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 1引言

    在工業(yè)生產(chǎn)過程中有很多的環(huán)節(jié)都涉及到定量稱重問題，比如食品的包裝過程，醫(yī)藥化工的配料過程，飼料的配料包裝過程等等。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。這樣往往會導(dǎo)致效率極低，工人的勞動強(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)過程中，動態(tài)稱重精度卻是一個問題。于是如何解決高速稱重過程中的動態(tài)精度問題成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

    就目前來看，國內(nèi)在動態(tài)稱重的技術(shù)上比國外還有不小的差距。雖然在過去的一二十年內(nèi)我國的定量稱重包裝設(shè)備的自動化程度有了大幅的提高，但是由于國內(nèi)的技術(shù)儲備不夠，而在最近的一二十年內(nèi)，國外在動態(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（Kalman filter），模糊邏輯估計（Fuzzy logic estimator）的新數(shù)字濾波器的設(shè)計[1]等。然而國內(nèi)也在吸收和消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了一批定量稱重系統(tǒng)，比如由某公司所研究開發(fā)的應(yīng)用于煤粉定量控制系統(tǒng)中的SKPLC，其穩(wěn)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，由于國內(nèi)在技術(shù)儲備、研發(fā)水平、制造水平與國外的差距，導(dǎo)致了現(xiàn)今國內(nèi)的定量稱重設(shè)備的技術(shù)含量、功能，特別是在稱重精度和速度這對矛盾的解決上并不是很成功，此外包裝設(shè)備與生產(chǎn)線上的其它控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通信等方面與國外的產(chǎn)品還是有很大的差距。

    在參考當(dāng)前國內(nèi)外動態(tài)稱重研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)用化肥生產(chǎn)對定量稱重包裝設(shè)備的具體要求，設(shè)計了一種適用于農(nóng)用化肥生產(chǎn)過程的電子定量包裝動態(tài)稱重系統(tǒng)。

    2整體設(shè)計

    2.1系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

    根據(jù)國家對農(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)實際需求，提出以下的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)：（1）稱重計量精度：<（±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[3]
    式中：M（t）—物料質(zhì)量；m—稱料倉等的質(zhì)量；c—系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)；c1—系統(tǒng)等效剛度；F（t）—物料下落的沖擊力；x—稱體相對參考零點(diǎn)的位移；g—重力加速度。

    從上式可以看出對系統(tǒng)精度和速度有影響的關(guān)鍵參數(shù)是m，c，c1，F(xiàn)（t），從而可知影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素有：由喂料系統(tǒng)帶來的沖擊力大小的影響，傳感器數(shù)量與布置方式對系統(tǒng)等效剛度的影響，系統(tǒng)各組件連接方式對系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)的影響[3]等。其中下落物料的沖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(guān)，還與儲料倉的儲料數(shù)量、稱料倉的留空體積等眾多因素相關(guān)，是一個典型的時變參量，因此上述數(shù)學(xué)模型所表達(dá)的系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的控制理論難于對它進(jìn)行控制，目前也沒有成熟而且實用的新處理方法。所以我們只能嘗試在大量實驗的基礎(chǔ)上通過對實驗數(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電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計電子定量包裝秤動態(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)械國內(nèi)和國外的差別不大，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[4]、柱塞供料、螺旋供料、振動供料[5]等等，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(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)采用了直流式供料方式，同時為達(dá)到生產(chǎn)線快速稱重的實際需要，在稱重結(jié)構(gòu)上采用雙秤結(jié)構(gòu)（分A，B秤）。整個電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)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斗，然后由直流式供料裝置供料。

    動態(tài)稱重過程中物料流量大小直接決定物料對稱重系統(tǒng)的沖擊力大小，物料下料流量大時，稱重速度快，但稱重的計量精度將難于保證，反之下料流量小時，稱重的計量精度可獲得提高，但稱重效率很低。為滿足系統(tǒng)稱重的計量精度，并兼顧稱重速度，我們在給料的速率上采用多級流量控制方式。實驗結(jié)果表明，采用三級給料控制方式已經(jīng)可以較好的解決速度和精度這對矛盾。所設(shè)計的電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理。
        2.4電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)控制部分設(shè)計

    電子定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)中的控制部分是協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)有序工作的大腦。控制器CPU采集來自稱重傳感器的信號，接收人工鍵盤或異地遠(yuǎn)程指令，監(jiān)視整個系統(tǒng)的狀態(tài)，產(chǎn)生氣動閥門的控制信號，在顯示器上輸出系統(tǒng)的狀態(tài)信息。如圖2所示，給出了動態(tài)稱重系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)原理圖。

     在控制器的設(shè)計中，應(yīng)關(guān)注的主要問題有以下幾個方面：（1）輸入輸出信號間的時序關(guān)系，這主要由控制器軟件來體現(xiàn)；（2）在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)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，對控制器電路板需要進(jìn)行密封與散熱；（3）硬件電路參數(shù)對動態(tài)稱重計量精度的影響?？刂破髦袀鞲衅骷捌浜蟮姆糯笳{(diào)理電路、A/D的參數(shù)、CPU的性能對系統(tǒng)精度影響較大?？刂破髟O(shè)計中我們首先選定的是高性能的ATmega128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時性能高達(dá)16MIPS，特別的是ATmega128帶有性價比很高的A/D轉(zhuǎn)換器，它具有10位精度，轉(zhuǎn)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(dá)15 kSPS [6]。對于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，可見是滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

    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(dá)200kHz，而正常單端連續(xù)轉(zhuǎn)換的一次時間是14.5個ADC周期，那么可以計算出來一次的轉(zhuǎn)換時間是：14.5/200kHz =75μs，可見轉(zhuǎn)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(tài)稱重中信號的頻譜成份主要集中在小于10Hz的低頻范圍，而ATmega128 的ADC 最高分辨率時采樣率高達(dá)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(diǎn)彎曲梁式傳感器IL-250，最大量程重量是250Kg，在12V 激勵電源下輸出范圍是：（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(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)時候的電壓最好就是傳感器在無料狀態(tài)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(jìn)行放大，為了使系統(tǒng)可以達(dá)到我們的設(shè)計目標(biāo)，這里我們的放大倍數(shù)選擇為350倍。

    3軟件設(shè)計

    軟件設(shè)計部分的主要工作是對信號噪聲濾除的數(shù)字濾波設(shè)與實現(xiàn)，對雙秤結(jié)構(gòu)下的三級流速控制流程的設(shè)計與實現(xiàn)。工業(yè)控制中對信號噪聲進(jìn)行簡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，在動態(tài)稱重的系統(tǒng)中，經(jīng)試驗反復(fù)對比，中值濾波和滑動平均值對本系統(tǒng)現(xiàn)場信號噪聲的濾波作用比較明顯，在最終系統(tǒng)的實現(xiàn)中，我們采用了N=8的中值濾波器設(shè)計。以下給出當(dāng)雙秤同時獨(dú)立工作時的軟件流程圖，如圖3所示。

    在三級流速控制部分，主要完成的是對大投喂料開關(guān)，中投喂料開關(guān)，小投喂料開關(guān)的控制。控制的實現(xiàn)是通過對A/D采集的數(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)的喂料開關(guān)。對于雙秤結(jié)構(gòu)，可以設(shè)定多種工作模式（A、B 秤同時獨(dú)立工作；A、B聯(lián)動工作；A、B秤只選擇其一工作）。卸料控制應(yīng)針對不同的工作模式進(jìn)行相應(yīng)的處理。以雙秤同時獨(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題。也就是說當(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)夾帶開關(guān)打開，表示物料帶已經(jīng)準(zhǔn)備好的時候才可以卸料。在程序中我們采用的是A秤優(yōu)先的模式。另外卸料的時間控制比較重要，過長雖然可以使物料一次卸料干凈但是影響效率，過短則會使得計量斗內(nèi)的物料卸料不完全導(dǎo)致誤差的引入。在工廠生產(chǎn)的實際過程中，存在多種不同的包裝規(guī)格。為減少由于需要重復(fù)對不同包裝規(guī)格進(jìn)行標(biāo)定而帶來的很多問題，系統(tǒng)采用對不同包裝規(guī)格預(yù)先保存不同標(biāo)定配方數(shù)據(jù)的方法來應(yīng)對。為便于調(diào)試，系統(tǒng)還添加了全手動的工作控制模式。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，可通過上位機(jī)實時對稱重設(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。在軟件部分的一項重要工作就是通過大量的顯示內(nèi)容來增強(qiáng)人機(jī)間的交互，使得對設(shè)備的使用和管理更加的便捷。

    4系統(tǒng)測試

    由于定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)是一個時變非線性系統(tǒng)，只能通過大量的實驗來尋求一些控制規(guī)律。所以系統(tǒng)的調(diào)試對定量包裝秤動態(tài)稱重系統(tǒng)來說是很重要的一環(huán)。在調(diào)試中我們主要是通過調(diào)整系統(tǒng)的不同參數(shù)（例如各延時參數(shù)和三級流速控制的各臨界值）來使系統(tǒng)可以精確快速運(yùn)行。在實際生產(chǎn)中有很多的因素影響著系統(tǒng)的精度，比如儲料斗中的料位，化肥顆粒的狀態(tài)（有些化肥容易結(jié)塊）等。

    5結(jié)束語

    通過現(xiàn)場的運(yùn)行情況來看，本系統(tǒng)基本可以滿足設(shè)計要求。但是在控制精度方面依然有可改善的空間，比如可以通過采用高性能的AD，使用放大倍數(shù)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(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，那么對動態(tài)稱重系統(tǒng)的控制部分的要求將會大大降低，就可以采用一些傳統(tǒng)而十分有效的控制方式。
 

 作者 繆剛; 韓震宇; 溫顯超

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