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)展而來的一種動態(tài)定量稱量系統(tǒng)，是集機械、電氣、自動化、計算機等技術(shù)于一體的自動智能計量稱量設(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稱量、生產(chǎn)效率高、解放勞動力等優(yōu)點，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，對企業(yè)經(jīng)濟效益具有直接影響，該系統(tǒng)如果能夠穩(wěn)定的運行，可以使企業(yè)獲得經(jīng)濟效益。為了提高定量稱量包裝機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
1.1 結(jié)構(gòu)介紹
定量稱量包裝機的基本結(jié)構(gòu)見圖 1。所述定量包裝機主要包括自動控制系統(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] 。
儲存料倉采用漏斗形結(jié)構(gòu)，主要用來存儲待稱量包裝的物料。在儲料倉側(cè)面裝有 2 個物料檢測傳感器，主要作用是對料倉中的物料量進行檢測，從而保證料倉中有足夠的物料。當?shù)臀晃锪蟼鞲衅鳈z測到物料不足時，將信號傳送到下位機中，下位機對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送命令進行加料，當高位物料傳感器檢測到物料時，則將信號傳送到下位機，下位機對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送命令停止加料。輸料槽主要用來對料倉下落的物料進行傳輸，輸料槽通過電磁鐵振動帶動物料抖動從而均勻的落入稱量斗中。在稱量斗后端連接一個高精度壓力傳感器，當傳感器檢測到落入稱量斗中的物料質(zhì)量達到設(shè)定值時，便將信號迅速傳送到控制器中，電磁鐵停止振動，卸料電機開始動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)有定量包裝機的基礎(chǔ)上進行適當改進，總體來說，加料方式仍采用二級加料的方式。所謂二級加料是指初始階段加料速度比較快，當加料量達到設(shè)定值的90%左右時，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，此時應(yīng)首先考慮加料速度，所以采用恒速控制以實現(xiàn)快速加料；當加料量達到某一特定值或稱量誤差小于設(shè)定值時，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] 。定量稱量自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 2。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
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)硬件主要由人機觸摸屏、DSP 信號處理模塊、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。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時參數(shù)也可以由人機界面顯示出來，便于相關(guān)人員進行包裝過程監(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 處理速度可以達到 200 MHz，具有靈活、易用等特點。
考慮到該稱量包裝控制需求，設(shè)計了一種基于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傳感器觸發(fā)信號；Counter 模塊，用于伺服電機控制；模
數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC，采集稱量傳感器信號；CAN 總線模塊，用于控制電磁閥、信號燈等；相位檢測器，用于檢測編碼器信號；JTAG 接口等。該控制器利用 PC
機編寫應(yīng)用程序，通過 JTAG 接口下載與調(diào)試。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計
該控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)物料流量的控制，通過采集稱量傳感器的模擬量信號，反饋到控制器中實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的動作，進而控制物料流量。主程序流程見圖 4，其控制過程為啟動定量稱量系統(tǒng)使其進入運行狀態(tài)，當滿足稱量啟動條件時（稱量斗內(nèi)有無物料、卸料門是否關(guān)閉），開始稱量。下限位傳感器檢測是否有物料，若無物料則儲料倉開始加料，當儲料倉中物料被上限位傳感器檢測到時，物料倉則停止加料。出料倉中的物料隨著振動電磁鐵的振動沿著輸料槽被輸送到稱量斗中，壓力傳感器檢測到物料質(zhì)量達到目標值時，則振動電磁特停止振動，在延時 1.5 s 后放料電機運動將稱量斗下方的放料擋板打開，使物料沿著料斗進入到包裝袋中，此時完成 1 個周期的包裝稱量，當傳感器檢測到下一個包裝袋到位時，再重復(fù)上述動作繼續(xù)稱量。
基于人機界面，操作或開發(fā)人員可與主控制器進行數(shù)據(jù)、信息等的交流與處理。另外，人機界面還可以實時監(jiān)控、顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如果運行過程中出現(xiàn)故障，那么引發(fā)故障的原因會顯示在人機界面上，對系統(tǒng)故障解決具有很大幫助。運行界面見圖 5。進入主界面后，會出現(xiàn)監(jiān)控界面、報警界面、系統(tǒng)界面。其中監(jiān)控界面可用于運行方式選擇，即系統(tǒng)報警復(fù)位、運行參數(shù)設(shè)置、啟動自動控制、停止手動控制、啟動手動控制等；自動操作；手動操作，即包裝急停、手動松袋、漲袋啟動、手動快加、手動慢加；實時數(shù)據(jù)顯示，即伺服電機的轉(zhuǎn)速、I/O 點狀態(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。報警界面可用于系統(tǒng)急停報警、*報警、電機故障、超差故障燈。
4 實驗數(shù)據(jù)分析
為了驗證所述控制方法的可行性和有效性，搭建控制系統(tǒng)并進行相關(guān)測試。包裝質(zhì)量設(shè)定值為每袋25 kg，由實驗結(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，標準差為 0.0063kg，大相對誤差為 0.6%。實驗結(jié)果表明，采用所述基于 DSP 的定量稱量包裝控制系統(tǒng)，相對誤差較小，可以滿足設(shè)計要求。
5 結(jié)語
設(shè)計了以 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的機械結(jié)構(gòu)以及工作原理，并詳細論述了基于 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的精度、可靠性和可操作性。
