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引言
近年來(lái)，稱(chēng)重檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，它作為一種實(shí)時(shí)測(cè)量物料重量并根據(jù)重量自動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品包裝、配料等生產(chǎn)過(guò)程控制中［１］。
在香煙高速包裝生產(chǎn)線(xiàn)上，條盒缺包檢測(cè)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(kāi)關(guān)檢測(cè)裝置，或者利用負(fù)壓式對(duì)條盒缺包進(jìn)行檢測(cè)，但接近開(kāi)關(guān)都是通過(guò)檢測(cè)介質(zhì)的變化來(lái)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(cè)不能正常工作；利用負(fù)壓式對(duì)條盒缺包進(jìn)行檢測(cè)，在不缺包的情況下，條煙是很規(guī)則的長(zhǎng)方體，缺包后長(zhǎng)方體上或下面會(huì)有缺失，氣壓損失會(huì)很大，此方法系統(tǒng)復(fù)雜準(zhǔn)確性差［２］。本系統(tǒng)采用稱(chēng)重原理對(duì)條盒進(jìn)行缺包檢測(cè)，不依賴(lài)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(chēng)重平臺(tái)、稱(chēng)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(chēng)重平臺(tái)主要由稱(chēng)重臺(tái)、稱(chēng)重傳感器、信號(hào)電纜等組成。稱(chēng)重控制組件由傳感信號(hào)處理電路、激勵(lì)信號(hào)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(chēng)重檢測(cè)
當(dāng)條盒通過(guò)傳送裝置傳送到稱(chēng)重臺(tái)上，稱(chēng)重臺(tái)下面的重量傳感器產(chǎn)生的傳感電壓信號(hào)送入稱(chēng)重控制組件的傳感信號(hào)處理電路，傳感信號(hào)處理后送入單片機(jī)，單片機(jī)完成對(duì)傳感信號(hào)的實(shí)時(shí)處理并計(jì)算出煙條重量值，通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路發(fā)送給人機(jī)操作界面的工控板，工控板即對(duì)接收的信號(hào)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(hào)，在剔除口把相應(yīng)缺陷條盒剔除同時(shí)人機(jī)操作界面形成各種與重量相關(guān)的信息。整個(gè)工作過(guò)程中，每一個(gè)條煙通過(guò)稱(chēng)重臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)按順序精確執(zhí)行以下步驟。
（１）稱(chēng)重：稱(chēng)重是在編碼器旋轉(zhuǎn)至稱(chēng)重相位時(shí)進(jìn)行的。稱(chēng)重傳感器在該相位對(duì)煙條進(jìn)行稱(chēng)重，并將煙條重量值傳輸給控制組件。
（２）計(jì)算：當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)至計(jì)算相位時(shí)，人機(jī)操作界面軟件分析處理稱(chēng)重控制組件傳來(lái)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(hào)輸出：在剔除信號(hào)輸出相位，控制組件接收相應(yīng)剔除信號(hào)，激活單片機(jī)及其外圍電路中ＯＵＴ１輸出。
（４）診斷信號(hào)輸出：在診斷信號(hào)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(jì)
２．１稱(chēng)重平臺(tái)
稱(chēng)重平臺(tái)中使用的稱(chēng)重傳感器為電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)重傳感器是由彈性體、電阻應(yīng)變片和惠斯登電橋３個(gè)主要部分組成的。其工作原理為：（１）被測(cè)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(guò)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?。唬ǎ常┰偻ㄟ^(guò)惠斯登測(cè)量電路將電阻應(yīng)變片電阻的變化，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出［３］?；菟沟菧y(cè)量電路可以抑制溫度變化的影響，補(bǔ)償方便，受外界影響小，精度高，工作穩(wěn)定，使用最為廣泛。稱(chēng)重臺(tái)使用６０×３０×２ｃｍ的玻璃樹(shù)脂平臺(tái)，信號(hào)電纜為六線(xiàn)制屏蔽線(xiàn)纜。
２．２ 稱(chēng)重控制組件
稱(chēng)重控制組件硬件部分包括傳感信號(hào)處理電路、激勵(lì)信號(hào)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(hào)處理電路
稱(chēng)重傳感器輸出的信號(hào)很微弱，傳感信號(hào)處理電路是稱(chēng)重控制組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵電路，如果傳感信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)不理想，單片機(jī)計(jì)算的重量值與實(shí)際值就會(huì)有偏差。
傳感信號(hào)處理電路主要功能是對(duì)傳感器送入信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、整形處理，最終將傳感信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)電容濾波后進(jìn)入低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器ＩＮＡ１２９Ｕ進(jìn)行一級(jí)信號(hào)放大，放大后信號(hào)送入運(yùn)算放大器ＯＰＡ２１３０進(jìn)行二級(jí)信號(hào)放大，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)ＴＬＣ２２７２運(yùn)算放大器和模擬開(kāi)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(lì)信號(hào)產(chǎn)生及反饋電路
對(duì)于惠斯登電橋測(cè)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?、時(shí)間等因素具有良好的穩(wěn)定性能。這就需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的供橋電源以保證電橋測(cè)量電路工作的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。
激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路主要功能是給稱(chēng)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(lì)信號(hào)。主要由運(yùn)算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２、模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ和瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。運(yùn)算放大器ＯＰＡ２１３０和模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ組成的電路產(chǎn)生激勵(lì)電壓信號(hào)，激勵(lì)電壓信號(hào)送入雙通道運(yùn)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(lì)電壓信號(hào)送入重量傳感器。瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ用于保護(hù)稱(chēng)重傳感器不受瞬態(tài)電壓的沖擊而損壞。
激勵(lì)信號(hào)反饋電路主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激勵(lì)信號(hào)是否穩(wěn)定，如果激勵(lì)信號(hào)發(fā)生變化，激勵(lì)信號(hào)反饋電路將調(diào)整量送入激勵(lì)電壓產(chǎn)生電路，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的激勵(lì)信號(hào)。它主要由運(yùn)算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２／ＴＬ０７２、電壓比較器ＬＭ３３９、模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ和瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。雙路激勵(lì)電壓信號(hào)送入運(yùn)算放大器ＯＰＡ２１３０進(jìn)行信號(hào)跟隨，輸出雙路信號(hào)送入運(yùn)算放大器ＴＬ０７２進(jìn)行比例放大、信號(hào)跟隨，跟隨信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ中兩個(gè)通道相互配合，輸出調(diào)整量送入激勵(lì)信號(hào)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(chēng)重傳感信號(hào)的處理計(jì)算、執(zhí)行人機(jī)操作界面軟件送來(lái)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(chēng)重檢測(cè)
單片機(jī)及其外圍電路由單片機(jī)ＳＡＫ－Ｃ１６７ＣＲ－ＬＭ、Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器ＡＭ２９Ｆ８００Ｂ、ＳＲＡＭ存儲(chǔ)器Ｋ６Ｘ８０１６Ｃ３Ｂ、ＥＥＰＲＯＭ存儲(chǔ)器ＡＴ２４Ｃ６４Ｂ，編碼信號(hào)采集電路，數(shù)字輸入輸出電路和ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路組成。Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器存儲(chǔ)稱(chēng)重控制程序，ＳＲＡＭ存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)的中間變量，ＥＥＰＲＯＭ存儲(chǔ)器存儲(chǔ)參數(shù)配置數(shù)據(jù)。
編碼信號(hào)采集電路用于單片機(jī)讀取編碼器相位，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與整個(gè)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(lèi)型的增量式編碼器，編碼器的３個(gè)輸出信號(hào)（Ａ、Ｂ、Ｚ）對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(hào)兼容，要求輸入信號(hào)≤５Ｖ時(shí)輸入電路要識(shí)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(kāi)路輸出，比較器的負(fù)端設(shè)置的門(mén)限電壓為６．５４Ｖ，當(dāng)輸入電壓低于５．９１Ｖ時(shí)ＬＭ３３９輸出端為低電平。發(fā)光二極管ＶＤ１用來(lái)指示輸入信號(hào)狀態(tài)。
稱(chēng)重檢測(cè)
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(hào)經(jīng)過(guò)ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩(wěn)壓管、ＬＬ４１４８二極管后送入光耦ＰＣ３５７，光耦ＰＣ３５７將信號(hào)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(mén)７4ＨＣ０４、穩(wěn)壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６、ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片組成。單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)非門(mén)７４ＨＣ０４電平翻轉(zhuǎn)、光耦ＰＣ３５７轉(zhuǎn)換信號(hào)后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６送入ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片，ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后輸出。
ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路主要負(fù)責(zé)將計(jì)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(shí)現(xiàn)與機(jī)器的同步控制和顯示。ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路主要由７４ＨＣ０４非門(mén)、光耦ＨＣＰＬ０６０１、ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)器ＰＣＡ８２Ｃ２５１、Ｂ８２７９３扼流圈、ＣＡＮ總線(xiàn)靜電保護(hù)管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ組成。單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)處理通過(guò)光耦ＨＣ－ＰＬ０６０１轉(zhuǎn)換后送入ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)器ＰＣＡ８２Ｃ２５１，ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)Ｂ８２７９３扼流圈和ＣＡＮ總線(xiàn)靜電保護(hù)管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ后輸出。人機(jī)操作界面輸出控制信號(hào)通過(guò)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口相連接。其中，工控板通過(guò)ＰＣＩ插槽裝配有ＣＡＮ通訊板卡。工控板內(nèi)安裝Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ?。祝椋睿洌铮鳎螅兀小。牛恚猓澹洌洌澹洳僮飨到y(tǒng)，并在此系統(tǒng)下運(yùn)行人機(jī)操作界面軟件。人機(jī)操作界面軟件在運(yùn)行控制過(guò)程中，需要與稱(chēng)重控制組件進(jìn)行通信、運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)圖形或其它的方式在觸摸屏上顯示出來(lái)，并且保存運(yùn)行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)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(guò)觸摸屏將人機(jī)操作信息傳送給工控板，其設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(hù)可以通過(guò)顯示屏查看系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息，并可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。
３ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
３．１ 稱(chēng)重控制組件軟件設(shè)計(jì)
稱(chēng)重控制程序主要完成稱(chēng)重臺(tái)上物料重量的測(cè)量，計(jì)算出重量值，通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)傳給工控板進(jìn)行比較判斷。系統(tǒng)初始化主要完成對(duì)單片機(jī)進(jìn)行端口初始化、程序裝載和傳感器接口檢測(cè)，傳感器校準(zhǔn)主要完成對(duì)單位重量值的定標(biāo)，設(shè)置零點(diǎn)主要完成對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定。由于是高速測(cè)量，條盒在水平、垂直兩個(gè)方向上以一定的速度降落到測(cè)量盤(pán)上，給傳感器帶來(lái)一定的沖擊特性，除在規(guī)定的相位區(qū)間內(nèi)進(jìn)行稱(chēng)重外，在軟件上還采用濾波及預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)稱(chēng)重方法提高其準(zhǔn)確度。稱(chēng)重控制軟件程序流程圖如圖４所示。稱(chēng)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(chēng)重檢測(cè)稱(chēng)重檢測(cè)
３．２ 人機(jī)操作界面軟件設(shè)計(jì)
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(shí)時(shí)顯示煙條生產(chǎn)信息和各種統(tǒng)計(jì)信息，接受操作人員對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，并通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)接口與稱(chēng)重控制組件進(jìn)行通訊。根據(jù)接收的重量信號(hào)計(jì)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(hào)。人機(jī)操作界面軟件的基本流程如圖６所示。
稱(chēng)重檢測(cè)
人機(jī)操作界面軟件設(shè)計(jì)采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ?。祝椋睿洌铮鳎蟆。兀校牛恚猓澹洌洌澹洳僮飨到y(tǒng)作為軟件運(yùn)行平臺(tái)，采用Ｃ＋＋語(yǔ)言編寫(xiě)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(kāi)發(fā)，力求做到界面友善、操作方便、易升級(jí)維護(hù)，有分級(jí)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(shí)現(xiàn)ＣＡＮ總線(xiàn)，還要實(shí)時(shí)獲取包裝機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息和各種統(tǒng)計(jì)信息，并顯示在屏幕上，提供相關(guān)操作頁(yè)面，方便用戶(hù)修改機(jī)器運(yùn)行相關(guān)的各種參數(shù)。
根據(jù)項(xiàng)目要求及實(shí)現(xiàn)的功能，人機(jī)界面主要包括主頁(yè)面、生產(chǎn)頁(yè)面、重量頁(yè)面、設(shè)置頁(yè)面和信息頁(yè)面的設(shè)計(jì)。主頁(yè)面用于顯示稱(chēng)重系統(tǒng)概圖及部分參數(shù)；生產(chǎn)頁(yè)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(yè)面用于顯示煙條重量分布、偏差分布；設(shè)置頁(yè)面用于設(shè)置系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)；信息頁(yè)面用于顯示圖紙信息等。在生產(chǎn)控制過(guò)程中，為了準(zhǔn)確檢測(cè)每一條的質(zhì)量狀況，不產(chǎn)生誤剔、漏剔，實(shí)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(yùn)算的方法，求取條盒的標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)值隨生產(chǎn)過(guò)程時(shí)時(shí)更新，判定門(mén)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(dòng)將其重量加入到標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算基準(zhǔn)中去，同時(shí)計(jì)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(huì)參與標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。
標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)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(guān)地說(shuō)明該系統(tǒng)的性能，在操作界面重量頁(yè)面中設(shè)計(jì)了“重量趨勢(shì)圖”。以圖形的形式顯示每條煙實(shí)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(xiàn)的工藝流程，設(shè)計(jì)了包裝生產(chǎn)線(xiàn)稱(chēng)重檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的條盒進(jìn)行在線(xiàn)缺包檢測(cè)，不依賴(lài)香煙的條盒包裝材料變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，檢測(cè)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(chǎng)應(yīng)用和推廣價(jià)值。
機(jī)械大類(lèi)
機(jī)械小類(lèi)
當(dāng)前位置:
包裝生產(chǎn)線(xiàn)稱(chēng)重檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源：環(huán)球糧機(jī)網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2015-04-27 13:16:37
