電子定量包裝系統(tǒng)是在電子稱量技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的一種動(dòng)態(tài)定量稱量系統(tǒng)，是集機(jī)械、電氣、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的自動(dòng)智能計(jì)量稱量設(shè)備 [1—3] 。電子定量包裝設(shè)備根據(jù)具體的控制程序，自動(dòng)將大份的物料分成預(yù)定的小份物料。該設(shè)備因其具有智能自動(dòng)稱量、生產(chǎn)效率高、解放勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，在糧食加工、食品包裝、水泥包裝、醫(yī)藥包裝等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用 [4—6] 。電子定量包裝系統(tǒng)是否穩(wěn)定，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有直接影響，該系統(tǒng)如果能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，可以使企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)效益。為了提高定量稱量包裝機(jī)的包裝速度以及包裝精度，文中提出了一種基于觸摸屏和 DSP 的智能稱量包裝控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了與之配套的定量稱量包裝的控制系統(tǒng)軟件。
1 定量稱量包裝機(jī)
1.1 結(jié)構(gòu)介紹
定量稱量包裝機(jī)的基本結(jié)構(gòu)見圖 1。所述定量包裝機(jī)主要包括自動(dòng)控制系統(tǒng)、下料裝置、送料裝置、稱量裝置、夾袋裝置、成品傳送裝置 [7—10] 。
儲(chǔ)存料倉(cāng)采用漏斗形結(jié)構(gòu)，主要用來存儲(chǔ)待稱量包裝的物料。在儲(chǔ)料倉(cāng)側(cè)面裝有 2 個(gè)物料檢測(cè)傳感器，主要作用是對(duì)料倉(cāng)中的物料量進(jìn)行檢測(cè)，從而保證料倉(cāng)中有足夠的物料。當(dāng)?shù)臀晃锪蟼鞲衅鳈z測(cè)到物料不足時(shí)，將信號(hào)傳送到下位機(jī)中，下位機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令進(jìn)行加料，當(dāng)高位物料傳感器檢測(cè)到物料時(shí)，則將信號(hào)傳送到下位機(jī)，下位機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令停止加料。輸料槽主要用來對(duì)料倉(cāng)下落的物料進(jìn)行傳輸，輸料槽通過電磁鐵振動(dòng)帶動(dòng)物料抖動(dòng)從而均勻的落入稱量斗中。在稱量斗后端連接一個(gè)高精度壓力傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到落入稱量斗中的物料質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，便將信號(hào)迅速傳送到控制器中，電磁鐵停止振動(dòng)，卸料電機(jī)開始動(dòng)作將物料擋板打開物料送入包裝袋中，從而完成稱量包裝。
1.2 定量包裝控制原理
在現(xiàn)有定量包裝機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，總體來說，加料方式仍采用二級(jí)加料的方式。所謂二級(jí)加料是指初始階段加料速度比較快，當(dāng)加料量達(dá)到設(shè)定值的90%左右時(shí)，降低加料速度，以提高系統(tǒng)稱量精度。初始階段，定量稱量誤差比較大，此時(shí)應(yīng)首先考慮加料速度，所以采用恒速控制以實(shí)現(xiàn)快速加料；當(dāng)加料量達(dá)到某一特定值或稱量誤差小于設(shè)定值時(shí)，控制方式調(diào)整為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以確保定量稱量的精度 [11—15] 。定量稱量自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 2。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)定量稱量包裝工藝流程，文中采用了“HMI+DSP”的控制模式，控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)見圖 3。定量稱量控制系統(tǒng)硬件主要由人機(jī)觸摸屏、DSP 信號(hào)處理模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及數(shù)字量輸入輸出模塊等組成。
觸摸屏是開發(fā)或操作人員與控制系統(tǒng)聯(lián)系的主要平臺(tái)。通過觸摸屏可以設(shè)定或修改一些參數(shù)，如稱量質(zhì)量、下料速度、放料速度等。另外，稱量包裝過程中的實(shí)時(shí)參數(shù)也可以由人機(jī)界面顯示出來，便于相關(guān)人員進(jìn)行包裝過程監(jiān)控、參數(shù)整定等。該控制系統(tǒng)選用 Eview MT4300C 系列觸摸屏，支持多串口同時(shí)通訊、64 K 色顯示方式以及 C 語言宏代碼，RISC 處理速度可以達(dá)到 200 MHz，具有靈活、易用等特點(diǎn)。
考慮到該稱量包裝控制需求，設(shè)計(jì)了一種基于DSP 的主控制器。DSP 芯片選用 Motorola DSP56F807，其內(nèi)核為 32 位可編程數(shù)字信號(hào)處理器；外圍功能模
塊主要包括：異步串行通信模塊 SCI，用于觸摸屏通信；通用 I/O 模塊 GPIO，用于接收按鈕及檢測(cè)傳感器觸發(fā)信號(hào)；Counter 模塊，用于伺服電機(jī)控制；模
數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC，采集稱量傳感器信號(hào)；CAN 總線模塊，用于控制電磁閥、信號(hào)燈等；相位檢測(cè)器，用于檢測(cè)編碼器信號(hào)；JTAG 接口等。該控制器利用 PC
機(jī)編寫應(yīng)用程序，通過 JTAG 接口下載與調(diào)試。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)物料流量的控制，通過采集稱量傳感器的模擬量信號(hào)，反饋到控制器中實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，進(jìn)而控制物料流量。主程序流程見圖 4，其控制過程為啟動(dòng)定量稱量系統(tǒng)使其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)滿足稱量啟動(dòng)條件時(shí)（稱量斗內(nèi)有無物料、卸料門是否關(guān)閉），開始稱量。下限位傳感器檢測(cè)是否有物料，若無物料則儲(chǔ)料倉(cāng)開始加料，當(dāng)儲(chǔ)料倉(cāng)中物料被上限位傳感器檢測(cè)到時(shí)，物料倉(cāng)則停止加料。出料倉(cāng)中的物料隨著振動(dòng)電磁鐵的振動(dòng)沿著輸料槽被輸送到稱量斗中，壓力傳感器檢測(cè)到物料質(zhì)量達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，則振動(dòng)電磁特停止振動(dòng)，在延時(shí) 1.5 s 后放料電機(jī)運(yùn)動(dòng)將稱量斗下方的放料擋板打開，使物料沿著料斗進(jìn)入到包裝袋中，此時(shí)完成 1 個(gè)周期的包裝稱量，當(dāng)傳感器檢測(cè)到下一個(gè)包裝袋到位時(shí)，再重復(fù)上述動(dòng)作繼續(xù)稱量。
基于人機(jī)界面，操作或開發(fā)人員可與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息等的交流與處理。另外，人機(jī)界面還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，那么引發(fā)故障的原因會(huì)顯示在人機(jī)界面上，對(duì)系統(tǒng)故障解決具有很大幫助。運(yùn)行界面見圖 5。進(jìn)入主界面后，會(huì)出現(xiàn)監(jiān)控界面、報(bào)警界面、系統(tǒng)界面。其中監(jiān)控界面可用于運(yùn)行方式選擇，即系統(tǒng)報(bào)警復(fù)位、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)自動(dòng)控制、停止手動(dòng)控制、啟動(dòng)手動(dòng)控制等；自動(dòng)操作；手動(dòng)操作，即包裝急停、手動(dòng)松袋、漲袋啟動(dòng)、手動(dòng)快加、手動(dòng)慢加；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，即伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、I/O 點(diǎn)狀態(tài)、包裝物料質(zhì)量、不合格包數(shù)、合格包數(shù)、包裝完成包數(shù)等。報(bào)警界面可用于系統(tǒng)急停報(bào)警、*報(bào)警、電機(jī)故障、超差故障燈。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
為了驗(yàn)證所述控制方法的可行性和有效性，搭建控制系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。包裝質(zhì)量設(shè)定值為每袋25 kg，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于 DPS 定量稱量控制下，稱量裝置的稱量值為(25±0.0063) kg，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.0063kg，大相對(duì)誤差為 0.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所述基于 DSP 的定量稱量包裝控制系統(tǒng)，相對(duì)誤差較小，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)語
設(shè)計(jì)了以 Motorola DSP56F807 為控制核心、以觸摸屏 Eview MT4300C 為操作屏的定量稱量包裝控制系統(tǒng)。介紹了定量稱量包裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及工作原理，并詳細(xì)論述了基于 DSP 和觸屏的硬件結(jié)構(gòu)。在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了與之配套的定量稱量包裝的控制系統(tǒng)軟件。該控制系統(tǒng)提高了定量稱量包裝機(jī)的精度、可靠性和可操作性。
