一、分选秤用称重控制器的组成及性能参数
分选秤是一种应用广泛的在线动态称重设备, 主要由载荷输送机、承载器、分选装置、称重控制器、重量设定装置等组成, 具有自动判别、动态计量等特点。工作时, 无需人工干预, 载荷输送机将自动地把被称物料送到承载器上, 根据秤台两端的两个光电检测元件来判断被称物料的位置, 按设定装置预先设定好的重量范围进行分选。为了使被称物料按输送线匹配速度在秤上连续通过, 要求称重控制器应快速、准确、可靠。
称重控制器用于橡胶行业胎面压出线上对胎面分选秤进行控制。它主要由材〔万一51单片机构成的控制系统、前置放大器、设定装置、分选结果指示灯、计数器、打印机、电源等组成。其原理框图示于图1 。前置放大器将压力传感器输出的毫伏级信号进行放大, 并转换成脉冲信号, 送至何CS 一51 单片机控制系统进行数据处理, 处理结果送显示器显示,同时与预先设置的重量范围进行比较, 比较结果通过开出口送指示灯显示、计数器计数,并启动打印机对产量数据进行记录。
称重控制器有运行/ 校验两种工作方式可供选择。当选用校验方式时, 则进入静态正常显示。此时, 将被称物放在秤台上, 控制器将显示出被称物的重量, 可对秤进行标定。当选用运行方式时, 称重控制器将进入动态称重分选控制状态。这时, 称重控制器将根据秤台两端检测被称物位置的光电信号, 确定胎面位置, 进行动态称重分选控制。
我国用于分选秤的称重控制器多为进口产品, 而国内开发的产品大多都是从通用称重显示器演变过来的, 没有专用的设定装置,多由显示器上的小键盘键入重量的分选范围, 正常工作时, 操作人员看不到设定值, 直观性差, 并且调整不方便。我们开发的称重控制器借鉴了国外样机, 在控制器的面板上设置了四个四位拨码开关, 用于对重量分选范围进行设定。这四个拨码开关可按工艺要求细分成五段重量范围( 见图2 ) 。四位数字的前两位代表整数, 后两位则代表小数。
在动态称重分选过程中, 设定值可随时调整。在面板上设有每段重量相对应的指示灯和记数器。操作人员可根据上偏差和下偏差提供的重量变化趋势, 及时调整胎面挤出口的压力, 以控制胎面的重量。这样, 就非常直观、方便。六个六位记数器分别记忆称量良好、上偏差、下偏差、上超差、下超差、产量( 包括良好、上偏差、下偏差) 等数据。配有打印机, 打印出产量等数据, 方便于车间管理。
对上超差和下超差的不合格品, 分选装置将自动启动予以剔除, 并声音报警, 提示操作人员注意。
该称重控制器不仅具有完善的动态称重分选控制功能, 而且还具有零点自动跟踪、去皮、清零等功能, 是一种高精度的通用显示仪表。其主要技术参数为:
. 显示器: 四位七段L E D 数码管
. 显示器分辨率: 大于3 0 0 0 0 万
. 传感器激励电源: D C 1 5V
. 开入点数: 4
. 开出点数: 8
. 产P 一1 6 打印机接口
. 工作温度: 一10 一4 0 ℃
. 供电电源: A C 2 20 V soH z
二、软件设计
整个系统的软件分为后台程序和前台程序。对于打印、数据处理、重量分选判别等实时性不是很高的内容, 安排在后台工作; 而对对于采集、定时等实时性要求较高的内容, 则安排在前台。软件设计采用模块化结构, 按完成的任务分成多个功能模块, 便于调试、扩充和移植。主程序简化框图如图3 所示。为完成静态称量和动态分选称量, 本程序着重进行了功能设计和抗干扰设计。下面分别予以叙述。
1 .功能设计
软件的功能设计主要是设计各种不同的功能模块, 通过这些功能模块, 完成各种实质J隆的任务。在本程序中, 由软件实现的主要功可能是:
. 零点自动跟踪;
. 去皮;
. 零点校验;
. 数据采集;
. 数据处理;
. 1 / 0 操作;
. 系统定时;
. 读键及设定;
. 运行/ 校验转换;
. 打印;
. 运行方式下显示值锁定;
. 重量判别, 其程序流程图示于图4 。
这些功能模块在系统监控程序管理下,按预定的工作方案完成静态称量或动态分选称量。
2.抗干扰设计
由于分选秤工作在工业环境下, 现场有着各种干扰, 影响秤的正常工作。所以, 除采取硬件抗干扰措施外, 软件抗干扰措施作为第二条防线也是非常重要的, 并且是必不可少的。一个完善的软件系统, 不仅要进行功能设计, 而且也要进行抗干扰设计, 以提高系统的可靠性。本系统采用了如下两种软件抗干扰措施:
(l) 数字信号输入输出通道抗干扰
干扰信号多呈毛刺状, 且作用时间短。根据这一特点, 在采集重量信号时, 可连续采集几次, 直到连续两次采集的结果完全一样, 这
个信号才有效。若经几次采集, 信号总是不一致, 那么将放弃此次的信号采集。每次采集的最高次数限额和连续相同次数, 可按实际需要调整。本程序中采集的最高限额4 次, 两次连续相同即为有效采集。
对于输出通道, 即使单片机给出正确的输出数据, 但由于外部干扰, 将使输出装置有可能得到错误的数据。在软件上, 最为有效的抗干扰措施就是重复输出同一个数据。重复周期尽可能短些, 使外部设备在接收到一个被干扰的错误信息后, 还来不及作出有效的反应, 一个正确的输出信息又来到了。这样,就可及时防止错动作。在本程序中, 将输出放在定时中断中, 可有效地防止输出误动作。
(2) 数字滤波
对于采集到的重量信号, 其内常含有随机干扰量, 因此必须从数据系列中提取出逼近点实值的数据, 得到一个可信度较高的结果。
在软件中, 常用的方法就是数字滤波。本程序分静态称量和动态分选称量。因称量方式不同, 所采用的数字滤波方式也不一样。下面就两种称量方法所采取的不同的数字滤波方法分别予以说明。
1静态称量:
静态称量主要考虑的是系统的稳定性和精度。既要考虑稳定状态下的显示相对稳定,又要考虑加载时的快速响应。因此, 对采集到的数据先要进行稳定性判别, 然后才进行数字滤波处理。在数字滤波程序中, 采用了滑动平均滤波技术, 以提高滤波效果。其具体做法
是: 每采样一次, 顶掉一个最老的数据, 再将这次的采样值和过去若干次的采样值一起求平均, 所得的有效采样值即可投入使用。因此, 这就提高了系统的实时性。采样次数N的选取, 对滤波效果影响很大。N 越大, 效果越好, 但却影响系统的动态响应。在本称重控制器中, 为提高系统的稳定性和快速响应能力, 稳定时N 取32 , 不稳定时N 取8。由于采用了有效的滤波方法, 使系统的稳定性和精度以及加载响应速度都得到了大大提高。º 动态分选称量:在动态分选称量时, 胎面是以快速通过秤台的。胎面在秤台上的时间在1. 5 秒以内,所以采样必须在1 秒钟内完成。这样, 采样的次数受到了限制。另外, 由于胎面快速通过秤台时会产生一定的振动, 将对采样值造成干扰。因此, 必须考虑选取哪些数据合理, 以及采用何种数字滤波技术, 来抑制干扰信号对称重的影响是非常重要的。
从胎面到达秤台直至其离开分为三个阶段: 第一阶段即时间t , 段, 是胎面从到达秤台直至其完全在秤台上的过程, 重量信号在此期间逐渐上升; 第二阶段即时间九段, 胎面完全在秤台上, 这期间是称量段; 第三阶段即时间t 。段, 是胎面离开秤台的过程, 重量信号在此期间逐渐下降到零。在九称量段的开始与结束, 称重信号受到的干扰相对重些。而在山段, 即胎面在秤台的中间位置时, 称重信号相对平稳。因此, 选取△t 时间段的数据比较理想。利用置于秤台前端的光电开关启动称重控制器接收动态采样数据, 并在山时间内完成采样。采样次数N 与采样速度有关, 采样速度快, 所采集的次数N 就高。
光电开关的安装必须保证所采集到的动态数据是被称物处于秤台山位置时的数据。对于所采集到的N 个数据, 均含有不同的干扰成分, 因此就必须采用有效的滤波方法, 以得到胎面重量的真值。本程序采用的是复合滤波技术, 即把两种以上的数字滤波方法结合起来使用, 互补不足, 提高滤波效果, 以达到仅用单一滤波方法所不能达到的效果。这里采用的是去极值滤波法和算术平均值滤波法相结合的滤波方法。去极值滤波先将明显的脉冲干扰值剔除, 不参加平均值计算, 从而使平均滤波的输出值更接近于真实值。算法原理如下: 连续采样N 次, 将其累加求和, 同时找出其中的最大值和最小值, 再从累加和中减去最大值和最小值, 按N 一2 个采样值求平均, 即得出有效的采样值。该复合滤波程序流程图示于图5 称重信号波形图图中, 从胎面到达秤台直至其离开分为三个阶段: 第一阶段即时间t , 段, 是胎面从到达秤台直至其完全在秤台上的过程, 重量信号在此期间逐渐上升; 第二阶段即时间九段, 胎面完全在秤台上, 这期间是称量段; 第三阶段即时间t 。段, 是胎面离开秤台的过程, 重量信号在此期间逐渐下降到零。在九称量段的开始与结束, 称重信号受到的干扰相对重些。而在山段, 即胎面在秤台的中间位置时, 称重信号相对平稳。因此, 选取△t 时间段的数据比较理想。利用置于秤台前端的光电开关启动称重控制器接收动态采样数据, 并在山时间内完成采样。采样次数N 与采样速度有关, 采样速度快, 所采集的次数N 就高。光电开关的安装必须保证所采集到式中而一N 一2 次采样值的算术平均值;w , 一第i 次采样值;N 一采样次数。为方便计算, 采样次数一般选为6 、10 、18 之类的2 的整数幂加2 , 以便用移位来代替除法。在本程序中, 采用了边采样边处理,因此就不必在尺A M 中开辟数据暂存区。经过数字滤波得到W 值, 再进行去皮、标度变换等数据处理, 得到可供显示, 判别、打印的胎面重量值。
在第二个光电开关检测到胎面完全离开秤台后, 启动零点跟踪子程序, 采用大样本采样滑动平均值滤波技术, 自动除皮重, 为下个胎面的到来做好接收准备。
三、结束语
该称重控制器功能齐全, 抗干扰能力强,不仅适用于橡胶行业的胎面分选控制, 也适用于禽蛋、硬币、家禽、工业生产线等各种分选秤的控制。目前, 我国一些厂家引进的分选秤, 经过十几年的使用, 有些称重控制器已不能正常工作, 急需更换。此外, 还有一些厂家现仍使用着机械式分选秤, 不能满足生产需要, 急需改造为电子分选秤。所以, 该称重控制器在当今具有极为实用的推广价值。

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