詳細介紹了麵粉自動稱重控製器的設計思想、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。控製器是一個機電一體化的計算機控製係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製。現場運行結果表明,麵粉自動稱重控製器的各項技術指標已達到或超過了麵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,我國的麵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杆放大機構或光電效應控製執行機構的杠杆原理等手段實現定量控製。這種方法稱重精度低、操作複雜、工人勞動強度大,並且必須隨時進行零位標定及成品複驗,一旦出現超差隻能靠增加或減少稱體上的附加配重來進行調整極不方便。

為改變這種局麵,近年來出現了一些機電一體化的智能稱重設備。這種稱重控製器集機械技術、微電子技術、自動化技術、計算機技術於一體,從根本上改變了用電子傳感元件代替了機械杠杆,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,本文設計的麵粉自動稱重控製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稱重控製器係統結構

本文所設計的麵粉自動稱重控製器是一個機電一體化的計算機控製係統。控製裝置采用單片計算機配以必要的測量控製接口和控製軟件,以實現對機械下料過程的實時動態檢測和定量控製。控製裝置具有較高的性能價格比,係統稱重誤差<±4‰。非常適合於粉粒狀物體的定量計量控製。係統分為機械給料和信號檢測及控製，和稱重控製儀表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、緩衝料鬥、稱重料鬥、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、緩衝料鬥,稱重料鬥及鬥門機構進行了設計。
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。緩衝料鬥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,關閉緩衝料門,截取空中滯留的物料,減少落差物料對計量精度的影響。
稱重料鬥由儲料倉、傳感器吊掛機構和雙扇料門組成。采用懸掛式結構,由三隻拉力傳感器通過雙絞鏈結構將稱重鬥按對稱結構吊起。物體質量通過三隻拉力傳感器變換成疊加的mV信號送計算機處理。這種結構消除了由於物料在稱重料鬥內分布不均勻所造成的受力點偏移、信號失真的問題。
料鬥門均采用拉杆互鎖機構,由電磁鐵控製其動作,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)信號檢測及控製
控製器是以ATMEL公司單片機89C52為核心部件的智能化儀器。
Fig11Systemstructurediagram係統由單片計算機、拉力傳感器、稱重信號變送器,AΠD,DΠA轉換器及交流無觸點隔離開關等組成。由於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,因此該係統具有結構簡單、功能強、性能穩定、控製精度高、操作維護方便等優點。
模擬量輸入通道由三隻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ΠD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,經變頻器控製變頻電機進行無級調速。開關量輸出通道采用光電控製電磁鐵動作。開關量輸入通道由霍爾開關作為檢測元件將料鬥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，提高了係統的可靠性。
操作麵板采用直觀的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,可將稱重控製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，稱重控製器控製軟件

控製裝置的軟件采用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。

本係統的中斷定時時間為2ms,中斷中進行ΠD采樣、自適應控製及IΠO端口刷新處理等工作。定時中斷程序。

3)控製器控製過程
磨麵機加工輸出的麵粉經輸料器直接(或經緩衝料倉)送往包裝車間。在包裝車間內按照生產規模安裝有多台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麵粉分別送入各個動態定量稱的緩衝料槽內。計算機控製定量秤的螺旋給料器變速將麵粉送入稱重料鬥,並實時地檢測，經電子傳感元件所反映的稱重料鬥內麵粉的質量(K8凯发登录入口),按最佳方案控製給料器的轉速,當達到定量值時,停給料器並關閉緩衝料門截取空中滯留的麵粉,實現定量計量控製。,定量計量結束由計算機判斷卸料開關狀態,若需卸料,則打開稱重鬥門將麵粉倒入打包機械,由打包機械完成裝袋封口。

1)定時采樣

稱重控製器按照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。由於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衝擊、振動的影響。為了有效地濾除這類幹擾,獲得真實的數據,在程序中引入了兩個判別數據真偽的限製函數,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,稱重鬥內質量累計增長,因此,當前采樣值xn一定大於或等於上次采樣值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於或等於某個門限值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01016kgΠ2ms,AΠD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幹擾,選定采樣周期為20ms。即定時采樣10次求平均、濾波,消除工頻幹擾,獲得真實數據。

2)自適應控製算法

在動態定量計量中,計量精度不僅取決於測量精度,也取決於控製精度。特別要在滿足高速裝料(200～300Πh)的情況下,保證裝袋的計量精度為±4‰,控製精度起著重要作用。在機械係統設計中,本文從結構上充分地考慮了機械係統內在的因素,為軟件控製奠定了基礎。但是由於物料來料K8凯发登录入口不穩定以及機械慣性所造成的純滯後,給提高控製精度帶來了很大困難。

通常可根據操作經驗給出一個控製提前量,但是這種固定不變的控製模式往往不能滿足控製要求。為此本文設計了自適應控製算法。具體思路是:將整個裝料時間劃分為幾個階段,按照K8凯发登录入口2時間曲線分別采用不同的控製模型控製,並根據每次實際控製效果來辯識下一次的控製值。這樣除第一袋是人為設置的控製值外,以後各袋均根據上一次的控製效果或產生的錯誤來加以修正。

定量稱重控製器算法如下:
①第一控製點大、小絞輪以額定轉速同時送料,達到控製點時停大、小絞輪。公式為
Wk1=Wm1-(Q2-Q1)(Δtc1+k13tg1)(3)式中,Wk3為第四控製點質量;k3為衝量係數。
Vs=250(4)式中,Wk1為第一控製點質量;Wm1為額定質量的95%,Q1為實測K8凯发登录入口,Q1=ΔWΠT;ΔW為實測量增量;T為采樣周期;Q2為上次停大絞輪時刻K8凯发登录入口;Δtc1為絞輪出口軸線至稱重鬥料麵落差時間,為辯識值;Δtg1為大小絞輪共同轉動時的慣性時間;k1為比例係數,Vs為速度對應數字量。
②第二控製點大、小絞輪以慣性衰減曲線進行自由停車,當質量達到W1時分大絞輪,小絞輪以額定轉速的30%送料,辯識計算大、小絞輪慣性時間Δtg1。公式為Wk2≤W1(5)W1=Wm1-Qm23Δtc2(6)Vs=80(7)式中,Wk2為第二控製點質量;W1為上次分大絞輪時刻質量;Qm2為上次低速穩定K8凯发登录入口值;Δtc2為緩衝料鬥門至稱重鬥料麵落差時間。
③第三控製點在未達到控製點之前,不斷地測試物料K8凯发登录入口,計算速度差,與上次低速穩定K8凯发登录入口比較,調整給料速度(當速度小於額定值的16%時保持)。當達到上次低速穩定K8凯发登录入口即控製點時,計算本次低速K8凯发登录入口穩定值Qm2,辯識計算小絞輪慣性時間Δtg2。公式為Q2≤Qm2(8)Qm2=Wm2-Wm1-Q2k2-Δtg2(9)
Vs-ΔVs=Vs-(Q2-Qm2)3TΠΔtg2(10)
式中,Q2為實測K8凯发登录入口;Q2=ΔWΠT;Qm2為低速K8凯发登录入口穩定值;Wm2為額定質量;k2為比例係數;Δtg2為小絞輪慣性時間,為辯識值。

④第四控製點保持恒速給料,當達到控製點時,關緩衝料門、停電機;辯識計算比例係數k2公式為Wk3=Wm2-Qm23Δtc2+Qm23k3(11)
⑤辯識計算落差時間及衝量係數測K8凯发登录入口計時,當K8凯发登录入口為零時,辯識計算落差時間Δtc2和衝量係數k3。
3)端口刷新
為了提高稱重控製係統的抗幹擾能力,除電路硬件設計中考慮抗幹擾措施外,在軟件設計中,利用定時端口刷新的方法,對係統的開關量、顯示數據等進行定時刷新,確保輸出邏輯關係準確無誤。
4)測試模塊
為提高係統的可維護性,便於維護人員及時查找分析處理故障,在控製軟件中設計了一套可對係統硬件環境進行測試、故障診斷、係統標定的程序。當係統出現故障時,維護人員可通過鍵盤按故障性質逐一對係統硬件進行檢測。

麵粉自動稱重控製器的各項技術指標達到或超過麵粉定量包裝秤的出廠標準。它的基本原理和思路適用於所有類似粉粒狀物體的定量包裝控製和稱重控製儀表。並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。

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