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1引言
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有很多的環(huán)節(jié)都涉及到定量稱重問(wèn)題,比如食品的包裝過(guò)程，醫(yī)藥化工的配料過(guò)程，飼料的配料包裝過(guò)程等等。傳統(tǒng)的模式都是采用先進(jìn)行靜態(tài)的機(jī)械稱重，然后再進(jìn)行人工包裝或者配料。這樣往往會(huì)導(dǎo)致效率極低,工人的勞動(dòng)強(qiáng)度極大，而且精度不高。電子秤的出現(xiàn)改善了靜態(tài)機(jī)械稱重的精度,但是在快速生產(chǎn)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)稱重精度卻是一個(gè)問(wèn)題。于是如 差距。雖然在過(guò)去的一二十年內(nèi)我國(guó)的定量稱重包裝設(shè)備的自動(dòng)化程度有了大幅的提高，但是由于國(guó)內(nèi)的技術(shù)儲(chǔ)備不夠,而在最近的一二十年內(nèi)，國(guó)外在動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)上不斷應(yīng)用了先進(jìn)技術(shù),如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)，非線性回歸(NLR)理論，以及基于線性高斯法(LOG),卡爾曼濾波(Kalmanfilter),模糊邏輯估計(jì)(Fuzzylogicestimator)的新數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)P聲。然而國(guó)內(nèi)也在吸收和消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主開(kāi)發(fā)了一批定量稱重系統(tǒng),比如由某公司所研究開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于煤粉定量控制系統(tǒng)中的SK-PLC,其穩(wěn)定性比較可靠,功能也比較完善,價(jià)格比較實(shí)惠改但是就目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)在動(dòng)態(tài)稱重的技術(shù)上比國(guó)外還有不小的一階、二階頻率值較遠(yuǎn),能夠避免與整車產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

2整體設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)國(guó)家對(duì)農(nóng)用化肥包裝重量精度的要求并結(jié)合農(nóng)用化肥企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際需求，提岀以下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：(1)稱重計(jì)量精度:<(±0.5)%；(2)稱重范圍：(20-50)Kg;(3)稱重包裝速度：20包/min。
2.2電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)力學(xué)原理所建立的定量包裝秤數(shù)學(xué)模型如下式：
式中:Af(f)一物料質(zhì)量;m—稱料倉(cāng)等的質(zhì)量;c—系統(tǒng)等效阻尼系數(shù);cl系統(tǒng)等效剛度;F⑴一物料下落的沖擊力;l稱體相對(duì)參考零點(diǎn)的位移;L重力加速度。
從上式可以看出對(duì)系統(tǒng)精度和速度有影響的關(guān)鍵參數(shù)是從而可知影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素有：由喂料系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊力大小的影響，傳感器數(shù)量與布置方式對(duì)系統(tǒng)等效剛度的影響,系統(tǒng)各組件連接方式對(duì)系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)的影響團(tuán)等。其中下落物料的沖擊力對(duì)稱重的精度影響較大，該物理量不僅與物料的流速有關(guān)，還與儲(chǔ)料倉(cāng)的儲(chǔ)料數(shù)量、稱料倉(cāng)的留空體積等眾多因素相關(guān)，是一個(gè)典型的時(shí)變參量，因此上述數(shù)學(xué)模型所表達(dá)的系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng),這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的控制理論難于對(duì)它進(jìn)行控制，目前也沒(méi)有成熟而且實(shí)用的新處理方法。所以我們只能嘗試在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，尋找系統(tǒng)中存在的規(guī)律，從而達(dá)到準(zhǔn)確定量稱重控制的目的。
2.3電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、定量稱重系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)所組成。由于單純的包裝機(jī)械國(guó)內(nèi)和國(guó)外的差別不大,研究的重點(diǎn)都放在了進(jìn)料部分和定量稱重部分。
進(jìn)料系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)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》、柱塞供料、螺旋供料、振動(dòng)供料疇等，各種方式都是優(yōu)缺并存。其中直流式喂料的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度快,但是會(huì)使得稱重的精度與料位高度及物料流動(dòng)的均勻性與平衡性有密切的關(guān)系。由于農(nóng)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(jìn)料系統(tǒng)釆用了直流式供料方式,同時(shí)為達(dá)到生產(chǎn)線快速稱重的實(shí)際需要,在稱重結(jié)構(gòu)上釆用雙秤結(jié)構(gòu)(分A,B秤)。整個(gè)電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)先過(guò)皮帶傳輸供料裝置送料到直流式供料裝置的儲(chǔ)料斗，然后由直流式供料裝置供料。
動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中物料流量大小直接決定物料對(duì)稱重系統(tǒng)的沖擊力大小，物料下料流量大時(shí)，稱重魂快，但稱重的腥精度將難于保證，反之下料流量小時(shí)，稱重的推精度可獲得提高，但稱重效率很低。為滿足系統(tǒng)稱重的計(jì)量精度，并兼顧稱重速度，我們?cè)诮o料的速率上采用多級(jí)流量控制方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三級(jí)給料控制方式已經(jīng)可以較好的解決速度和精度這對(duì)矛盾。所設(shè)計(jì)的電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。

圖1電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理圖
2.4電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)
電子定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的控制部分是協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)有序工作的大腦?？刂破鰿PU釆集來(lái)自稱重傳感器的信號(hào)，接收人工鍵盤或異地遠(yuǎn)程指令，監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，產(chǎn)生氣動(dòng)閥門的控制信號(hào)，在顯示器上輸出系統(tǒng)的狀態(tài)信息。如圖2所示，給出了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)原理圖。

圖2動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)原理圖
在控制器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)關(guān)注的主要問(wèn)題有以下幾個(gè)方面:⑴輸入輸出信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系，這主要由控制器軟件來(lái)體現(xiàn);(2)在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下工作的可靠性問(wèn)題。在化《廠空氣中存有大量的腐蝕性氣體，對(duì)控制器電路板需要進(jìn)行密封與散熱;(3)硬件電路參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量精度的影響?？刂破髦袀鞲衅骷捌浜蟮姆糯笳{(diào)理電路、A/D的參數(shù)、CPU的性能對(duì)系統(tǒng)精度影響較大。控制器設(shè)計(jì)中我們首先選定的是高性能的ATmegal28單片機(jī)，其帶有豐富的I/O接口以及內(nèi)部資源，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS,特另是ATmegal28帶有性價(jià)比很高的A/D轉(zhuǎn)換器，它具有10位精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間為(13-260)^,0.5LSB的非線性度,(±2)LSB的絕對(duì)精度，最高分辨率時(shí)釆樣率高達(dá)15kSPS%對(duì)于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(yuǎn)小于系統(tǒng)的精度要求,可見(jiàn)是滿足系統(tǒng)面十要求。
另外A/D轉(zhuǎn)換速度是否能滿足連續(xù)的高速轉(zhuǎn)換，這里我們?cè)趨⒖糀Tmegal28手冊(cè)下知道:在最高精度的要求下,ADC的工作頻率可以最高達(dá)200kHz,而正常單端連續(xù)轉(zhuǎn)換的一次時(shí)間是14.5個(gè)ADC周期，那么可以計(jì)算出來(lái)一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間是:14.5/200kHz=75”,可見(jiàn)轉(zhuǎn)換速度是夠的。對(duì)AD的釆樣速率來(lái)說(shuō)，通過(guò)試驗(yàn)可以知道物料動(dòng)態(tài)稱重中信號(hào)的頻譜成份主要集中在小于10Hz的低頻范圍，而ATmegal28的ADC最髙分辨率時(shí)釆樣率高達(dá)15Ksps,可見(jiàn)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(diǎn)彎曲梁式傳感器IL-250,最大量程重量是250Kg,在12V激勵(lì)電源下輸出范圍是：（0.2-27）mVo使用中，為降低傳感器自身非線性的影響，釆用精密祛碼進(jìn)行標(biāo)定,并將標(biāo)定值存于控制器中。定量包裝秤的工作范圍為（20~50）Kg,那么最好的情況是滿量程的情況下進(jìn)入ADC的電壓值可以逼近參考電壓但是小于參考電壓，而在零點(diǎn)時(shí)候的電壓最好就是傳感器在無(wú)料狀態(tài)下的輸出電壓。通過(guò)測(cè)試得到傳感器在50Kg下的輸出電壓為14mV左右為此必須對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，為了使系統(tǒng)可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這里我們的放大倍數(shù)選擇為350倍。
3軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分的主要工作是對(duì)信號(hào)噪聲濾除的數(shù)字濾波設(shè)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)雙秤結(jié)構(gòu)下的三級(jí)流速控制流程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。工業(yè)控制中對(duì)信號(hào)噪聲進(jìn)行簡(jiǎn)單濾除的主要方法有：算術(shù)平均值濾波，加權(quán)平均值濾波，滑動(dòng)平均值濾波，中值濾波,程序判斷濾波（包括限幅和限速濾波），復(fù)合數(shù)字濾波等等。每種濾波方法特色各異,在動(dòng)態(tài)稱重的系統(tǒng)中，經(jīng)試驗(yàn)反復(fù)對(duì)比，中值濾波和滑動(dòng)平均值對(duì)本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)噪聲的濾波作用比較明顯，在最終系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，我們釆用了N=8的中值濾波器設(shè)計(jì)。以下給出當(dāng)雙秤同時(shí)獨(dú)立工作時(shí)的軟件流程圖，如圖3所示。

圖3軟件流程圖
在三級(jí)流速控制部分，主要完成的是對(duì)大投喂料開(kāi)關(guān)，中投喂料開(kāi)關(guān)，小投喂料開(kāi)關(guān)的控制?？刂频膶?shí)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)A/D釆集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后與系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的各臨界值進(jìn)行比較，只要當(dāng)前值大于等于所設(shè)定值就關(guān)閉相應(yīng)的喂料開(kāi)關(guān)。
對(duì)于雙秤結(jié)構(gòu)，可以設(shè)定多種工作模式（A、B秤同時(shí)獨(dú)立工作；A、B聯(lián)動(dòng)工作；A、B秤只選擇其一工作）。卸料控制應(yīng)針對(duì)不同的工作模式進(jìn)行相應(yīng)的處理。以雙秤同時(shí)獨(dú)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干擾的問(wèn)題。也就是說(shuō)當(dāng)A秤在卸料則B秤不能卸料,而且都必須是在定值以后當(dāng)夾帶開(kāi)關(guān)打開(kāi)，表示物料帶已經(jīng)準(zhǔn)備好的時(shí)候才可以卸料。在程序中我們釆用的是A秤優(yōu)先的模式。另外卸料的時(shí)間控制比較重要，過(guò)長(zhǎng)雖然可以使物料一次卸料干凈但是影響效率,過(guò)短則會(huì)使得計(jì)量斗內(nèi)的物料卸料不完全導(dǎo)致誤差的引入。
在工廠生產(chǎn)的實(shí)際過(guò)程中,存在多種不同的包裝規(guī)格。為減少由于需要重復(fù)對(duì)不同包裝規(guī)格進(jìn)行標(biāo)定而帶來(lái)的很多問(wèn)題，系統(tǒng)釆用對(duì)不同包裝規(guī)格預(yù)先保存不同標(biāo)定配方數(shù)據(jù)的方法來(lái)應(yīng)對(duì)。為便于調(diào)試，系統(tǒng)還添加了全手動(dòng)的工作控制模式。為便于工廠的管理，在程序中增加了與上位機(jī)的通信接口,可通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)稱重設(shè)備進(jìn)行參數(shù)的查詢、控制管理等工作。系統(tǒng)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(xiàng)重要工作就是通過(guò)大量的顯示內(nèi)容來(lái)增強(qiáng)人機(jī)間的交互，使得對(duì)設(shè)備的使用和管理更加的便捷。
4系統(tǒng)測(cè)試
由于定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變非線性系統(tǒng)，只能通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)尋求一些控制規(guī)律。所以系統(tǒng)的調(diào)試對(duì)定量包裝秤動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很重要的一環(huán)。在調(diào)試中我們主要是通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的不同參數(shù)（例如各延時(shí)參數(shù)和三級(jí)流速控制的各臨界值）來(lái)使系統(tǒng)可以精確快速運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中有很多的因素影響著系統(tǒng)的精度，比如儲(chǔ)料斗中的料位，化肥顆粒的狀態(tài)（有些化肥容易結(jié)塊）等。如表1、表2所示，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與運(yùn)行中的一些實(shí)際數(shù)據(jù)。
表1傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)瑟碼的輸出數(shù)據(jù)

5結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況來(lái)看，本系統(tǒng)基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。但是在控制精度方面依然有可改善的空間,比如可以通過(guò)釆用高性能的AD,跡放大堿更高、性能即的放大器徹工作頻率更高的處理器如DSP,改進(jìn)算法等等。如果可以改進(jìn)進(jìn)料系統(tǒng)使得進(jìn)料速度可以嚴(yán)格的控制，那么對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的控制部分的要求將會(huì)大大降低，就可以采用一些傳統(tǒng)而十分有效的控制方式。

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