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阀口袋包装机的一种改进控制系统
- 2020-10-05 00:09-

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  阀口袋包装机的一种改进控制系统 An Improved Control System of the Air Valve Packer 居上江 阙沛文 200030) (上海交通大学自动检测研究所,上海 摘 要 分析了以 51 系列单片机为核心的阀口袋包装机的控制系统,该控制系统为了适应包装物料特性的 变化,提出了一种改进的方案。该方案利用下游重量校准反馈并运用模糊控制过程,使包装速度和精度都有 了一定的提高。 关键词 Abstract 阀口袋包装机 测量误差 自适应控制 This paper analyses the 51 series single-chip microprocessor based control system for the air valve packer. In order to adapt to the change of the material characteristic, an improved control system is presented. The control system improves the packing velocity and precision to a certain extent by feeding back from downstream weigh calibration and applying fuzzy control process. Keywords Air valve packer Measurement error Adaptive control 0 引言 阀口袋包装机是为适应颗粒、粉粒混合物及片状物料而专门设计的毛重式包装机型。该 机采用低压空气强制压送物料装袋,成功地解决了自流性差、密度小、微粒度等特性的粉末 物料的自动计量包装,结构新颖合理,操作维护方便,在化工行业有较广泛的应用。 1 阀口袋包装机系统及其误差分析 阀口袋包装机由进料闸板阀、储料仓、物料充填装置(气动双速阀门控制) 、机架、回风 除尘装置、称量、翻袋装置以及称重控制柜等组成。 称重传感器的电压信号经过采集放大,与预先用可调电阻调好的信号进行比较,输出开 关量信号,使包装进程结束,从而实现重量的控制。 称重传感器信号的输入、放大、比较、输出全部由控制电路板的模拟电路完成,此控制 回路可视最小分辨值为 0.1Lbs,约 45g,其中影响包装精度的因素有:可调电阻的漂移;外 部机械振动,不稳定的风压,气缸、阀门动作时的振动冲击;切断信号发出到电磁阀动作之 间的延迟以及飞料在出料管中的残留;包装进程中物料特性的变化,亚博开户。例如堆积密度、粒径大 小的变化。 2 控制对象的特点 根据以上分析,可以得出整个包装控制过程有以下特点: ① 控制对象的被控流向是不可逆的,所以输出结果不能通过超调量立即加以调节; ② 由于外部的机械振动和物料在下料过程中堆积密度的变化等,使被控过程具有时变 和随机特性; ③ 被控对象的受控特性是开关性的,无法通过对中间过程的控制来调节输出流量。 为了避免欲使产品控制在规格内(25kg±250g)而将称重中心值调得偏高,同时又尽可 能缩短称量时间在下料过程中因堆积密度等特性变化时不用人工调节各种参数,所以要求改 进控制系统使误差控制在 0.2%以内。 3 改进后系统设计组成及特点 根据我公司的多年使用经验,对控制系统进行了改造,引入了下游电子皮带秤的反馈, 克服了储料仓压力及物料变化带来的影响,保证了包装精度,且能够在保证包装精度的情况 下尽可能减少包装时间,节约成本;增加了飞料吹扫控制,减少了物料残余袋口带来的计量 误差和残料的损失;采用了称重模糊控制数学模型,使控制系统简化并能达到一般熟练操作 工的正常操作水准,能够适应储料仓压力及物料变化及时调整包装的精度和时间。 3.1 系统的硬件组成 系统以 51 系列单片机为核心,主要由称重传感器、信号输入接口(放大、滤波) 、A/D 转换、对话界面、串行接口反馈、存储器、卸料控制电路等组成,如图 1 所示。 图1 系统硬件组成框图 3.1.1 信号输入接口 为避免机械振动对称量造成的影响,必须采用滤波技术。硬件滤波可采用低通滤波;软 件滤波时采集若干数据为一组,去掉最大最小值其余取均值作为有效测量数据,但需要考虑 运算速度以及 A/D 转换的速度。 接口模拟电路须与数字电路分开布设(包括电源及地) ,以免数字电路的射频信号进入 模拟输入信号端,还可以避免因数字电路频繁变化造成电源电压的变化对模拟电路及称重传 感器激励电压的影响。 3.1.2 模数转换 考虑到系统精度要求,至少选用 14 位或以上转换芯片;根据系统对包装速度的要求芯 片至少应有 1 千次/秒的高速数字处理能力。 3.1.3 存储单元 2 各种设定参数及系统运行时的重要参数均保留在 E PROM 中, 当系统重起后会自动从中读 出预先设定的或上次设定的参数,从而实现掉电数据保护。 3.1.4 人机界面 LED 显示器至少能显示设定称重值、实时称重值、粗卸料值等,操作人员可以通过输入 装置(键盘等)实现归零、标准重量校正、重量输入等功能。 3.1.5 反馈回路 系统设置一个串行接口以接收下游皮带秤的称重数据, 此数据是静态测得, 准确度较高, 但间隔时间较长。 3.1.6 卸料控制电路 控制粗、细进料以及飞料吹扫和自动翻袋等。信号输入输出须采取光电隔离。 3.2 系统软件设计 系统软件采用模块化设计方法, 设计流程如图 2 所示。 根据系统的功能要求主要由程序、 称量模块、A/D 采集转换模块、显示子程序、键盘服务子程序、数据处理子程序、校准子程 序、串口输入子程序及自动修正子程序等模块组成主。 整个下料过程基本上可以分为 5 个阶段: 开始到粗进料的过渡阶段; 粗进料的平稳阶段; 阀门从粗进料阶段切换到细进料的过渡阶段,切换点 A;细进料的稳定阶段;阀门切断,下料 结束的过渡阶段,切换点 B。 开始 初始化,设定中断 否 是否有键按下? 是 根据键值散转 参 数 设 定 校 准 子 程 序 A/D转换 数字滤波 称量模块 卸料控制模块 复 位 自动修正模块 串口中断接收 图 2 系统软件设计流程图 为了保证控制精度,在下料阀门的第一个切换点 A 后必须存在阶段④, 所以 A 不能过于 靠近 B, 但也没必要离 B 太远,否则会增加包装时间,在存在阶段④的前提下可以尽量短,否 则会对精度影响太大。B 的选取非常重要,需要通过调节来补偿各种因素造成的误差。 3.2.1 数据处理模块 数据输入采用软件滤波,按照 1ms 采集一个数据,8 次为一个周期,对包装过程中的动 态数据进行采样滤波。为了有效地获得包装过程中受冲击、振动影响的真实数据,在程序中 引入了两个判断数据真伪的限制函数 X n ? X n ?1 ≥ 0 (1) X n ? X n ?1 ≤ E m 式中, X n 为本次采样值, X n ?1 为上次采样值, E m 为门限值。 (2) 在包装过程中,袋内重量在累计增加,所以当前采样值一定大于或等于上次采样值,满 足式(1) 。又因为物料是连续下落的,相邻两次采样值之差一定小于或等于某个门限值即满 足式(2) 。对于本系统而言,定时采样时间约为 1ms,其最大的下料流量应该不超过 4kg/s, 按 6s 下料 90%计算,可得 4g/ms;而 14 位 A/D 转换器的分辨率为 4g,因此取 E m 为 1,凡不 能满足上述二式的采样数据均视为无效数据,在求平均值时将其去掉。8 次为一个周期,平 均求值也可以有效滤除脉冲干扰。 3.2.2 称量模块 在整个包装阶段,切断点 A 可以根据操作经验给出一个第一次的预定值 WK 1 ,只要细进 料有一个稳定的流量,WK 1 对控制精度影响不大。根据经验设 22kg ≤ W K 1 ≤ 24kg ,在保证 称量稳定性的前提下,通过调节 WK 1 来减少包装时间。当包装到达阶段④时,通过对实际流 量的测量来控制并预测切断 B 的时间。实际流量的测量公式如下: Q = ΔW / ΔT W = WK 1 + Q × Tb + W5 W5 = dQ × dt (3) (4) (5) 式中, Q 为实测流量, ΔW 为实测重量增量, ΔT 为采样周期, W5 指阶段⑤产生的重量增 量, Tb 为阶段④的时间。 电磁阀从全闭到全开的时间取决于阀门尺寸和流体温度、入口压力和压降等,约 15~ 50ms,我们把 T5(阶段⑤的时间)近似看作一个常量。物料关断阀在 T5 的流量是一个等百分 比曲线,为了计算方便我们按等比例近似计算。 所以 3.2.3 自动修正模块 W5 ≈ kQ × T5 利用下游的校验秤对 Wk 1 和 W 值进行修正。下游输送带上的校验秤可以认为是一个静态 秤,受外界影响因素较小,精度为万分之一。利用串行接口将精确重量数据 W2 传送到包装 机控制系统上进行修正。 采用模糊控制原理,利用简单的判别法则模拟熟练操作工,当包装外部条件变动时系统 能够及时调整。 利用 W2 和标准控制值的偏差及 W2 的稳定度进行分段评估计算, 使其模糊化, 再根据模糊规则进行推理,最后根据所激活的规则进行模糊判决,对 Wk 1 和 W 值进行修正。 模糊规则如下: 若 W2 偏大且稳定, 则调小 W ; 若 W2 偏小且稳定, 则调大 W ; 若 W2 中等且不稳定, 则调小 Wk 1 ,且最小不低于 22kg; 若 W2 中等且稳定, 则调大 Wk 1 ; … 模糊隶属度函数采用最简单的三角形和重心法解模。 4 结束语 经过对系统的改进,大大提高了包装精度和稳定度,达到 25±0.05kg;在保证产品规格 的前提下解决了包装的重量常常略高出规格中心值,给工厂造成了部分额外损失的问题;在 保证包装精度的前提下,使得包装速度尽可能减少,减少了生产时间,提高了工作效率;以 单片机为核心的控制系统引入了下游电子皮带秤的反馈,具有提前量自动修正功能,克服了 储料仓压力及物料变化带来的影响,代替熟练操作人员进行调节,降低了工人的工作量以及 规格超差的风险。另外,此控制系统的模块化设计可以方便地构造各种控制模型。 参考文献 1 2 诸静.模糊控制原理与应用.机械工业出版社,1995 Series 5500 Air Valve Packer With Proximity Switch or Electronic Load-cell Weighing Operation and Service Manual