吴健科
中山衡迅包装机械有限公司
摘要：现如今，我国是科技发展的新时期，针对称重物品形状不规则、质量不均匀造成的称重精度下降及效率低问题，设计开发一款基于ＳＴＭ３２单片机的嵌入式多功能组合秤控制系统。该系统引入模块化的设计理念，采用集散控制方式。硬件方面分别对系统的电源模块、主控模块、ＡＤ数据采集模块、步进电机驱动模块进行了电路的规范化设计。软件方面通过建立嵌套函数以及对组合算法的优化，提高了组合的效率和合格率。经现场测试，组合速度在６５包／ｍｉｎ时误差能控制在０．５％以内，达到预期效果。
关键词：嵌入式；组合秤；集散控制；组合优化
引言
随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，电液控制系统由于输出功率重量比大、响应快、控制精度高、可以提供远程控制等特点，在航空航天、舰船、移动车辆、钢铁工业等领域得到了广泛应用。电液控制技术系统与已经成熟的控制技术及电子技术相融合，极大地增强了机电系统的性能并扩展了系统的功能。因此，电液控制系统的应用正在日益快速增长。然而，由于液压系统能耗大、效率低，其应用正日益受到其他传动技术（如电气传动）的挑战。因而，节能技术已成为液压领域所关注的重大课题之一。在满足性能要求的情况下实现节能控制对于液压控制系统具有极其重要的意义。自上世纪七十年代末期以来，美国、日本、德国及我国的学者一直在积极进行液压系统节能技术的研究。并针对不同应用工况提出了多种节能控制技术，如利用负载感应控制技术对控制阀、液压泵进行的节能控制。利用二次调节技术对泵控马达闭式回路及泵控缸系统的节能控制技术。应用变频电机对液压泵进行负载适应性控制技术。利用蓄能器与变频技术相融合的节能控制技术。利用数字控制阀/泵实现精确流量控制的节能技术。已有的大部分节能措施只适用于利用定量泵或变量泵的泵控系统，而在阀控系统中的节能技术亟待突破。在众多不同应用领域的电液控制系统中，利用电液伺服阀或电液比例阀对执行元件进行高精度运动控制的阀控系统因其响应快、控制灵敏等优点，而占有相当大的比例。传统上，利用一个多边节流控制方向阀（伺服阀或比例阀）进行执行器的控制。由于多个节流边的机械固联，其控制机理固有的重复节流损失是阀控系统能耗大、效率低的主要原因。因而，研究一种既能保持阀控系统原有高响应性能、又能使多个节流边由机械固联变为依据功能需求可编程组合、"软联接"的独立节流边，消除重复节流损失，对于提高阀控系统效率具有重要意义。
1多头秤的工作原理
目前，我国是经济发展的新时期，目前市面上的组合秤大多是８头、１０头、１４头以及２０头，它们的机械结构基本相同，从上到下分别包括主振器、线振器、存料斗、称重斗、集料斗。其工作流程是首先主控制器采集每个称重单元的质量，经过组合运算后筛选出最佳的下料方式并控制对应的称量斗动作下料；随后待称量斗闭合后，相同编号的存料斗缓缓打开给称重斗补料；最后线振器和主振器同时震动，使物料下落到存料斗中贮存备用，待采样稳定时间结束以后，再进行下次组合。主控单元在对产品目标质量组合的过程中，理论上Ｎ个斗会有２Ｎ－１种组合方式，一般会根据系统的要求仅使用部分组合。若在某次组合中没有出现合格的组合，那么本次组合会根据用户的设置选择不排料或者强制排放最接近目标质量的超重组合来提高设备运行的连贯性。
2系统的整体设计方案
2.1油缸的五种节流控制模式
依据油缸的不同负载和运动工况，利用智能阀进行油缸的节流控制模式有：活塞杆伸出时的双边节流模式、活塞杆缩回时的双边节流模式、差动节流控制、活塞杆伸出时的流量再生节流控制和活塞杆缩回时的流量再生节流控制。1）双向负载，活塞杆伸出时的双边节流模式。系统供油经SV1阀进入油缸的无杆腔，推动油缸运动。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆油缸有杆腔流出的油液经SV4阀流回油箱。SV1阀和SV4阀的控制可采用进油节流（SV1调节、SV4全开）、回油节流（SV4调节、SV1全开）和双边节流三种形式。2）双向负载，活塞杆缩回时的双边节流模式。系统供油经SV2阀进入油缸的有杆腔，推动油缸运动。油缸无杆腔流出的油液经SV3阀流回油箱。SV2阀和SV3阀的控制可采用进油节流（SV2调节、SV3全开）、回油节流（SV3调节、SV2全开）和双边节流三种形式。3）双向负载，差动节流控制。系统供油经SV1阀进入油缸的有杆腔，推动油缸运动。油缸无杆腔流出的油液经SV2阀和SV1阀再流入油缸的有杆腔，实现流量再生。SV1阀和SV2阀的控制可采用进油节流（SV1调节、SV2全开）、回油节流（SV2调节、SV1全开）和双边节流三种形式。4）负载使活塞杆伸出时的流量再生节流控制。在负载力的作用下，活塞杆伸出。此时，有杆腔流出的油液经SV2阀和SV1阀再流入油缸的无杆腔，实现流量再生。由于有杆腔的工作面积小于无杆腔的工作面积，有杆腔流出的油液小于无杆腔所需的流量，系统还需补偿部分油液。SV1阀和SV2阀的控制应采用回油节流（SV2调节、SV1全开）形式。
2.2Ａ／Ｄ数据采集模块
Ａ／Ｄ数据采集模块的工作原理是将压力传感器输出的模拟量信号经过差分运放电路放大后由Ａ／Ｄ转换芯片转换成数字量信号，供控制芯片使用［１３］。其电路设计的合理性将会直接影响到称重单元的精度，对最终的定量结果起关键作用。系统选用美国ＣｉｒｒｕｓＬｏｇｉｃ公司的２４位ＣＳ５５３２芯片作为Ａ／Ｄ转换芯片，相比于其他同类芯片，该芯片具有成本低、集成度高、响应速度快等特点。ＣＳ５５３２芯片简化了与外围电路的连接，通过ＳＰＩ通信接口可直接与Ａ／Ｄ控制芯片ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６进行数据传递；可编程增益放大器可使放大倍数从１～３２进行设定，大大提高了系统的动态特性；芯片内部有一个完整的自校正系统，解决了多头秤在长期工作中Ａ／Ｄ本身存在的的零点增益和漂移误差的难题。另外，运放电路芯片选择的是满电源幅度输出双运放的ＴＬＣ２２７２芯片，该芯片具有输入阻抗高、低噪声的特点，对毫伏级别的输入信号有着较好的线性输出特性。
3优化算法的实现
整个主控组合算法的流程如图５所示，系统在进行组合之前，首先根据上次组合下料的情况以及本次称重的结果确定各称重斗的状态。特殊状态的称重斗包括用户设置不参与组合的禁止斗，单斗质量小于目标重量特定百分比（一般为１５％）的超轻斗，单斗质量大于目标质量的超重斗，刚完成置零动作的置零斗，多次组合未被选中的强制组合斗以及采集数据出现错误的故障斗等。除去这些特殊状态的斗，剩余的便是参与本次组合的斗。主控程序根据称重单元的重量先将参与组合斗的平均单斗质量求出来，然后根据设定的目标重量计算出理论组合斗数，通过四舍五入的方法先从理论组合斗数开始组合，调用相应的封装函数。组合结束后如果没有符合目标重量期望偏差范围的组合，则会以该斗数为中心左右延伸，依次调用不同斗数的嵌套函数，直到找出满足要求的组合。
结语
本文设计的基于ＳＴＭ３２的嵌入式多头秤控制系统成本低、体积校通过对组合算法的优化，不仅减少了组合次数，而且弥补了传统的固定每次参与组合的称重斗的数量而过分依赖加料稳定性方式的不足。在参数配置方面，根据组合结果调整参数有利于实现称重不同物料之间的自动切换，相对于传统的设备在配置不同物料参数之前的大量的测试工作，本文系统大大减少了工作量，提高了设备的下料的稳定性和运行的流畅度。
参考文献
［１］刘方全．定量包装技术的发展方向［Ｊ］．中国计量，１９９９，４０（３）：３７－３８．
［２］郭鹏，孙宏强，杨彦彬，等．新型多头秤控制系统设计［Ｊ］．石家庄学院学报，２０１２，１４（３）：３２－３４，８２．
论文作者:吴健科
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：组合论文; 称重论文; 系统论文; 活塞杆论文; 油缸论文; 芯片论文; 全开论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;