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０ 引言
近年來，稱重檢測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，它作為一種實時測量物料重量并根據(jù)重量自動發(fā)出控制信號的檢測系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品包裝、配料等生產(chǎn)過程控制中［１］。
在香煙高速包裝生產(chǎn)線上，條盒缺包檢測是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，目前大多使用電容式或電感式接近開關(guān)檢測裝置，或者利用負(fù)壓式對條盒缺包進(jìn)行檢測，但接近開關(guān)都是通過檢測介質(zhì)的變化來觸發(fā)內(nèi)部電路，條盒包裝材料的經(jīng)常變化致使缺包檢測不能正常工作；利用負(fù)壓式對條盒缺包進(jìn)行檢測，在不缺包的情況下，條煙是很規(guī)則的長方體，缺包后長方體上或下面會有缺失，氣壓損失會很大，此方法系統(tǒng)復(fù)雜準(zhǔn)確性差［２］。本系統(tǒng)采用稱重原理對條盒進(jìn)行缺包檢測，不依賴香煙的條盒包裝材料變化，準(zhǔn)確度高，成本適中。
１ 系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)主要由稱重平臺、稱重控制組件和人機(jī)操作界面三部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖１所示。稱重平臺主要由稱重臺、稱重傳感器、信號電纜等組成。稱重控制組件由傳感信號處理電路、激勵信號產(chǎn)生及反饋電路、單片機(jī)及其外圍電路組成。人機(jī)操作界面由工控板和彩色觸摸顯示器組成。
稱重檢測
當(dāng)條盒通過傳送裝置傳送到稱重臺上，稱重臺下面的重量傳感器產(chǎn)生的傳感電壓信號送入稱重控制組件的傳感信號處理電路，傳感信號處理后送入單片機(jī)，單片機(jī)完成對傳感信號的實時處理并計算出煙條重量值，通過ＣＡＮ總線通信電路發(fā)送給人機(jī)操作界面的工控板，工控板即對接收的信號進(jìn)行比較處理，判斷條盒中是否存在缺包等缺陷，把判斷結(jié)果再發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)剔除信號，在剔除口把相應(yīng)缺陷條盒剔除同時人機(jī)操作界面形成各種與重量相關(guān)的信息。整個工作過程中，每一個條煙通過稱重臺時，系統(tǒng)都會按順序精確執(zhí)行以下步驟。
（１）稱重：稱重是在編碼器旋轉(zhuǎn)至稱重相位時進(jìn)行的。稱重傳感器在該相位對煙條進(jìn)行稱重，并將煙條重量值傳輸給控制組件。
（２）計算：當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)至計算相位時，人機(jī)操作界面軟件分析處理稱重控制組件傳來的煙條重量值，以確認(rèn)是否有缺陷而需要進(jìn)行剔除。
（３）剔除信號輸出：在剔除信號輸出相位，控制組件接收相應(yīng)剔除信號，激活單片機(jī)及其外圍電路中ＯＵＴ１輸出。
（４）診斷信號輸出：在診斷信號輸出相位，控制組件判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，若存在故障，則激活單片機(jī)及其外圍電路中ＯＵＴ２輸出。
２ 系統(tǒng)硬件設(shè)計
２．１稱重平臺
稱重平臺中使用的稱重傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器。稱重傳感器是由彈性體、電阻應(yīng)變片和惠斯登電橋３個主要部分組成的。其工作原理為：（１）被測負(fù)荷作用在彈性體上，使彈性體產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形；（２）通過粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片，使彈性體的彈性變形轉(zhuǎn)換為電阻應(yīng)變片的阻值變化（增大或者減小）；（３）再通過惠斯登測量電路將電阻應(yīng)變片電阻的變化，轉(zhuǎn)換為電信號輸出［３］。惠斯登測量電路可以抑制溫度變化的影響，補償方便，受外界影響小，精度高，工作穩(wěn)定，使用最為廣泛。稱重臺使用６０×３０×２ｃｍ的玻璃樹脂平臺，信號電纜為六線制屏蔽線纜。
２．２ 稱重控制組件
稱重控制組件硬件部分包括傳感信號處理電路、激勵信號產(chǎn)生及反饋電路、單片機(jī)及其外圍電路等。
２．２．１ 傳感信號處理電路
稱重傳感器輸出的信號很微弱，傳感信號處理電路是稱重控制組件設(shè)計的關(guān)鍵電路，如果傳感信號處理電路設(shè)計不理想，單片機(jī)計算的重量值與實際值就會有偏差。
傳感信號處理電路主要功能是對傳感器送入信號進(jìn)行濾波、放大、整形處理，最終將傳感信號送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。其主要工作原理為：傳感器送入信號經(jīng)過兩級電容濾波后進(jìn)入低失調(diào)電壓運算放大器ＩＮＡ１２９Ｕ進(jìn)行一級信號放大，放大后信號送入運算放大器ＯＰＡ２１３０進(jìn)行二級信號放大，輸出信號經(jīng)過ＴＬＣ２２７２運算放大器和模擬開關(guān)ＤＧ２０１Ｂ組成的整形處理電路后送入單片機(jī)進(jìn)行處理分析。
２．２．２ 激勵信號產(chǎn)生及反饋電路
對于惠斯登電橋測量電路，其輸出電壓穩(wěn)定性與其工作電源（供橋電源）的性能是密切相關(guān)的，要求供橋電源能夠?qū)囟取r間等因素具有良好的穩(wěn)定性能。這就需要設(shè)計專用的供橋電源以保證電橋測量電路工作的穩(wěn)定性和測量精度。
激勵信號產(chǎn)生電路主要功能是給稱重傳感器提供有效值為５Ｖ、頻率４．8ｋＨｚ、相位差１８０°的雙路輸出正弦波激勵信號。主要由運算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２、模擬開關(guān)ＤＧ２０１Ｂ和瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。運算放大器ＯＰＡ２１３０和模擬開關(guān)ＤＧ２０１Ｂ組成的電路產(chǎn)生激勵電壓信號，激勵電壓信號送入雙通道運算放大器ＴＬＥ２０６２，ＴＬＥ2０６２雙路輸出有效值為５Ｖ、頻率４．８ｋＨｚ、相位相差１８０°正弦波，雙路激勵電壓信號送入重量傳感器。瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ用于保護(hù)稱重傳感器不受瞬態(tài)電壓的沖擊而損壞。
激勵信號反饋電路主要功能是實時監(jiān)測激勵信號是否穩(wěn)定，如果激勵信號發(fā)生變化，激勵信號反饋電路將調(diào)整量送入激勵電壓產(chǎn)生電路，實時調(diào)整輸出的激勵信號。它主要由運算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２／ＴＬ０７２、電壓比較器ＬＭ３３９、模擬開關(guān)ＤＧ２０１Ｂ和瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。雙路激勵電壓信號送入運算放大器ＯＰＡ２１３０進(jìn)行信號跟隨，輸出雙路信號送入運算放大器ＴＬ０７２進(jìn)行比例放大、信號跟隨，跟隨信號通過模擬開關(guān)ＤＧ２０１Ｂ中兩個通道相互配合，輸出調(diào)整量送入激勵信號產(chǎn)生電路。
２．２．３ 單片機(jī)及其外圍電路
單片機(jī)及其外圍電路主要負(fù)責(zé)稱重傳感信號的處理計算、執(zhí)行人機(jī)操作界面軟件送來的控制命令，單片機(jī)及其外圍電路原理框圖如圖２所示。
稱重檢測
單片機(jī)及其外圍電路由單片機(jī)ＳＡＫ－Ｃ１６７ＣＲ－ＬＭ、Ｆｌａｓｈ存儲器ＡＭ２９Ｆ８００Ｂ、ＳＲＡＭ存儲器Ｋ６Ｘ８０１６Ｃ３Ｂ、ＥＥＰＲＯＭ存儲器ＡＴ２４Ｃ６４Ｂ，編碼信號采集電路，數(shù)字輸入輸出電路和ＣＡＮ總線通信電路組成。Ｆｌａｓｈ存儲器存儲稱重控制程序，ＳＲＡＭ存儲器存儲程序運行時的中間變量，ＥＥＰＲＯＭ存儲器存儲參數(shù)配置數(shù)據(jù)。
編碼信號采集電路用于單片機(jī)讀取編碼器相位，實現(xiàn)本系統(tǒng)與整個包裝機(jī)控制系統(tǒng)的相位同步。本系統(tǒng)采用電源電壓為２４Ｖｄｃ、輸出為ＮＰＮ類型的增量式編碼器，編碼器的３個輸出信號（Ａ、Ｂ、Ｚ）對應(yīng)的信號采集電路都將采用圖３所示的電路。為了與包裝機(jī)控制系統(tǒng)上其它信號兼容，要求輸入信號≤５Ｖ時輸入電路要識別為低電平。此電路為基于比較器ＬＭ３３９的遲滯比較電路，其輸出端為集電極開路輸出，比較器的負(fù)端設(shè)置的門限電壓為６．５４Ｖ，當(dāng)輸入電壓低于５．９１Ｖ時ＬＭ３３９輸出端為低電平。發(fā)光二極管ＶＤ１用來指示輸入信號狀態(tài)。
稱重檢測
數(shù)字輸入電路主要由光耦ＰＣ３５７、ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩(wěn)壓管、ＬＬ４１４８二極管組成。外部數(shù)字輸入信號經(jīng)過ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩(wěn)壓管、ＬＬ４１４８二極管后送入光耦ＰＣ３５７，光耦ＰＣ３５７將信號轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。數(shù)字輸出電路主要由光耦ＰＣ３５７、非門７4ＨＣ０４、穩(wěn)壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６、ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片組成。單片機(jī)輸出數(shù)字信號經(jīng)過非門７４ＨＣ０４電平翻轉(zhuǎn)、光耦ＰＣ３５７轉(zhuǎn)換信號后經(jīng)過穩(wěn)壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６送入ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片，ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片對輸入信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出。
ＣＡＮ總線通信電路主要負(fù)責(zé)將計算出煙條重量值傳送給人機(jī)操作界面的工控板，以及將讀取機(jī)器編碼器相位信息傳送給工控板，實現(xiàn)與機(jī)器的同步控制和顯示。ＣＡＮ總線通信電路主要由７４ＨＣ０４非門、光耦ＨＣＰＬ０６０１、ＣＡＮ總線收發(fā)器ＰＣＡ８２Ｃ２５１、Ｂ８２７９３扼流圈、ＣＡＮ總線靜電保護(hù)管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ組成。單片機(jī)輸出信號經(jīng)處理通過光耦ＨＣ－ＰＬ０６０１轉(zhuǎn)換后送入ＣＡＮ總線收發(fā)器ＰＣＡ８２Ｃ２５１，ＣＡＮ總線收發(fā)器輸出信號經(jīng)過Ｂ８２７９３扼流圈和ＣＡＮ總線靜電保護(hù)管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ后輸出。人機(jī)操作界面輸出控制信號通過此電路送入單片機(jī)。
２．３ 人機(jī)操作界面
人機(jī)操作界面的硬件主要由兩部分組成，即內(nèi)裝通訊板卡的工控板和彩色觸摸顯示器，兩者之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連接。其中，工控板通過ＰＣＩ插槽裝配有ＣＡＮ通訊板卡。工控板內(nèi)安裝Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ操作系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)下運行人機(jī)操作界面軟件。人機(jī)操作界面軟件在運行控制過程中，需要與稱重控制組件進(jìn)行通信、運算和處理數(shù)據(jù)，并通過圖形或其它的方式在觸摸屏上顯示出來，并且保存運行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)定值。
彩色觸摸顯示器主要用于人機(jī)操作界面軟件的界面顯示和通過觸摸屏將人機(jī)操作信息傳送給工控板，其設(shè)計的基本原則包括：界面條理清晰、完善明了、協(xié)調(diào)一致、操作簡單方便。為了符合以上要求，本系統(tǒng)采用的是１２．１寸的彩色液晶顯示屏并使用觸摸屏，其分辨率為１０２４×７６８，用戶可以通過顯示屏查看系統(tǒng)運行的相關(guān)信息，并可以通過觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。
３ 系統(tǒng)軟件設(shè)計
３．１ 稱重控制組件軟件設(shè)計
稱重控制程序主要完成稱重臺上物料重量的測量，計算出重量值，通過ＣＡＮ總線傳給工控板進(jìn)行比較判斷。系統(tǒng)初始化主要完成對單片機(jī)進(jìn)行端口初始化、程序裝載和傳感器接口檢測，傳感器校準(zhǔn)主要完成對單位重量值的定標(biāo)，設(shè)置零點主要完成對測量基準(zhǔn)點的設(shè)定。由于是高速測量，條盒在水平、垂直兩個方向上以一定的速度降落到測量盤上，給傳感器帶來一定的沖擊特性，除在規(guī)定的相位區(qū)間內(nèi)進(jìn)行稱重外，在軟件上還采用濾波及預(yù)測補償?shù)膭討B(tài)稱重方法提高其準(zhǔn)確度。稱重控制軟件程序流程圖如圖４所示。稱重控制程序中的剔除缺包中斷子程序流程圖如圖５所示。
稱重檢測稱重檢測
３．２ 人機(jī)操作界面軟件設(shè)計
人機(jī)操作界面作為上位機(jī)主要是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制，其基本功能為實時顯示煙條生產(chǎn)信息和各種統(tǒng)計信息，接受操作人員對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，并通過ＣＡＮ總線接口與稱重控制組件進(jìn)行通訊。根據(jù)接收的重量信號計算判斷條盒是否存在缺陷，如果當(dāng)前條盒存在缺陷則向控制組件單片機(jī)發(fā)送命令，告知其在指定的相位向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號。人機(jī)操作界面軟件的基本流程如圖６所示。
稱重檢測
人機(jī)操作界面軟件設(shè)計采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰＥｍ－ｂｅｄｄｅｄ操作系統(tǒng)作為軟件運行平臺，采用Ｃ＋＋語言編寫代碼［４］。人機(jī)界面操作軟件按照模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求進(jìn)行開發(fā)，力求做到界面友善、操作方便、易升級維護(hù)，有分級密碼管理，安全性好。應(yīng)用程序除按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和通信協(xié)議實現(xiàn)ＣＡＮ總線，還要實時獲取包裝機(jī)運行狀態(tài)信息和各種統(tǒng)計信息，并顯示在屏幕上，提供相關(guān)操作頁面，方便用戶修改機(jī)器運行相關(guān)的各種參數(shù)。
根據(jù)項目要求及實現(xiàn)的功能，人機(jī)界面主要包括主頁面、生產(chǎn)頁面、重量頁面、設(shè)置頁面和信息頁面的設(shè)計。主頁面用于顯示稱重系統(tǒng)概圖及部分參數(shù)；生產(chǎn)頁面用于顯示產(chǎn)量信息、消耗信息、廢品信息和停機(jī)信息；重量頁面用于顯示煙條重量分布、偏差分布；設(shè)置頁面用于設(shè)置系統(tǒng)中的各項參數(shù)；信息頁面用于顯示圖紙信息等。在生產(chǎn)控制過程中，為了準(zhǔn)確檢測每一條的質(zhì)量狀況，不產(chǎn)生誤剔、漏剔，實際值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不是在單一的條盒上得出的，而是例如采用一進(jìn)一出連續(xù)５０條采集運算的方法，求取條盒的標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)值隨生產(chǎn)過程時時更新，判定門限值也隨著改變，克服了系統(tǒng)漂移產(chǎn)生的重量偏差。新的一條煙被認(rèn)為合格后，系統(tǒng)自動將其重量加入到標(biāo)準(zhǔn)值的計算基準(zhǔn)中去，同時計算出新的標(biāo)準(zhǔn)值，用以判斷下條煙是否合格。如新的這條煙被認(rèn)為不合格，則它將被剔出，這條煙的重量也不會參與標(biāo)準(zhǔn)值計算。
標(biāo)準(zhǔn)值計算方式處理如下，連續(xù)合格條煙中的每一條盒的重量為，標(biāo)準(zhǔn)值為，則：
Ａｉ＝（∑i49＋i Ｃｉ）／５０（ｉ＝１，２，…ｎ，ｎ為自然數(shù)）（１）
為了直觀地說明該系統(tǒng)的性能，在操作界面重量頁面中設(shè)計了“重量趨勢圖”。以圖形的形式顯示每條煙實際值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差情況。
４ 結(jié)論
本文根據(jù)香煙高速包裝生產(chǎn)線的工藝流程，設(shè)計了包裝生產(chǎn)線稱重檢測系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程中的條盒進(jìn)行在線缺包檢測，不依賴香煙的條盒包裝材料變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，檢測準(zhǔn)確度高，避免了條盒缺包的質(zhì)量缺陷，具有較好的市場應(yīng)用和推廣價值。
機(jī)械大類
機(jī)械小類
當(dāng)前位置:
包裝生產(chǎn)線稱重檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
來源：環(huán)球糧機(jī)網(wǎng)發(fā)布時間：2015-02-10 13:41:10
