，轉換時間為（13~260）μs，0.5 LSB的非線性度，（±2）LSB的絕對精度，最高分辨率時采樣率高達15 kSPS [6]。對於10位的A/D，在最大量程為50Kg的情況下，其最小分度值為48.8g，遠小於係統的精度要求，可見是滿足係統設計要求。

    另外A/D轉換速度是否能滿足連續的高速轉換，這裏我們在參考ATmega128手冊下知道：在最高精度的要求下，ADC的工作頻率可以最高達200kHz，而正常單端連續轉換的一次時間是14.5個ADC周期，那麽可以計算出來一次的轉換時間是：14.5/200kHz =75μs，可見轉換速度是夠的。對AD的采樣速率來說，通過試驗可以知道物料動態稱重中信號的頻譜成份主要集中在小於10Hz的低頻範圍，而ATmega128 的ADC 最高分辨率時采樣率高達15 Ksps，可見也是完全滿足要求的。

    傳感器我們選擇梅特勒-托利多的單點彎曲梁式傳感器IL-250，最大量程重量是250Kg，在12V 激勵電源下輸出範圍是：（0.2~27）mV。使用中，為降低傳感器自身非線性的影響，采用精密砝碼進行標定，並將標定值存於控製器中。定量包裝秤的工作範圍為（20~50）Kg，那麽最好的情況是滿量程的情況下進入ADC的電壓值可以逼近參考電壓但是小於參考電壓，而在零點時候的電壓最好就是傳感器在無料狀態下的輸出電壓。通過測試得到傳感器在50 Kg 下的輸出電壓為14mV 左右為此必須對傳感器輸出的信號進行放大，為了使係統可以達到我們的設計目標，這裏我們的放大倍數選擇為350倍。

    3軟件設計

    軟件設計部分的主要工作是對信號噪聲濾除的數字濾波設與實現，對雙秤結構下的三級流速控製流程的設計與實現。工業控製中對信號噪聲進行簡單濾除的主要方法有：算術平均值濾波，加權平均值濾波，滑動平均值濾波，中值濾波，程序判斷濾波（包括限幅和限速濾波），複合數字濾波等等。每種濾波方法特色各異，在動態稱重的係統中，經試驗反複對比，中值濾波和滑動平均值對本係統現場信號噪聲的濾波作用比較明顯，在最終係統的實現中，我們采用了N=8的中值濾波器設計。以下給出當雙秤同時獨立工作時的軟件流程圖，如圖3所示。

    在三級流速控製部分，主要完成的是對大投喂料開關，中投喂料開關，小投喂料開關的控製。控製的實現是通過對A/D采集的數據進行處理後與係統中預先設定的各臨界值進行比較，隻要當前值大於等於所設定值就關閉相應的喂料開關。對於雙秤結構，可以設定多種工作模式（A、B 秤同時獨立工作；A、B聯動工作；A、B秤隻選擇其一工作）。卸料控製應針對不同的工作模式進行相應的處理。以雙秤同時獨立工作模式為例，在這種工作模式下，雙秤卸料必須滿足不能互相幹擾的問題。也就是說當A秤在卸料則B秤不能卸料，而且都必須是在定值以後當夾帶開關打開，表示物料帶已經準備好的時候才可以卸料。在程序中我們采用的是A秤優先的模式。另外卸料的時間控製比較重要，過長雖然可以使物料一次卸料幹淨但是影響效率，過短則會使得計量鬥內的物料卸料不完全導致誤差的引入。在工廠生產的實際過程中，存在多種不同的包裝規格。為減少由於需要重複對不同包裝規格進行標定而帶來的很多問題，係統采用對不同包裝規格預先保存不同標定配方數據的方法來應對。為便於調試，係統還添加了全手動的工作控製模式。為便於工廠的管理，在程序中增加了與上位機的通信接口，可通過上位機實時對稱重設備進行參數的查詢、控製管理等工作。係統采用DMF50174液晶顯示屏，一次可顯示的信息量豐富。在軟件部分的一項重要工作就是通過大量的顯示內容來增強人機間的交互，使得對設備的使用和管理更加的便捷。

    4係統測試

    由於定量包裝秤動態稱重係統是一個時變非線性係統，隻能通過大量的實驗來尋求一些控製規律。所以係統的調試對定量包裝秤動態稱重係統來說是很重要的一環。在調試中我們主要是通過調整係統的不同參數（例如各延時參數和三級流速控製的各臨界值）來使係統可以精確快速運行。在實際生產中有很多的因素影響著係統的精度，比如儲料鬥中的料位，化肥顆粒的狀態（有些化肥容易結塊）等。

    5結束語

    通過現場的運行情況來看，本係統基本可以滿足設計要求。但是在控製精度方麵依然有可改善的空間，比如可以通過采用高性能的AD，使用放大倍數更高、性能更好的放大器，使用工作頻率更高的處理器如DSP，改進算法等等。如果可以改進進料係統使得進料速度可以嚴格的控製，那麽對動態稱重係統的控製部分的要求將會大大降低，就可以采用一些傳統而十分有效的控製方式。
 

 作者 繆剛; 韓震宇; 溫顯超

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