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０ 引言
近年來(lái)，稱(chēng)重檢測系統的應用范圍不斷擴大，它作為一種實(shí)時(shí)測量物料重量并根據重量自動(dòng)發(fā)出控制信號的檢測系統，廣泛應用于產(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，條盒缺包檢測是質(zhì)量控制的重要環(huán)節，目前大多使用電容式或電感式接近開(kāi)關(guān)檢測裝置，或者利用負壓式對條盒缺包進(jìn)行檢測，但接近開(kāi)關(guān)都是通過(guò)檢測介質(zhì)的變化來(lái)觸發(fā)內部電路，條盒包裝材料的經(jīng)常變化致使缺包檢測不能正常工作；利用負壓式對條盒缺包進(jìn)行檢測，在不缺包的情況下，條煙是很規則的長(cháng)方體，缺包后長(cháng)方體上或下面會(huì )有缺失，氣壓損失會(huì )很大，此方法系統復雜準確性差［２］。本系統采用稱(chēng)重原理對條盒進(jìn)行缺包檢測，不依賴(lài)香煙的條盒包裝材料變化，準確度高，成本適中。
１ 系統組成
該系統主要由稱(chēng)重平臺、稱(chēng)重控制組件和人機操作界面三部分組成，系統原理框圖如圖１所示。稱(chēng)重平臺主要由稱(chēng)重臺、稱(chēng)重傳感器、信號電纜等組成。稱(chēng)重控制組件由傳感信號處理電路、激勵信號產(chǎn)生及反饋電路、單片機及其外圍電路組成。人機操作界面由工控板和彩色觸摸顯示器組成。
稱(chēng)重檢測
當條盒通過(guò)傳送裝置傳送到稱(chēng)重臺上，稱(chēng)重臺下面的重量傳感器產(chǎn)生的傳感電壓信號送入稱(chēng)重控制組件的傳感信號處理電路，傳感信號處理后送入單片機，單片機完成對傳感信號的實(shí)時(shí)處理并計算出煙條重量值，通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路發(fā)送給人機操作界面的工控板，工控板即對接收的信號進(jìn)行比較處理，判斷條盒中是否存在缺包等缺陷，把判斷結果再發(fā)送給單片機，單片機向包裝機組控制系統發(fā)送相應剔除信號，在剔除口把相應缺陷條盒剔除同時(shí)人機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)重臺時(shí)，系統都會(huì )按順序精確執行以下步驟。
（１）稱(chēng)重：稱(chēng)重是在編碼器旋轉至稱(chēng)重相位時(shí)進(jìn)行的。稱(chēng)重傳感器在該相位對煙條進(jìn)行稱(chēng)重，并將煙條重量值傳輸給控制組件。
（２）計算：當編碼器旋轉至計算相位時(shí)，人機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，以確認是否有缺陷而需要進(jìn)行剔除。
（３）剔除信號輸出：在剔除信號輸出相位，控制組件接收相應剔除信號，激活單片機及其外圍電路中ＯＵＴ１輸出。
（４）診斷信號輸出：在診斷信號輸出相位，控制組件判斷系統是否出現故障，若存在故障，則激活單片機及其外圍電路中ＯＵＴ２輸出。
２ 系統硬件設計
２．１稱(chēng)重平臺
稱(chēng)重平臺中使用的稱(chēng)重傳感器為電阻應變式稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)重傳感器是由彈性體、電阻應變片和惠斯登電橋３個(gè)主要部分組成的。其工作原理為：（１）被測負荷作用在彈性體上，使彈性體產(chǎn)生相應的彈性變形；（２）通過(guò)粘貼在彈性體上的電阻應變片，使彈性體的彈性變形轉換為電阻應變片的阻值變化（增大或者減?。?；（３）再通過(guò)惠斯登測量電路將電阻應變片電阻的變化，轉換為電信號輸出［３］?；菟沟菧y量電路可以抑制溫度變化的影響，補償方便，受外界影響小，精度高，工作穩定，使用最為廣泛。稱(chēng)重臺使用６０×３０×２ｃｍ的玻璃樹(shù)脂平臺，信號電纜為六線(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處理電路、激勵信號產(chǎn)生及反饋電路、單片機及其外圍電路等。
２．２．１ 傳感信號處理電路
稱(chēng)重傳感器輸出的信號很微弱，傳感信號處理電路是稱(chēng)重控制組件設計的關(guān)鍵電路，如果傳感信號處理電路設計不理想，單片機計算的重量值與實(shí)際值就會(huì )有偏差。
傳感信號處理電路主要功能是對傳感器送入信號進(jìn)行濾波、放大、整形處理，最終將傳感信號送入單片機進(jìn)行分析處理。其主要工作原理為：傳感器送入信號經(jīng)過(guò)兩級電容濾波后進(jìn)入低失調電壓運算放大器ＩＮＡ１２９Ｕ進(jìn)行一級信號放大，放大后信號送入運算放大器ＯＰＡ２１３０進(jìn)行二級信號放大，輸出信號經(jīng)過(guò)ＴＬＣ２２７２運算放大器和模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ組成的整形處理電路后送入單片機進(jìn)行處理分析。
２．２．２ 激勵信號產(chǎn)生及反饋電路
對于惠斯登電橋測量電路，其輸出電壓穩定性與其工作電源（供橋電源）的性能是密切相關(guān)的，要求供橋電源能夠對溫度、時(shí)間等因素具有良好的穩定性能。這就需要設計專(zhuān)用的供橋電源以保證電橋測量電路工作的穩定性和測量精度。
激勵信號產(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信號。主要由運算放大器ＯＰＡ２１３０／ＴＬＥ２０６２、模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ和瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ組成。運算放大器ＯＰＡ２１３０和模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ組成的電路產(chǎn)生激勵電壓信號，激勵電壓信號送入雙通道運算放大器ＴＬＥ２０６２，ＴＬＥ2０６２雙路輸出有效值為５Ｖ、頻率４．８ｋＨｚ、相位相差１８０°正弦波，雙路激勵電壓信號送入重量傳感器。瞬態(tài)電壓抑制管ＳＭＢＪ９．０ＣＡ用于保護稱(chēng)重傳感器不受瞬態(tài)電壓的沖擊而損壞。
激勵信號反饋電路主要功能是實(shí)時(shí)監測激勵信號是否穩定，如果激勵信號發(fā)生變化，激勵信號反饋電路將調整量送入激勵電壓產(chǎn)生電路，實(shí)時(shí)調整輸出的激勵信號。它主要由運算放大器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。雙路激勵電壓信號送入運算放大器ＯＰＡ２１３０進(jìn)行信號跟隨，輸出雙路信號送入運算放大器ＴＬ０７２進(jìn)行比例放大、信號跟隨，跟隨信號通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)ＤＧ２０１Ｂ中兩個(gè)通道相互配合，輸出調整量送入激勵信號產(chǎn)生電路。
２．２．３ 單片機及其外圍電路
單片機及其外圍電路主要負責稱(chēng)重傳感信號的處理計算、執行人機操作界面軟件送來(lái)的控制命令，單片機及其外圍電路原理框圖如圖２所示。
稱(chēng)重檢測
單片機及其外圍電路由單片機ＳＡＫ－Ｃ１６７ＣＲ－ＬＭ、Ｆｌａｓｈ存儲器ＡＭ２９Ｆ８００Ｂ、ＳＲＡＭ存儲器Ｋ６Ｘ８０１６Ｃ３Ｂ、ＥＥＰＲＯＭ存儲器ＡＴ２４Ｃ６４Ｂ，編碼信號采集電路，數字輸入輸出電路和ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路組成。Ｆｌａｓｈ存儲器存儲稱(chēng)重控制程序，ＳＲＡＭ存儲器存儲程序運行時(shí)的中間變量，ＥＥＰＲＯＭ存儲器存儲參數配置數據。
編碼信號采集電路用于單片機讀取編碼器相位，實(shí)現本系統與整個(gè)包裝機控制系統的相位同步。本系統采用電源電壓為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（Ａ、Ｂ、Ｚ）對應的信號采集電路都將采用圖３所示的電路。為了與包裝機控制系統上其它信號兼容，要求輸入信號≤５Ｖ時(shí)輸入電路要識別為低電平。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，比較器的負端設置的門(mén)限電壓為６．５４Ｖ，當輸入電壓低于５．９１Ｖ時(shí)ＬＭ３３９輸出端為低電平。發(fā)光二極管ＶＤ１用來(lái)指示輸入信號狀態(tài)。
稱(chēng)重檢測
數字輸入電路主要由光耦ＰＣ３５７、ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩壓管、ＬＬ４１４８二極管組成。外部數字輸入信號經(jīng)過(guò)ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６穩壓管、ＬＬ４１４８二極管后送入光耦ＰＣ３５７，光耦ＰＣ３５７將信號轉換后輸入單片機。數字輸出電路主要由光耦ＰＣ３５７、非門(mén)７4ＨＣ０４、穩壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６、ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片組成。單片機輸出數字信號經(jīng)過(guò)非門(mén)７４ＨＣ０４電平翻轉、光耦ＰＣ３５７轉換信號后經(jīng)過(guò)穩壓管ＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ６送入ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片，ＶＮ３４０ＳＰ接口芯片對輸入信號經(jīng)過(guò)轉換后輸出。
ＣＡＮ總線(xiàn)通信電路主要負責將計算出煙條重量值傳送給人機操作界面的工控板，以及將讀取機器編碼器相位信息傳送給工控板，實(shí)現與機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)靜電保護管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ組成。單片機輸出信號經(jīng)處理通過(guò)光耦ＨＣ－ＰＬ０６０１轉換后送入ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)器ＰＣＡ８２Ｃ２５１，ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)器輸出信號經(jīng)過(guò)Ｂ８２７９３扼流圈和ＣＡＮ總線(xiàn)靜電保護管ＰＥＳＤ１ＣＡＮ后輸出。人機操作界面輸出控制信號通過(guò)此電路送入單片機。
２．３ 人機操作界面
人機操作界面的硬件主要由兩部分組成，即內裝通訊板卡的工控板和彩色觸摸顯示器，兩者之間通過(guò)標準接口相連接。其中，工控板通過(guò)ＰＣＩ插槽裝配有ＣＡＮ通訊板卡。工控板內安裝Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ?。祝椋睿洌铮鳎螅兀小。牛恚猓澹洌洌澹洳僮飨到y，并在此系統下運行人機操作界面軟件。人機操作界面軟件在運行控制過(guò)程中，需要與稱(chēng)重控制組件進(jìn)行通信、運算和處理數據，并通過(guò)圖形或其它的方式在觸摸屏上顯示出來(lái)，并且保存運行數據、統計數據和參數設定值。
彩色觸摸顯示器主要用于人機操作界面軟件的界面顯示和通過(guò)觸摸屏將人機操作信息傳送給工控板，其設計的基本原則包括：界面條理清晰、完善明了、協(xié)調一致、操作簡(jiǎn)單方便。為了符合以上要求，本系統采用的是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)顯示屏查看系統運行的相關(guān)信息，并可以通過(guò)觸摸屏設置系統相關(guān)參數。
３ 系統軟件設計
３．１ 稱(chēng)重控制組件軟件設計
稱(chēng)重控制程序主要完成稱(chēng)重臺上物料重量的測量，計算出重量值，通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)傳給工控板進(jìn)行比較判斷。系統初始化主要完成對單片機進(jìn)行端口初始化、程序裝載和傳感器接口檢測，傳感器校準主要完成對單位重量值的定標，設置零點(diǎn)主要完成對測量基準點(diǎn)的設定。由于是高速測量，條盒在水平、垂直兩個(gè)方向上以一定的速度降落到測量盤(pán)上，給傳感器帶來(lái)一定的沖擊特性，除在規定的相位區間內進(jìn)行稱(chēng)重外，在軟件上還采用濾波及預測補償的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重方法提高其準確度。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)重檢測稱(chēng)重檢測
３．２ 人機操作界面軟件設計
人機操作界面作為上位機主要是負責系統的整體控制，其基本功能為實(shí)時(shí)顯示煙條生產(chǎn)信息和各種統計信息，接受操作人員對系統參數的設置，并通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)接口與稱(chēng)重控制組件進(jìn)行通訊。根據接收的重量信號計算判斷條盒是否存在缺陷，如果當前條盒存在缺陷則向控制組件單片機發(fā)送命令，告知其在指定的相位向包裝機組控制系統發(fā)送剔除信號。人機操作界面軟件的基本流程如圖６所示。
稱(chēng)重檢測
人機操作界面軟件設計采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ?。祝椋睿洌铮鳎蟆。兀校牛恚猓澹洌洌澹洳僮飨到y作為軟件運行平臺，采用Ｃ＋＋語(yǔ)言編寫(xiě)代碼［４］。人機界面操作軟件按照模塊化、標準化的要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)，力求做到界面友善、操作方便、易升級維護，有分級密碼管理，安全性好。應用程序除按照相關(guān)的技術(shù)規范和通信協(xié)議實(shí)現ＣＡＮ總線(xiàn)，還要實(shí)時(shí)獲取包裝機運行狀態(tài)信息和各種統計信息，并顯示在屏幕上，提供相關(guān)操作頁(yè)面，方便用戶(hù)修改機器運行相關(guān)的各種參數。
根據項目要求及實(shí)現的功能，人機界面主要包括主頁(yè)面、生產(chǎn)頁(yè)面、重量頁(yè)面、設置頁(yè)面和信息頁(yè)面的設計。主頁(yè)面用于顯示稱(chēng)重系統概圖及部分參數；生產(chǎn)頁(yè)面用于顯示產(chǎn)量信息、消耗信息、廢品信息和停機信息；重量頁(yè)面用于顯示煙條重量分布、偏差分布；設置頁(yè)面用于設置系統中的各項參數；信息頁(yè)面用于顯示圖紙信息等。在生產(chǎn)控制過(guò)程中，為了準確檢測每一條的質(zhì)量狀況，不產(chǎn)生誤剔、漏剔，實(shí)際值與標準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５０條采集運算的方法，求取條盒的標準值。標準值隨生產(chǎn)過(guò)程時(shí)時(shí)更新，判定門(mén)限值也隨著(zhù)改變，克服了系統漂移產(chǎn)生的重量偏差。新的一條煙被認為合格后，系統自動(dòng)將其重量加入到標準值的計算基準中去，同時(shí)計算出新的標準值，用以判斷下條煙是否合格。如新的這條煙被認為不合格，則它將被剔出，這條煙的重量也不會(huì )參與標準值計算。
標準值計算方式處理如下，連續合格條煙中的每一條盒的重量為，標準值為，則：
Ａｉ＝（∑i49＋i Ｃｉ）／５０（ｉ＝１，２，…ｎ，ｎ為自然數）（１）
為了直觀(guān)地說(shuō)明該系統的性能，在操作界面重量頁(yè)面中設計了“重量趨勢圖”。以圖形的形式顯示每條煙實(shí)際值與標準值的偏差情況。
４ 結論
本文根據香煙高速包裝生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程，設計了包裝生產(chǎn)線(xiàn)稱(chēng)重檢測系統，對生產(chǎn)過(guò)程中的條盒進(jìn)行在線(xiàn)缺包檢測，不依賴(lài)香煙的條盒包裝材料變化，系統穩定性好，檢測準確度高，避免了條盒缺包的質(zhì)量缺陷，具有較好的市場(chǎng)應用和推廣價(jià)值。
當前位置:
包裝生產(chǎn)線(xiàn)稱(chēng)重檢測系統的研究與實(shí)現
來(lái)源：環(huán)球糧機網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2015-02-06 17:24:55
