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《中國制造2025》提出, 食品行業(yè)針對目前動態(tài)檢重設(shè)備, 提出新的需求。具體需求如下:對現(xiàn)有產(chǎn)品線改造, 節(jié)省成本;在保證精度的前提下, 將檢重速度從原來的30m/min提高到40m/min;海鮮和水果產(chǎn)品單個重量不同, 價格差異非常大, 所以對重量區(qū)間分類越多越好, 增加更多的分選區(qū)間;讓用戶通過手機(jī)或電腦遠(yuǎn)程實(shí)時了解生產(chǎn)信息和設(shè)備運(yùn)行信息;解決大量由于電氣和EMC故障造成的維修問題。本文針對這些新需求進(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)線方案對比表如表1所示。針對提出的需要, 原有的機(jī)械部分是可以不動, 通過升級控制部分實(shí)現(xiàn)功能需要。通過對比, 改進(jìn)產(chǎn)線相對現(xiàn)有產(chǎn)線在硬件采購成本方面節(jié)省6.25%, 同時集成網(wǎng)絡(luò)通信功能。通過對分選環(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。在濾波過后數(shù)據(jù)處理上, 在原有的滑動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)時性, 同時控制器增加多路輸出和輸入信號檢測功能, 最終可支持16個分選區(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ADC通道, 8個PWM通道, 工作溫度范圍為-40℃~125℃, LQFP144封裝。整個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為+12V。
重量信號采集采用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, 對電機(jī)起到保護(hù)作用。
直流無刷電機(jī)控制采用HALL信號檢測轉(zhuǎn)子位置, 根據(jù)位置信號變化切換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, 停止等輸入信號。故障報警的聲光報警器, 不同重量區(qū)間剔除的剔除器組等輸出信號。
通過串口實(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。通過網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的工業(yè)PC實(shí)時了解生產(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, 針對重量信號采集以及電機(jī)控制實(shí)時要求性比較高的特點(diǎn), 采用中斷方式實(shí)現(xiàn), 對于時間要求可以在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的采用大循環(huán)固定時間片輪方式實(shí)現(xiàn)。具體的主任務(wù)流程圖如圖2所示。控制器初始化如圖3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實(shí)物大量調(diào)試來確定最佳的參數(shù)值。比如:檢重的估測點(diǎn), 電機(jī)調(diào)速的PI參數(shù), 分選的提前時間點(diǎn)。對于這些參數(shù)值, 通過對實(shí)物的測試進(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
通過對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, 是針對同一個樣品, 在重復(fù)性測試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 物品動態(tài)檢重測試數(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)行分選動作。對于超限產(chǎn)品按照需要發(fā)出聲光報警。
此方案可以實(shí)時了解當(dāng)日的生產(chǎn)信息, 解決大量由于電氣和EMC故障造成的維修問題。
