電子定量包裝系統是在電子稱量技術的基礎之上發展而來的一種動態定量稱量系統，是集機械、電氣、自動化、計算機等技術于一體的自動智能計量稱量設備 [1—3] 。電子定量包裝設備根據具體的控制程序，自動將大份的物料分成預定的小份物料。該設備因其具有智能自動稱量、生產效率高、解放勞動力等優點，在糧食加工、食品包裝、水泥包裝、醫藥包裝等領域被廣泛應用 [4—6] 。電子定量包裝系統是否穩定，對企業經濟效益具有直接影響，該系統如果能夠穩定的運行，可以使企業獲得經濟效益。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，詳細介紹了該系統硬件結構，在硬件結構的基礎上，開發了與之配套的定量稱量包裝的控制系統軟件。
1 定量稱量包裝機
1.1 結構介紹
定量稱量包裝機的基本結構見圖 1。所述定量包裝機主要包括自動控制系統、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構，主要用來存儲待稱量包裝的物料。在儲料倉側面裝有 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。當低位物料傳感器檢測到物料不足時，將信號傳送到下位機中，下位機對執行機構發送命令進行加料，當高位物料傳感器檢測到物料時，則將信號傳送到下位機，下位機對執行機構發送命令停止加料。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量達到設定值時，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
在現有定量包裝機的基礎上進行適當改進，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，當加料量達到設定值的90%左右時，降低加料速度，以提高系統稱量精度。初始階段，定量稱量誤差比較大，此時應首先考慮加料速度，所以采用恒速控制以實現快速加料；當加料量達到某一特定值或稱量誤差小于設定值時，控制方式調整為神經網絡控制，以確保定量稱量的精度 [11—15] 。定量稱量自動控制系統結構見圖 2。
2 硬件系統設計
根據定量稱量包裝工藝流程，文中采用了“HMI+DSP”的控制模式，控制系統硬件整體結構見圖 3。定量稱量控制系統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字量輸入輸出模塊等組成。
觸摸屏是開發或操作人員與控制系統聯系的主要平臺。通過觸摸屏可以設定或修改一些參數，如稱量質量、下料速度、放料速度等。另外，稱量包裝過程中的實時參數也可以由人機界面顯示出來，便于相關人員進行包裝過程監控、參數整定等。該控制系統選用 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，設計了一種基于DSP 的主控制器。DSP 芯片選用 Motorola DSP56F807，其內核為 32 位可編程數字信號處理器；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信號；Counter 模塊，用于伺服電機控制；模
數轉換器 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
機編寫應用程序，通過 JTAG 接口下載與調試。
3 軟件系統設計
該控制系統主要實現物料流量的控制，通過采集稱量傳感器的模擬量信號，反饋到控制器中實現執行機構的動作，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使其進入運行狀態，當滿足稱量啟動條件時（稱量斗內有無物料、卸料門是否關閉），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，再重復上述動作繼續稱量。
基于人機界面，操作或開發人員可與主控制器進行數據、信息等的交流與處理。另外，人機界面還可以實時監控、顯示系統的運行狀態。如果運行過程中出現故障，那么引發故障的原因會顯示在人機界面上，對系統故障解決具有很大幫助。運行界面見圖 5。進入主界面后，會出現監控界面、報警界面、系統界面。其中監控界面可用于運行方式選擇，即系統報警復位、運行參數設置、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；實時數據顯示，即伺服電機的轉速、I/O 點狀態、包裝物料質量、不合格包數、合格包數、包裝完成包數等。報警界面可用于系統急停報警、*報警、電機故障、超差故障燈。
4 實驗數據分析
為了驗證所述控制方法的可行性和有效性，搭建控制系統并進行相關測試。包裝質量設定值為每袋25 kg，由實驗結果可知，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%。實驗結果表明，采用所述基于 DSP 的定量稱量包裝控制系統，相對誤差較小，可以滿足設計要求。
5 結語
設計了以 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。介紹了定量稱量包裝機的機械結構以及工作原理，并詳細論述了基于 DSP 和觸屏的硬件結構。在硬件結構的基礎上，開發了與之配套的定量稱量包裝的控制系統軟件。該控制系統提高了定量稱量包裝機的精度、可靠性和可操作性。
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