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 一、分選秤用稱重控制器的組成及性能參數(shù)
分選秤是一種應(yīng)用廣泛的在線動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備, 主要由載荷輸送機(jī)、承載器、分選裝置、稱重控制器、重量設(shè)定裝置等組成, 具有自動(dòng)判別、動(dòng)態(tài)計(jì)量等特點(diǎn)。工作時(shí), 無需人工干預(yù), 載荷輸送機(jī)將自動(dòng)地把被稱物料送到承載器上, 根據(jù)秤臺(tái)兩端的兩個(gè)光電檢測(cè)元件來判斷被稱物料的位置, 按設(shè)定裝置預(yù)先設(shè)定好的重量范圍進(jìn)行分選。為了使被稱物料按輸送線匹配速度在秤上連續(xù)通過, 要求稱重控制器應(yīng)快速、準(zhǔn)確、可靠。
稱重控制器用于橡膠行業(yè)胎面壓出線上對(duì)胎面分選秤進(jìn)行控制。它主要由材〔萬一51單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)、前置放大器、設(shè)定裝置、分選結(jié)果指示燈、計(jì)數(shù)器、打印機(jī)、電源等組成。其原理框圖示于圖1 。前置放大器將壓力傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大, 并轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào), 送至何CS 一51 單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 處理結(jié)果送顯示器顯示,同時(shí)與預(yù)先設(shè)置的重量范圍進(jìn)行比較, 比較結(jié)果通過開出口送指示燈顯示、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),并啟動(dòng)打印機(jī)對(duì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。
稱重控制器有運(yùn)行/ 校驗(yàn)兩種工作方式可供選擇。當(dāng)選用校驗(yàn)方式時(shí), 則進(jìn)入靜態(tài)正常顯示。此時(shí), 將被稱物放在秤臺(tái)上, 控制器將顯示出被稱物的重量, 可對(duì)秤進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)選用運(yùn)行方式時(shí), 稱重控制器將進(jìn)入動(dòng)態(tài)稱重分選控制狀態(tài)。這時(shí), 稱重控制器將根據(jù)秤臺(tái)兩端檢測(cè)被稱物位置的光電信號(hào), 確定胎面位置, 進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重分選控制。
我國(guó)用于分選秤的稱重控制器多為進(jìn)口產(chǎn)品, 而國(guó)內(nèi)開發(fā)的產(chǎn)品大多都是從通用稱重顯示器演變過來的, 沒有專用的設(shè)定裝置,多由顯示器上的小鍵盤鍵入重量的分選范圍, 正常工作時(shí), 操作人員看不到設(shè)定值, 直觀性差, 并且調(diào)整不方便。我們開發(fā)的稱重控制器借鑒了國(guó)外樣機(jī), 在控制器的面板上設(shè)置了四個(gè)四位撥碼開關(guān), 用于對(duì)重量分選范圍進(jìn)行設(shè)定。這四個(gè)撥碼開關(guān)可按工藝要求細(xì)分成五段重量范圍( 見圖2 ) 。四位數(shù)字的前兩位代表整數(shù), 后兩位則代表小數(shù)。
在動(dòng)態(tài)稱重分選過程中, 設(shè)定值可隨時(shí)調(diào)整。在面板上設(shè)有每段重量相對(duì)應(yīng)的指示燈和記數(shù)器。操作人員可根據(jù)上偏差和下偏差提供的重量變化趨勢(shì), 及時(shí)調(diào)整胎面擠出口的壓力, 以控制胎面的重量。這樣, 就非常直觀、方便。六個(gè)六位記數(shù)器分別記憶稱量良好、上偏差、下偏差、上超差、下超差、產(chǎn)量( 包括良好、上偏差、下偏差) 等數(shù)據(jù)。配有打印機(jī), 打印出產(chǎn)量等數(shù)據(jù), 方便于車間管理。
對(duì)上超差和下超差的不合格品, 分選裝置將自動(dòng)啟動(dòng)予以剔除, 并聲音報(bào)警, 提示操作人員注意。
該稱重控制器不僅具有完善的動(dòng)態(tài)稱重分選控制功能, 而且還具有零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤、去皮、清零等功能, 是一種高精度的通用顯示儀表。其主要技術(shù)參數(shù)為:
. 顯示器: 四位七段L E D 數(shù)碼管
. 顯示器分辨率: 大于3 0 0 0 0 萬
. 傳感器激勵(lì)電源: D C 1 5V
. 開入點(diǎn)數(shù): 4
. 開出點(diǎn)數(shù): 8
. 產(chǎn)P 一1 6 打印機(jī)接口
. 工作溫度: 一10 一4 0 ℃
. 供電電源: A C 2 20 V soH z
二、軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為后臺(tái)程序和前臺(tái)程序。對(duì)于打印、數(shù)據(jù)處理、重量分選判別等實(shí)時(shí)性不是很高的內(nèi)容, 安排在后臺(tái)工作; 而對(duì)對(duì)于采集、定時(shí)等實(shí)時(shí)性要求較高的內(nèi)容, 則安排在前臺(tái)。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu), 按完成的任務(wù)分成多個(gè)功能模塊, 便于調(diào)試、擴(kuò)充和移植。主程序簡(jiǎn)化框圖如圖3 所示。為完成靜態(tài)稱量和動(dòng)態(tài)分選稱量, 本程序著重進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)。下面分別予以敘述。
1 .功能設(shè)計(jì)
軟件的功能設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)各種不同的功能模塊, 通過這些功能模塊, 完成各種實(shí)質(zhì)J隆的任務(wù)。在本程序中, 由軟件實(shí)現(xiàn)的主要功可能是:
. 零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤;
. 去皮;
. 零點(diǎn)校驗(yàn);
. 數(shù)據(jù)采集;
. 數(shù)據(jù)處理;
. 1 / 0 操作;
. 系統(tǒng)定時(shí);
. 讀鍵及設(shè)定;
. 運(yùn)行/ 校驗(yàn)轉(zhuǎn)換;
. 打印;
. 運(yùn)行方式下顯示值鎖定;
. 重量判別, 其程序流程圖示于圖4 。
這些功能模塊在系統(tǒng)監(jiān)控程序管理下,按預(yù)定的工作方案完成靜態(tài)稱量或動(dòng)態(tài)分選稱量。
2.抗干擾設(shè)計(jì)
由于分選秤工作在工業(yè)環(huán)境下, 現(xiàn)場(chǎng)有著各種干擾, 影響秤的正常工作。所以, 除采取硬件抗干擾措施外, 軟件抗干擾措施作為第二條防線也是非常重要的, 并且是必不可少的。一個(gè)完善的軟件系統(tǒng), 不僅要進(jìn)行功能設(shè)計(jì), 而且也要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì), 以提高系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用了如下兩種軟件抗干擾措施:
(l) 數(shù)字信號(hào)輸入輸出通道抗干擾
干擾信號(hào)多呈毛刺狀, 且作用時(shí)間短。根據(jù)這一特點(diǎn), 在采集重量信號(hào)時(shí), 可連續(xù)采集幾次, 直到連續(xù)兩次采集的結(jié)果完全一樣, 這
個(gè)信號(hào)才有效。若經(jīng)幾次采集, 信號(hào)總是不一致, 那么將放棄此次的信號(hào)采集。每次采集的最高次數(shù)限額和連續(xù)相同次數(shù), 可按實(shí)際需要調(diào)整。本程序中采集的最高限額4 次, 兩次連續(xù)相同即為有效采集。
對(duì)于輸出通道, 即使單片機(jī)給出正確的輸出數(shù)據(jù), 但由于外部干擾, 將使輸出裝置有可能得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。在軟件上, 最為有效的抗干擾措施就是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)。重復(fù)周期盡可能短些, 使外部設(shè)備在接收到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后, 還來不及作出有效的反應(yīng), 一個(gè)正確的輸出信息又來到了。這樣,就可及時(shí)防止錯(cuò)動(dòng)作。在本程序中, 將輸出放在定時(shí)中斷中, 可有效地防止輸出誤動(dòng)作。
(2) 數(shù)字濾波
對(duì)于采集到的重量信號(hào), 其內(nèi)常含有隨機(jī)干擾量, 因此必須從數(shù)據(jù)系列中提取出逼近點(diǎn)實(shí)值的數(shù)據(jù), 得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。
在軟件中, 常用的方法就是數(shù)字濾波。本程序分靜態(tài)稱量和動(dòng)態(tài)分選稱量。因稱量方式不同, 所采用的數(shù)字濾波方式也不一樣。下面就兩種稱量方法所采取的不同的數(shù)字濾波方法分別予以說明。
1靜態(tài)稱量:
靜態(tài)稱量主要考慮的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。既要考慮穩(wěn)定狀態(tài)下的顯示相對(duì)穩(wěn)定,又要考慮加載時(shí)的快速響應(yīng)。因此, 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)先要進(jìn)行穩(wěn)定性判別, 然后才進(jìn)行數(shù)字濾波處理。在數(shù)字濾波程序中, 采用了滑動(dòng)平均濾波技術(shù), 以提高濾波效果。其具體做法
是: 每采樣一次, 頂?shù)粢粋€(gè)最老的數(shù)據(jù), 再將這次的采樣值和過去若干次的采樣值一起求平均, 所得的有效采樣值即可投入使用。因此, 這就提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采樣次數(shù)N的選取, 對(duì)濾波效果影響很大。N 越大, 效果越好, 但卻影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在本稱重控制器中, 為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力, 穩(wěn)定時(shí)N 取32 , 不穩(wěn)定時(shí)N 取8。由于采用了有效的濾波方法, 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度以及加載響應(yīng)速度都得到了大大提高。º 動(dòng)態(tài)分選稱量:在動(dòng)態(tài)分選稱量時(shí), 胎面是以快速通過秤臺(tái)的。胎面在秤臺(tái)上的時(shí)間在1. 5 秒以內(nèi),所以采樣必須在1 秒鐘內(nèi)完成。這樣, 采樣的次數(shù)受到了限制。另外, 由于胎面快速通過秤臺(tái)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng), 將對(duì)采樣值造成干擾。因此, 必須考慮選取哪些數(shù)據(jù)合理, 以及采用何種數(shù)字濾波技術(shù), 來抑制干擾信號(hào)對(duì)稱重的影響是非常重要的。
從胎面到達(dá)秤臺(tái)直至其離開分為三個(gè)階段: 第一階段即時(shí)間t , 段, 是胎面從到達(dá)秤臺(tái)直至其完全在秤臺(tái)上的過程, 重量信號(hào)在此期間逐漸上升; 第二階段即時(shí)間九段, 胎面完全在秤臺(tái)上, 這期間是稱量段; 第三階段即時(shí)間t 。段, 是胎面離開秤臺(tái)的過程, 重量信號(hào)在此期間逐漸下降到零。在九稱量段的開始與結(jié)束, 稱重信號(hào)受到的干擾相對(duì)重些。而在山段, 即胎面在秤臺(tái)的中間位置時(shí), 稱重信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)。因此, 選取△t 時(shí)間段的數(shù)據(jù)比較理想。利用置于秤臺(tái)前端的光電開關(guān)啟動(dòng)稱重控制器接收動(dòng)態(tài)采樣數(shù)據(jù), 并在山時(shí)間內(nèi)完成采樣。采樣次數(shù)N 與采樣速度有關(guān), 采樣速度快, 所采集的次數(shù)N 就高。
光電開關(guān)的安裝必須保證所采集到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是被稱物處于秤臺(tái)山位置時(shí)的數(shù)據(jù)。對(duì)于所采集到的N 個(gè)數(shù)據(jù), 均含有不同的干擾成分, 因此就必須采用有效的濾波方法, 以得到胎面重量的真值。本程序采用的是復(fù)合濾波技術(shù), 即把兩種以上的數(shù)字濾波方法結(jié)合起來使用, 互補(bǔ)不足, 提高濾波效果, 以達(dá)到僅用單一濾波方法所不能達(dá)到的效果。這里采用的是去極值濾波法和算術(shù)平均值濾波法相結(jié)合的濾波方法。去極值濾波先將明顯的脈沖干擾值剔除, 不參加平均值計(jì)算, 從而使平均濾波的輸出值更接近于真實(shí)值。算法原理如下: 連續(xù)采樣N 次, 將其累加求和, 同時(shí)找出其中的最大值和最小值, 再?gòu)睦奂雍椭袦p去最大值和最小值, 按N 一2 個(gè)采樣值求平均, 即得出有效的采樣值。該復(fù)合濾波程序流程圖示于圖5 稱重信號(hào)波形圖圖中, 從胎面到達(dá)秤臺(tái)直至其離開分為三個(gè)階段: 第一階段即時(shí)間t , 段, 是胎面從到達(dá)秤臺(tái)直至其完全在秤臺(tái)上的過程, 重量信號(hào)在此期間逐漸上升; 第二階段即時(shí)間九段, 胎面完全在秤臺(tái)上, 這期間是稱量段; 第三階段即時(shí)間t 。段, 是胎面離開秤臺(tái)的過程, 重量信號(hào)在此期間逐漸下降到零。在九稱量段的開始與結(jié)束, 稱重信號(hào)受到的干擾相對(duì)重些。而在山段, 即胎面在秤臺(tái)的中間位置時(shí), 稱重信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)。因此, 選取△t 時(shí)間段的數(shù)據(jù)比較理想。利用置于秤臺(tái)前端的光電開關(guān)啟動(dòng)稱重控制器接收動(dòng)態(tài)采樣數(shù)據(jù), 并在山時(shí)間內(nèi)完成采樣。采樣次數(shù)N 與采樣速度有關(guān), 采樣速度快, 所采集的次數(shù)N 就高。光電開關(guān)的安裝必須保證所采集到式中而一N 一2 次采樣值的算術(shù)平均值;w , 一第i 次采樣值;N 一采樣次數(shù)。為方便計(jì)算, 采樣次數(shù)一般選為6 、10 、18 之類的2 的整數(shù)冪加2 , 以便用移位來代替除法。在本程序中, 采用了邊采樣邊處理,因此就不必在尺A M 中開辟數(shù)據(jù)暫存區(qū)。經(jīng)過數(shù)字濾波得到W 值, 再進(jìn)行去皮、標(biāo)度變換等數(shù)據(jù)處理, 得到可供顯示, 判別、打印的胎面重量值。
在第二個(gè)光電開關(guān)檢測(cè)到胎面完全離開秤臺(tái)后, 啟動(dòng)零點(diǎn)跟蹤子程序, 采用大樣本采樣滑動(dòng)平均值濾波技術(shù), 自動(dòng)除皮重, 為下個(gè)胎面的到來做好接收準(zhǔn)備。
三、結(jié)束語
該稱重控制器功能齊全, 抗干擾能力強(qiáng),不僅適用于橡膠行業(yè)的胎面分選控制, 也適用于禽蛋、硬幣、家禽、工業(yè)生產(chǎn)線等各種分選秤的控制。目前, 我國(guó)一些廠家引進(jìn)的分選秤, 經(jīng)過十幾年的使用, 有些稱重控制器已不能正常工作, 急需更換。此外, 還有一些廠家現(xiàn)仍使用著機(jī)械式分選秤, 不能滿足生產(chǎn)需要, 急需改造為電子分選秤。所以, 該稱重控制器在當(dāng)今具有極為實(shí)用的推廣價(jià)值。

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