昆山市拓恒機(jī)電有限公司
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江蘇省昆山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)
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1 引言
隨著《中國(guó)制造2025》提出, 食品行業(yè)針對(duì)目前動(dòng)態(tài)檢重設(shè)備, 提出新的需求。具體需求如下:對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品線改造, 節(jié)省成本;在保證精度的前提下, 將檢重速度從原來(lái)的30m/min提高到40m/min;海鮮和水果產(chǎn)品單個(gè)重量不同, 價(jià)格差異非常大, 所以對(duì)重量區(qū)間分類越多越好, 增加更多的分選區(qū)間;讓用戶通過(guò)手機(jī)或電腦遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)信息和設(shè)備運(yùn)行信息;解決大量由于電氣和EMC故障造成的維修問(wèn)題。本文針對(duì)這些新需求進(jìn)行研究。
2 需求分析
食品檢重生產(chǎn)線由兩部分組成:機(jī)械部分和控制部分?，F(xiàn)有產(chǎn)線和改進(jìn)產(chǎn)線方案對(duì)比表如表1所示。針對(duì)提出的需要, 原有的機(jī)械部分是可以不動(dòng), 通過(guò)升級(jí)控制部分實(shí)現(xiàn)功能需要。通過(guò)對(duì)比, 改進(jìn)產(chǎn)線相對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)線在硬件采購(gòu)成本方面節(jié)省6.25%, 同時(shí)集成網(wǎng)絡(luò)通信功能。通過(guò)對(duì)分選環(huán)節(jié)和電機(jī)控制功能的集成, 使EMC和電氣性能穩(wěn)定性有更大的保障。
檢重環(huán)節(jié), 采用新一代鋼傳, 在信號(hào)處理算法上采用在原有的模擬RC濾波算法上再增加卡爾曼濾波算法。在濾波過(guò)后數(shù)據(jù)處理上, 在原有的滑動(dòng)平均算法上再增加新的預(yù)估算法。最終可以保證物品在40m/min速度下的檢重精度。
分選環(huán)節(jié)采用控制器集成, 取消原有PLC和稱重控制器之間通信環(huán)節(jié), 增加了實(shí)時(shí)性, 同時(shí)控制器增加多路輸出和輸入信號(hào)檢測(cè)功能, 最終可支持16個(gè)分選區(qū)間。采用觸摸屏的配方功能, 讓分選產(chǎn)品管理更加科學(xué), 靈活, 操作方便。
3 控制器設(shè)計(jì)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
控制器主控MCU采用ST公司Power PC家族的SPC560P50。32位的E200Z0h處理器, 512KBFLASH, 64KB DATAFLASH, 40KB SRAM, 主頻高達(dá)64MHz, 2路串口, 1路網(wǎng)口, 15個(gè)ADC通道, 8個(gè)PWM通道, 工作溫度范圍為-40℃~125℃, LQFP144封裝。整個(gè)控制器的硬件控制框圖如圖1所示。
表1 現(xiàn)有產(chǎn)線和改進(jìn)產(chǎn)線方案對(duì)比表 下載原表
圖1 檢重秤控制器硬件設(shè)計(jì)框圖 下載原圖
電源系統(tǒng)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。提供電機(jī)為+24V, 提供MCU為+5V, 提供電機(jī)控制預(yù)驅(qū)電路為+12V。輸入輸出的隔離信號(hào)為+12V。
重量信號(hào)采集采用TI的ADS1291, 16位, 采樣頻率為1200Hz。該芯片具有溫度補(bǔ)償功能, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
保護(hù)電路, 采集PCBA的溫度, 電機(jī)運(yùn)行電流, 電壓, 對(duì)電機(jī)起到保護(hù)作用。
直流無(wú)刷電機(jī)控制采用HALL信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置, 根據(jù)位置信號(hào)變化切換PWM輸出通道。根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PWM的占空比。整個(gè)PWM的載波頻率為20KHz。
輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)I/O功能, 具體功能有:光電傳感器, 啟動(dòng), 停止等輸入信號(hào)。故障報(bào)警的聲光報(bào)警器, 不同重量區(qū)間剔除的剔除器組等輸出信號(hào)。
通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)觸摸屏與控制器通信, 配置物品的重量區(qū)間, 轉(zhuǎn)速等運(yùn)行信息。通過(guò)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的工業(yè)PC實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
控制器采用傳統(tǒng)嵌入式的控制流程思想, 針對(duì)重量信號(hào)采集以及電機(jī)控制實(shí)時(shí)要求性比較高的特點(diǎn), 采用中斷方式實(shí)現(xiàn), 對(duì)于時(shí)間要求可以在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的采用大循環(huán)固定時(shí)間片輪方式實(shí)現(xiàn)。具體的主任務(wù)流程圖如圖2所示?？刂破鞒跏蓟鐖D3所示。中斷控制任務(wù)如圖4所示。
圖2 控制器主任務(wù)流程圖 下載原圖
圖3 控制器初始化任務(wù)流程圖 下載原圖
圖4 控制器中斷任務(wù)流程圖 下載原圖
3.3 算法設(shè)計(jì)
控制器需要處理下面幾個(gè)控制算法, 分別為檢重控制算法, 電機(jī)控制算法, 分選控制算法。具體的檢重控制算法如圖5所示, 電機(jī)控制算法如圖6所示, 分選控制算法如圖7所示。每種算法都需要通過(guò)實(shí)物大量調(diào)試來(lái)確定最佳的參數(shù)值。比如:檢重的估測(cè)點(diǎn), 電機(jī)調(diào)速的PI參數(shù), 分選的提前時(shí)間點(diǎn)。對(duì)于這些參數(shù)值, 通過(guò)對(duì)實(shí)物的測(cè)試進(jìn)行學(xué)習(xí), 最終確定最佳的參數(shù)表寫入控制器。
圖5 檢重算法流程 下載原圖
圖6 電機(jī)控制算法流程 下載原圖
圖7 分選控制算法流程 下載原圖
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
通過(guò)對(duì)采用新控制器的檢重秤進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示, 其中物品精度, 是針對(duì)同一個(gè)樣品, 在重復(fù)性測(cè)試20次, 得到的平均方差δ。從數(shù)據(jù)分析可知, 物品在40m/min速度以下符合生產(chǎn)需求。
表2 物品動(dòng)態(tài)檢重測(cè)試數(shù)據(jù) 下載原表
分選環(huán)節(jié)根據(jù)指定物品的分選區(qū)間, 分選器可以準(zhǔn)確的執(zhí)行分選動(dòng)作。對(duì)于超限產(chǎn)品按照需要發(fā)出聲光報(bào)警。
此方案可以實(shí)時(shí)了解當(dāng)日的生產(chǎn)信息, 解決大量由于電氣和EMC故障造成的維修問(wèn)題。
