摘要：近年来，随着经济迅猛地发展，全球一体化进程的逐渐推进，企业对灌装设备的称重精度及灌装速度要求逐渐提高，而称重控制仪表作为灌装设备的核心决定了灌装设备的精度和速度。传统的称重控制仪表以单片机为核心，其结构简单、功能单一，不能实现高精度称重和高速灌装的功能，无法满足企业的实际需求。本设计针对上述问题将小波算法应用在称重控制仪表的设计中，设计了一种新型灌装设备称重控制仪表。
关键词：灌装设备；称重控制；仪表；设计
引言
随着企业对灌装设备称重控制仪表的称重精度和灌装速度要求越来越高。本设计将小波滤波理论应用于称重控制仪表的设计，利用小波在信号滤波领域中的优势。采用小波滤波算法处理测量数据，可以保证对测量精度的要求，并且可以有效提高灌装速度，另外设置有集中管控功能。从而使新形式下对灌装设备称重控制仪表的新要求得以满足。
1灌装设备结构分析
在进行总体设计之前，为了更好针对灌装设备实际需求设计其称重控制仪表，本设计首先对灌装设备的结构进行剖析，分析影响灌装设备称重精度和灌装速度的问题所在。灌装设备通常由灌装机械结构及称重控制仪表两部分所构成。由灌装设备的结构简图可以了解到，灌装设备机械部分主要由机架、备料斗、备料斗仓门、称重料斗、称重料斗仓门、夹袋装置和传送带组成。灌装设备的机械结构较为简单，经多年研究其机械结构已经较为完善。但是，灌装设备的称重控制仪表较为复杂，缺少相关研究。所以称重控制仪表是影响灌装设备称重精度和灌装速度的主要问题。灌装设备的灌装工作的流程为：首先，称重控制仪表打开备料斗仓门，使得物料落入称量料斗，仪表实时监测测量传感器输出的数据；当称量料斗中物料重量达到预设重量时，称重控制仪表控制备料斗仓门关闭；随后，仪表将称重料斗仓门打开，并驱动夹袋装置动作；最后，传送带将已经灌装好的物料送到指定位置。通过分析灌装设备的工作过程，发现在灌装设备工作时会产生较大的环境噪声，并且当物料流量较大的情况时，称量料斗会在在物料的冲击下产生较大幅度震动，这会导致测量传感器输出信号中混杂有较强的噪声，所以说需要对传感器的输出信号进行滤波处理。现阶段灌装设备称重控制仪表均采用较为简单的滤波处理方式，如，RC滤波、FIR滤波器等，上述滤波方式对噪声的抑制作用有限，不能达到理想的滤波效果，难以实现高精度测量的要求[23]。另外，由于只备料斗只有一个仓门不能控制出料速度，所以为了保证称重精度，不能高速投料，难以提高灌装速度。针对上述问题，本设计设计了一种新型称重控制仪表，其可以同时满足称重精度和灌装速度两方面的需求。
2 灌装配料称重仪表总体方案设计
2.1系统硬件设计
系统硬件是实现系统功能的基础，系统的称重、控制、网络通讯以及软件滤波等功能都以硬件作为基础实现，所以系统硬件设计为称重控制仪表设计的首要工作。系统硬件设计遵循系统的设计原则，以模块化设计为原则。根据系统总体设计方案系统硬件主要由核心处理器模块、数据采集模块、通信模块、外围设备控制模块、人机交互模块以及电源模块等模块构成。本章主要完成对上述模块的设计工作。
2.1.1核心处理器模块设计
系统核心处理器模块负责协调系统各功能模块正常运转，最终实现相应的功能。根据前文分析，本设计的系统核心处理器采用S3C6410处理器。S3C6410处理器内部具有丰富的资源，其内部设置有：PPL倍频控制器、RTC时钟控制器、TFTLCD液晶屏控制器、MMU存储管理单元、UART控制器、SPI控制器、CI2总线控制器和USB主从设备控制器等[35]。S3C6410系统的时钟频率最高可达667MHz，可以满足实时对采集到的数据序列进行软件滤波处理的要求；通过TFTLCD液晶屏控制器可以简化人机交互功能的实现；丰富的通信接口为实现通信功能提供了硬件基础。所以采用S3C6410作为系统处理器核心可以简化系统设计难度。在核心处理器模块设计过程中，分别需要完成系统时钟源、复位电路、外扩SDRAM存储器以及外扩NAND Flash存储器的设计。
2.1.2数据采集模块设计
在本设计中数据采集模块负责将称量料斗的重量信息转换为嵌入式处理器可以识别的数字量，并为软件滤波提供原始数据。所以数据采集模块会对最终的称重精度产生一定的影响。在数据采集模块设计中，主要完成对称重传感器、信号调理电路以及A/D转换电路的设计。
2.1.3通信模块设计
①网络通信接口设计。根据设计需求及前文分析，本系统的网络接口设置有：WLAN接口和LAN接口。用户可以根据实际需求合理选用网络接口，有利于系统适用于不同的工作环境。S3C6410内部不具有网络控制器，所以需要外接网络控制器。本设计无线网络接口选用环隆电器设计的WM_G_MR_09无线网络模块，其内部采用Marvell88W8686芯片集，支持多种传输速率。②其他通信接口设计。根据设计需求，本设计也设置有串行通信接口和USB通信接口。通过这些接口可以完成对称重控制仪表进行现场按照调试及现场故障诊断等操作。本系统主要采用RS-485通信接口。③外围设备控制模块设计。称重控制仪表通过外围设备控制接口实现对外部机械设备的控制。本设计为了实现投料速度可控，将备料斗设置为大、小两个仓门，这样可以使设备具有三种不同的投料速度。所以本设计主要需要控制备料斗仓门动作；另外还需要控制称量料斗仓门和夹袋装置动作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本设计采用电磁阀控制伸缩杆气缸完成对仓门和夹袋装置的开闭操作。④人机交互模块设计。人机交互接口需要完成操作者与设备之间信息交互。入设备接口和输出设备接口。输入设备的设计原则要求操作简洁明了，设备操作者可以根据使用手册迅速入门。输出设备的设计原则要求可以输出详尽信息和提示，操作者可以根据输出设备的提示操作设备。本设计选用矩阵式按键和电阻式触摸屏作为输入设备，采用彩色LCD液晶屏作为输出设备。⑤电源模块设计。由于本系统工作时固定不动且功耗较大，所以本设计采用了220V市电供电的方式。本设计由于需要实现通信及控制功能，为了防止在通信或控制时所引入噪声，本设计采用多路电源设计的方式，将通信和控制所需的供电独立为一路电源，测量及处理器部分采用另一路电源供电。
2.2系统软件设计
根据系统总体设计方案，系统软件部分由称重控制仪表软件和上位机软件所组成。其中称重控制仪表软件需要完成信号采集、小波滤波、系统标定、动态校准及网络通信等功能；上位机软件需要实现网络通信和集中管控的功能。
2.2.1称重控制仪表软件系统平台的搭建
称重控制仪表的软件以嵌入式Linux系统为基础。
2.2.2系统硬件驱动程序设计
在嵌入式Linux操作系统中，应用程序不能直接完成对硬件设备的操作，而是需要通过调用硬件驱动，最终实现访问硬件设备的功能。所以在进行应用程序开发时，可以将系统硬件设备均看做为可访问设备驱动文件，应用程序通过访问驱动文件的方式实现对硬件的控制。通过硬件驱动可以使硬件设备与操作系统分离开来，采用这种方式可以极大地缩短开发周期，并且有利于降低开发难度。
2.2.3称重控制仪表应用软件设计
称重控制仪表应用软件设计主要需要完成数据采集程序、小波滤波程序、标定程序、外围设备控制程序等功能模块程序的设计；另外还需要完成Qt框架下的可视化操作界面。
2.2.4系统上位机软件设计
本设计采用MFC框架完成上位机软件的设计。MFC是微软公司提供给开发人员的标准类库，其提供了丰富的组件、控件及句柄。在本设计中上位机主要需要完成TCP服务器的建立、向智能仪器发送指令和获取智能仪器所反馈回的信息操作并将返回信息存储到数据库；并且还需要采用MFC框架完成可视化操作界面设计。
3灌装称重控制仪表的发展趋势
随着灌装设备称重控制仪表相关技术的迅猛发展，以及多学科融合的深入，称重控制仪表也取得了蓬勃的发展。特别是随着动态数学建模、振动理论、自适应数字滤波、模糊理论和神经网络等理论在实际工程应用的广泛应用，使得称重控制仪表向着新的方向不断发展。目前，称重控制仪表未来的发展方向主要有：
3.1模块化
主要表现为将称重控制仪表进行模块划分，从而可以针对不同的设计需求对不同功能模块进行组合。模块化可以使称重控制仪表应用更加广泛，提高了仪表功能的灵活性，并且可以缩短研发周期，降低研发成本。
3.2网络化
主要表现在对称重控制仪表进行组网，实现集中管控、远程读取、远程设置等功能。
3.3高计量精度
主要体现在将数字滤波、神经网络及动态数学建模应用在数据处理中，提高仪表精度。
3.4高灌装速度
主要表现在将模糊理论及现代自动控制理论应用在仪表的控制领域，提高灌装设备的灌装速度。
3.5智能化
随着计算机技术的不断发展，可以将称重控制仪表与计算机系统相结合，从而实现推理、判断、及自我组织等一系列功能。使称重控制仪表可以实现智能化运行。
结束语
总而言之，当前，在现代化的工业制造领域中，对包装、配料生产过程中的称重检测精度和生产效率提出了更高要求。称重控制仪表作为一个全自动灌装配料生产系统中的核心部分，其检测精度的高低、性能的优劣在整个系统中起到了举足轻重的作用。
参考文献：
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[2]田雅萍，王萍.基于小波滤波的信号处理方法[J].科技广场，2012，03：177-179.
[3]潘泉，孟晋丽，张磊，程咏梅，张洪才.小波滤波方法及应用[J].电子与信息学报，2017，01：236-242.
论文作者:康亮1,秦娜娜2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/9/18
标签：称重论文; 仪表论文; 设备论文; 系统论文; 模块论文; 接口论文; 精度论文; 《电力设备》2018年第7期论文;