第３期 ２０１１年３月 文章编号：１００１—３９９７（２０１ １）０３—００２５—０３ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 电子定量包装秤系统设计 缪刚韩震宇温显超 （四川大学制造科学及工程学院，成都６１００６５） Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ＭＩＡＯ Ｇａｎｇ，ＨＡＮ Ｚｈｅｎ－ｙｕ，ＷＥＮ Ｘｉａｎ－ｃｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６ １ ００６５，Ｃｈｉｎａ） ，…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・…’・…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・… ・…‘・…。・…‘・…。・… ・…‘・…’・…’・… ・…’・…‘・…‘・… ・…‘・…。・…‘・…’・… ・… ・…‘・…‘・…‘・…‘・…‘・…’・…‘， ； 【摘要】通过理论分析并结合试验的方式，阐述了定量包装秤系统设计中要解决精度和效率问题； 所涉及的关键技术。首先对系统进行数学建模分析，结合农用化肥生产和包装要求，给出了一种基于？ ：ＡＶＲ单片机和三级流速控制的农用化肥电子定量包装秤系统的设计方案。然后通过大量实验，具体分ｉ ÷析了影响系统精度和效率的一些因素。试验结果表明该设计可以基本满足化肥生产的实际要求。最后结÷ 合试验数据给出一些改进措施。 ？ ； ： 关键词：动态称重；精度；效率；ＡＴｍｅｇａｌ２８ ： 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ：ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐａｃｋｉｎｇ ｓｃａｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ ｃｏｍｅ ｏｖｅｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｉ ÷ｓｙｓｔｅｍ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｎａａｌｙｓｉｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｌａ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｒｅ－； ；ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｇｉｖｅｓ ａ ｌｆｏｗ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＶＲ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ａｇｒｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ？ ：ｑｕａｎｔｉｔｔａｉｖｅ ｐａｃｋｉｎｇ ｓｃｌａｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｎ．ｇＡ ｎｄ ｔｈｅｎ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ： ÷ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｆ ｏｓｙｓｔｅｍ ｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅａｉｃｉｆｅｎｃｙ ｆ ｏｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ÷ ；ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｎｇ ｃａｎ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｌａ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａ ｔ ｌｓａｔ，ｇｉｖｉｎｇ ｓｏｍｅ； ！ ；ｉｍｐｒｏｙｅｍｅｎｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｄａｔａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｙｎａｍｉｃ ｗｅｉｇｈｉｎｇ；Ａｃｃｕｒａｃｙ；Ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＡＴｍｅｇａ１２８ ｆ； ‘…．・…－・…・・…．・…・・…－・…－・…・・…－・…．・…．・…．・…．・…・・…．・…－・…．・…・・…－・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…・・…．・…－・…．・…－・…．・…．・…．・…．・…．● 中图分类号：ＴＨ１６，ＴＰ３６８．１文献标识码：Ａ １引言 差距。虽然在过去的一二十年内我国的定量称重包装设备的自动 但是由于国内的技术储备不够，而在最 在工业生产过程中有很多的环节都涉及到定量称重问题， 化程度有了大幅的提高， 比如食品的包装过程，医药化工的配料过程，饲料的配料包装过 近的一二十年内，国外在动态称重技术上不断应用了先进技术，ＡＮＮ）技术，非线性回归（ＮＬＲ）理论，以及基于 程等等。传统的模式都是采用先进行静态的机械称重，然后再进 如人工神经网络（Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ），模糊逻辑估计 行人工包装或者配料。这样往往会导致效率极低，工人的劳动强 线性高斯法（ＬＯＧ），卡尔曼滤波（ｙ ｌｏｇｉｃ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ）的新数字滤波器的设 等。然而国内也在 度极大，而且精度不高。电子秤的出现改善了静态机械称重的精 （Ｆｕｚｚ度，但是在快速生产过程中，动态称重精度却是一个问题。于是如 吸收和消化引进技术的基础上自主开发了一批定量称重系统，比 何解决高速称重过程中的动态精度问题成为了当前研究的热点。 如由某公司所研究开发的应用于煤粉定量控制系统中的ＳＫ— 其稳定性比较可靠，功能也比较完善，价格比较实惠１２１。但是 就目前来看，国内在动态称重的技术上比国外还有不小的 ＰＬＣ，★来稿日期：２０１０—０５—２０ 一阶、二阶频率值较远，能够避免与整车产生共振现象。 参考文献 １李瑞虎，王凯，谢国灿．基于ＡＮＳＹＳ的平面凸轮有限元模态分析［ＪＪ．机械 传动，２００６，３０（６）：６１～６２ ３袁安富，陈俊．ＡＮＳＹＳ在模态分析中的应用［Ｊｊ．制造技术与机床，２００７ （８）：７９～８２ ５结语 图，为其动力学分析提供了重要的模态参数。通过对动臂约束状 态性能较差，连接斗杆液压缸和动臂液压缸的关键部位易发生破 陆秋海．试验模态分析及其应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１ 通过分析，得到了挖掘机动臂的前１５阶固有频率和振型 ２李德葆，态模态的分析，发现了挖掘机动臂在工作频率为８３Ｈｚ附近时动 ４周定陆．车身有限元模态分析与试验模态分析比较［ｃ］，２００２中国用户论 文集 Ｅ京：ＭＳＣ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ中国，２００２ ５陈进，吴俊，李维波．大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测 坏，应在结构上做出改进以避免破坏的发生。挖掘机动臂的频率 试［Ｊ１．中国工程机械学报，２００７，５（２）：１９８～２０３ 刘树道．液压挖掘机结构动态特性分析［Ｊ］．机床与液压，２００５ 应该低于发动机经常工作的频率，并且高于来自挖掘作业的激振 ６杨先平，频率，以避免发生共振现象。挖掘机动臂的振型应该尽量光滑连 续，避免发生突变现象。 （１１）：８７～８８ ７刘本学，冯忠绪，张志峰．单斗液压挖掘机工作装置的动力学响应［Ｊ］．长 安大学学报（自然科学版），２００７，２７（１）：８４～８７ ２６ 缪刚等：电子定量包装秤系统设计 第３期 总的来说，由于国内在技术储备、研发水平、制造水平与国外的差 于保证，反之下料流量小时，称重的计量精度可获得提高，但称重效 并兼顾称重速度，我们在给料 距，导致了现今国内的定量称重设备的技术含量、功能，特别是在 率很低。为满足系统称重的计量精度，称重精度和速度这对矛盾的解决上并不是很成功，此外包装设备 的速率上采用多级流量控制方式。实验结果表明，采用三级给料控 与生产线上的其它控制设备的数据通信等方面与国外的产品还 制方式已经可以较好的解决速度和精度这对矛盾。昕设计的电子定 是有很大的差距。 量包装秤动态称重系统的整体结构原理，如图１所示。 在参考当前国内外动态称重研究成果的基础上，结合农用 化肥生产对定量称重包装设备的具体要求，设计了一种适用于农 用化肥生产过程的电子定量包装动态称重系统。 ２整体设计 ２．１系统技术指标 根据国家对农用化肥包装重量精度的要求并结合农用化肥 企业的生产实际需求，提出以下的系统设计技术指标：（１）称重计 量精度：＜（±０．５）％；（２）称重范围：（２０～５０）Ｋｇ；（３）称重包装速度： ２０￣＿＿Ｊｍｉｎ。 ２＿２电子定量包装秤动态称重系统的数学模型 根据力学原理所建立的定量包装秤数学模型如下目： ２ １ＩＭ（ｔ）＋ｍ］． 车＋ｃ． 一＋ｃ ： （ｍ 一 ｔ）＋ ｔ） （１） 式中： （ ）一物料质量；珊料仓等的质量；ｃ一系统等效阻尼 系数；ｃ。一系统等效刚度；Ｆ（ ）一物料下落的冲击力； —称 体相对参考零点的位移； 一重力加速度。 从上式可以看出对系统精度和速度有影响的关键参数是 ｍ，ｃ，ｃ ，Ｆ（ｔ），从而可知影响系统性能的关键因素有：由喂料系统 带来的冲击力大小的影响，传感器数量与布置方式对系统等效刚 度的影响，系统各组件连接方式对系统等效阻尼系数的影响。引等。 其中下落物料的冲击力对称重的精度影响较大，该物理量不仅与 物料的流速有关，还与储料仓的储料数量、称料仓的留空体积等 众多因素相关，是一个典型的时变参量，因此上述数学模型所表 达的系统是一个时变系统，这就导致了传统的控制理论难于对它 进行控制，目前也没有成熟而且实用的新处理方法。所以我们只 能尝试在大量实验的基础上通过对实验数据的分析，寻找系统中 存在的规律，从而达到准确定量称重控制的目的。 ２．３电子定量包装秤动态称重系统机械结构设计 电子定量包装秤动态称重系统主要由进料系统、定量称重 系统、包装系统所组成。由于单纯的包装机械国内和国外的差别 不大，研究的重点都放在了进料部分和定量称重部分。 进料系统从结构形式上又可划分为绞龙输送供料、皮带输送 供料、直流式供料 、柱塞供料、螺旋供料、振动供料 等，各种方式 都是『尤缺并存。其中直流式喂料的机构简单，速度陕，但是会使得称 重的精度与料位高度及物料流动的均匀性与平衡Ｉ生有密切的关系。 由于农用化肥包装属较重物料的包装，为了兼顾效率和精度，我们 的进料系统采用了直流式供料方式，同时为达到生产线快速称重的 实际需要，在称重结构上采用双秤结构（分Ａ，Ｂ秤）。整个电子定量 包装秤动态称重系统先是通过皮带传输供料装置送料到直流式供 料装置的储料斗，然后由直流式供料装置供料。 动态称重过程中物料流量大小直接决定物料对称重系统的冲 击力大小，物料下料流量大时，称重速度快，但称重的计量精度将难 （工二：：亟曼二二二二： ） 图１电子定量包装秤动态称重系统的整体结构原理图 ２．４电子定量包装秤动态称重系统控制部分设计 电子定量包装秤动态称重系统中的控制部分是协调整个系 统有序工作的大脑。控制器ＣＰＵ采集来自称重传感器的信号，接 收人工键盘或异地远程指令，监视整个系统的状态，产生气动阀 门的控制信号，在显示器上输出系统的状态信息。如图２所示，给 出了动态称重系统控制器的实现原理图。 ｌｌ开关量输入Ｉ及键盘接口Ｉ 匝 鹱要鋈蓬卜——’＿＿ｌ＿显示接口部分Ｉ———一 ÷伍Ｖ ｌ ｌ远程控制接口ｌＶ ＾ －— ＿霾蓄Ｉ 一 ＩＤＭＦ５０１７４ ｌ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿Ｊ １ ｌ ．．．．．．．．．．．．．ＲＳ４８５ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿Ｊ ｌ 图２动态称重系统控制器的实现原理图 在控制器的设计中，应关注的主要问题有以下几个方面：（１） 输入输出信号间的时序关系，这主要由控制器软件来体现；（２）在恶 劣的工业现场环境下工作的可靠性问题。在化肥厂空气中存有大量 的腐蚀性气体，对控制器电路板需要进行密封与散热；（３）硬件电路 参数对动态称重计量精度的影响。控制器中传感器及其后的放大调 理电路、Ａ／Ｄ的参数、ＣＰＵ的陛能对系统精度影响较大。控制器设计 中我们首先选定的是商Ｉ生能的ＡＴｍｅｇａ１２８单片机，其带有丰富的 接口以及内部资源，工作于１６ＭＨｚ时陛能高达１６ＭＩＰＳ，特别的 是ＡＴｍｅｇａ１２８带有｝生价比很高的Ａ／Ｄ转换器，它具有１０位精度， 转换时间为（１３～２６０）ｔｚｓ，０－５ ＬＳＢ的非线性度，（士２）ＬＳＢ的绝对精 度，最高分辨率时采样率高达１５ ｋＳＰＳ目。对于ｌＯ位的Ａ／Ｄ，在最大 量程为５０Ｋｇ的情况下，其最小分度值为４８．８ｇ，远小于系统的精度 要求，可见是满足系统设计要求。 另外Ａ／Ｄ转换速度是否能满足连续的高速转换，这里我们 在参考ＡＴｍｅｇａ１２８手册下知道：在最高精度的要求下，ＡＤＣ的工 作频率可以最高达２００ｋＨｚ，而正常单端连续转换的一次时间是 １４．５个ＡＤＣ周期，那么可以计算出来一次的转换时间是：１４．５／２００ ｋＨｚ＝７５ｔｘｓ，可见转换速度是够的。对ＡＤ的采样速率来说，通过 Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１ｌ 机械设计与制造 ２７ 试验可以知道物料动态称重中信号的频谱成份主要集中在小于 厂的管理，在程序中增加了与上位机的通信接口，可通过上位机 ｌＯＨｚ的低频范围，而ＡＴｍｅｇａ１２８的ＡＤＣ最高分辨率时采样率 实时对称重设备进行参数的查询、控制管理等工作。系统采用 高达１５ Ｋｓｐｓ，可见也是完全满足要求的。 ＤＭＦ５０１７４液晶显示屏，一次可显示的信息量丰富。在软件部分 传感器我们选择梅特勒一托利多的单点弯曲梁式传感器ＩＬ一 的一项重要工作就是通过大量的显示内容来增强人机间的交互， ２５０，最大量程重量是２５０Ｋｇ，在１２Ｖ激励电源下输出范围是： 使得对设备的使用和管理更加的便捷。 （０．２～２７）ｍＶ。使用中，为降低传感器自身非线性的影响，采用精 ４系统测试 由于定量包装秤动态称重系统是一个时变非线性系统，只能 通过大量的实验来寻求一些控制规律。所以系统的调试对定量包装 密砝码进行标定，并将标定值存于控制器中。定量包装秤的工作 范围为（２０～５０）Ｋｇ，那么最好的情况是满量程的情况下进入ＡＤＣ 的电压值可以逼近参考电压但是小于参考电压，而在零点时候的 电压最好就是传感器在无料状态下的输出电压。通过测试得到传 感器在５Ｏ 下的输出电压为１４ｍＹ左右为此必须对传感器输 出的信号进行放大，为了使系统可以达到我们的设计目标，这里 我们的放大倍数选择为３５０倍。 ３软件设计 软件设计部分的主要工作是对信号噪声滤除的数字滤波设 与实现，对双秤结构下的三级流速控制流程的设计与实现。工业 控制中对信号噪声进行简单滤除的主要方法有：算术平均值滤 波，加权平均值滤波，滑动平均值滤波，中值滤波，程序判断滤波 （包括限幅和限速滤波），复合数字滤波等等。每种滤波方法特色 各异，在动态称重的系统中，经试验反复对比，中值滤波和滑动平 均值对本系统现场信号噪声的滤波作用比较明显，在最终系统的 实现中，我们采用了Ｎ＝８的中值滤波器设计。以下给出当双秤同 时独立工作时的软件流程图，如图３所示。 图３软件流程图 在三级流速控制部分，主要完成的是对大投喂料开关，中投 喂料开关，小投喂料开关的控制。控制的实现是通过对Ａ／Ｄ采集 的数据进行处理后与系统中预先设定的各临界值进行比较，只要 当前值大于等于所设定值就关闭相应的喂料开关。 对于双秤结构，可以设定多种工作模式（Ａ、Ｂ秤同时独立工 作；Ａ、Ｂ联动工作；Ａ、Ｂ秤只选择其一工作）。卸料控制应针对不 同的工作模式进行相应的处理。以双秤同时独立工作模式为例， 在这种工作模式下，双秤卸料必须满足不能互相干扰的问题。也 就是说当Ａ秤在卸料则Ｂ秤不能卸料，而且都必须是在定值以 后当夹带开关打开，表示物料带已经准备好的时候才可以卸料。 在程序中我们采用的是Ａ秤优先的模式。另外卸料的时间控制 比较重要，过长虽然可以使物料一次卸料干净但是影响效率，过 短则会使得计量斗内的物料卸料不完全导致误差的引入。 在工厂生产的实际过程中，存在多种不同的包装规格。为减 少由于需要重复对不同包装规格进行标定而带来的很多问题，系 统采用对不同包装规格预先保存不同标定配方数据的方法来应 对。为便于调试，系统还添加了全手动的工作控制模式。为便于工 秤动态称重系统来说是很重要的一环。在调试中我们主要是通过调 整系统的不同参数（例如各延时参数和三级流速控制的各临界值） 来使系统可以精确快速运行。在实际生产中有很多的因素影响着系 统的精度，比如储料斗中的料位，化肥颗粒的状态（有些化肥容易结 块）等。如表１、表２所示，现场调试与运行中的一些实际数据。 表１传感器对标准砝码的输出数据 表２系统运行数据（包装规格是５０Ｋｇ） 娶态大投 中投小投大投中投小投 璇Ａ／Ｄ临，黪￣２数 ５结束语 通过现场的运行睛况来看，本系统基本可以满足设计要求。但 是在控制精度方面依然有可改善的空间，比如可以通过采用高性能 的ＡＤ，使用放大倍数更高、性能更好的放大器，使用工作频率更高 的处理器如ＤＳＰ，改进算法等等。如果可以改进进料系统使得进料 速度可以严格的控制，那么对动态称重系统的控制部分的要求将会 大大降低，就可以采用一些传统而十分有效的控制方式。 参考文献 １罗家佳．电子定量包装秤动态称重系统及数据处理方法的研究［Ｄ］．厦门 大学学报，２００７（４） ２王尧可编程称重控制器的设计与实现［Ｄ］．大连理工大学学报，２００７（１２） ３张国全，方忠华，董结，孔晨曲小颗粒状物料吨袋充填机动态称重系统 数学模型的研究［Ｊ１．包装与食品机械，２００７，２５（１） ４任国勋，成琳，王金国．提高包装秤的称重精度和速度的探讨［Ｊ］．粮食与 饲料工业，１９９７（２） ５吴向峰动态粒状物料定量称重技术研究［Ｄ］．中国计量科学研究院测试 计量技术及仪器，２００６（５） ６马潮．Ａｔｍｅｇａ１２８原理与开发应用指南［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出 版社，２００４
