孫彥萍 孫小飛 王子豪

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博255049；2.山東理工大學機械工程學院，山東淄博255049）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題，且人機界面的友好發(fā)展更加體現(xiàn)了人性化。此外，無線技術(shù)的發(fā)展使遠程顯示與監(jiān)控得以廣泛應(yīng)用，人們可以在控制室對遠方終端系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與控制。自20世紀60年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到廣泛應(yīng)用，同時其功能也不斷得到完善。

隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上，增加了模擬量處理和運動控制等功能。如今的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。藥品重量檢測是制藥產(chǎn)業(yè)中重要的環(huán)節(jié)，將自動化技術(shù)應(yīng)用到該環(huán)節(jié)中可以有效提高藥品的檢測效率，節(jié)省更多的時間、人力和物力。

1 系統(tǒng)模塊介紹

根據(jù)設(shè)計的基本要求，傳送帶重量檢測系統(tǒng)共分為6個模塊，分別為藥品重量檢測裝置、NRF905數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、液晶顯示模塊、機械抓手模塊、PLC控制模塊和變頻器模塊。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 傳送帶重檢測系統(tǒng)原理圖

1.1 藥品重量檢測裝置

在本裝置中用于稱量的主要器件是稱重傳感器，稱重傳感器在受到壓力或拉力時會產(chǎn)生電信號，受到不同壓力或拉力時產(chǎn)生的電信號也隨之變化，而且力與電信號的關(guān)系一般為線性關(guān)系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為0～20mV，對于A/D轉(zhuǎn)換或單片機的工作參數(shù)來說，不能使A/D轉(zhuǎn)換和單片機正常工作，所以需要對輸出的信號進行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以需要對其進行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機接收。單片機根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計算出物體的重量。

智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發(fā)出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器，同時讓工作人員對不合格產(chǎn)品做出合理的處理。超限報警電路是由單片機的I/O口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計所允許的重量時，通過程序使單片機的I/O值為高電平，從而導通三極管，使蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時使報警燈發(fā)光。

1.2 NRF905數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

NRF905芯片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，使用非常方便。

由于NRF905具有ShockBurstTM功能，使得NRF905不需要使用昂貴的高速微控制處理器（MCU）對數(shù)據(jù)處理/時鐘恢復也能達到較高的數(shù)據(jù)率。通過在芯片上將所有的高速信號處理變?yōu)樯漕l通信協(xié)議，NRF905芯片提供了一個具有微控制器能力的SPI接口，數(shù)據(jù)率由具有微控制器功能的接口速率自行設(shè)定。收發(fā)電路的數(shù)字部分是一個低速率電路，而收發(fā)電路的射頻鏈接卻是一個處于最高速率的電路，整個電路要通過變速才能解決速率上的差異。

NRF905芯片的ShockBurstTMTX模式減少了在這一過程中的平均電流消耗。在ShockBurstTMTX模式中，當一個有效地址的數(shù)據(jù)包被接收時，能夠通過AM和DR這2個信號外送給MCU。另外，在ShockBurstTMTX模式中，NRF905芯片能夠自動地完成報頭的生成和CRC校驗，當發(fā)送過程完成后，能夠通過DR信號外送給MCU，發(fā)送工作就已經(jīng)完成。這樣可以降低MCU對內(nèi)存的要求，使得MCU實現(xiàn)了低成本，同時也縮短了軟件的開發(fā)周期。芯片的工作及節(jié)能模式如表1所示。

表1 芯片的工作及節(jié)能模式

1.3 液晶顯示模塊

液晶是相態(tài)的一種，因為具有特殊的理化與光電特性，在20世紀中期開始被廣泛應(yīng)用于輕薄型的顯示技術(shù)上。12864液晶是液晶的一種，是128×64點陣液晶模塊點陣數(shù)的簡稱，它不但可以顯示數(shù)字、字母，而且可以顯示中文字形與圖形，有良好的顯示功能。此外，12864液晶具有3種不同的控制接口，分別是串行接口、4位微控制器接口和8位微控制器接口，可以方便進行操作控制。

12864液晶功耗小、可靠性高、驅(qū)動電壓低、顯示信息量大、成本低、顯示清楚，適用于各種小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域?；谝陨蟽?yōu)點，本設(shè)計采用12864液晶遠程顯示藥品重量的檢測結(jié)果。12864液晶顯示原理如圖2所示。

圖2 12864液晶顯示原理圖

1.4 機械抓手模塊

本文采用圓柱坐標式機械抓手來取下不合格藥品。機械抓手的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圓柱坐標式機械抓手可以通過轉(zhuǎn)動豎直立柱來改變機械抓手手臂的方向，通過水平移動或豎直移動來改變水平方向和豎直方向的力臂。機械抓手的工作均由電機驅(qū)動，其上升、下降、左移、右移都是由電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。另外，交流電機的正反轉(zhuǎn)可以控制機械抓手的張合。

圖3 機械抓手結(jié)構(gòu)圖

1.5 PLC控制模塊

PLC即可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，PLC的工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段。

圖4 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖

由于PLC抗干擾能力強、編程簡單、操作方便、性價比較高，因此，本設(shè)計采用PLC進行控制，由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，以此來控制機械抓手的精確定位。

當藥品重量不合格時，PLC輸出信號，控制機械抓手的上升、下降、左移、右移和夾緊、放松等操作。由于機械手的控制屬于開關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求，因此任何型號的小型PLC均可滿足要求。根據(jù)所需的I/O總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點，為繼電器輸出型，可以滿足本設(shè)計的基本要求。

1.6 變頻器及三相異步電動機模塊

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪活l率電能的控制裝置。變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元和微處理單元等組成，它靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。

變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對交流異步電機的軟啟動和變頻調(diào)速，并且能夠提高交流異步電機的運轉(zhuǎn)精度，改變功率因數(shù)。此外，變頻器還有很多保護功能，如過流、過壓、過載保護等。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到越來越廣泛的應(yīng)用。

三相異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子組成，三相電動機的定子一般由外殼、定子鐵芯、定子繞組等部分組成，定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。圖5為三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理示意圖。三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速：

圖5 三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理

式中n1——轉(zhuǎn)速，r/m in；

f——電源頻率，Hz；

p——磁極對數(shù)，極。

旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時針方向旋轉(zhuǎn)，且某時刻上為北極N、下為南極S，如圖6所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導體的電動勢和電流方向由里向外，用⊙表示；在下半部則由外向里，用表示。

圖6 異步電動機模型圖

2 實際生產(chǎn)應(yīng)用

在實際制藥生產(chǎn)線上，首先由藥品重量檢測裝置檢測出傳送帶上重量不合格的藥品并發(fā)出報警聲，然后經(jīng)NRF905無線傳輸，將信息傳送到液晶顯示屏上，方便對藥品重量進行遠程顯示和監(jiān)控。同時由可編程邏輯控制器PLC輸出三路脈沖，驅(qū)動變頻器控制三相異步電動機，以此來控制機械抓手將不合格的藥品取下。

3 設(shè)計特點

此藥品重量檢測裝置的設(shè)計特點：（1）本設(shè)計不但可以實現(xiàn)對藥品重量的遠程顯示，而且可以及時取下不合格藥品，自動化程度高。（2）藥品重量檢測裝置能夠準確地檢測出不合格藥品的重量。（3）采用液晶顯示，功耗小，成本低，性能穩(wěn)定，具有良好的人機交互界面。（4）采用的可編程邏輯控制器PLC編程簡單，操作方便，性價比較高。（5）采用變頻器來實現(xiàn)對機械抓手的精確控制，不但能夠節(jié)能、調(diào)速，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對電路的保護。

4 結(jié)語

目前，各行各業(yè)對智能、自動化的設(shè)備與儀器的需求越來越迫切，本文所設(shè)計出的傳送帶藥品重量檢測遠程顯示與處理系統(tǒng)，不但可以自動檢測并選取合格重量的藥品，而且可以智能地遠程顯示藥品重量情況，符合時代的發(fā)展潮流，很好地滿足了制藥企業(yè)的發(fā)展需求。

［1］王艷春，何鵬，李會.智能電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微計算機信息，2007（11）

［2］魏少軒.電子稱重系統(tǒng)傳感器的選用技術(shù)［J］.計算與測量技術(shù)，1996（6）

［3］岳慶來.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合運用技術(shù)［M］.機械工業(yè)出版社，2006

［4］周軍.電氣控制及PLC［M］.機械工業(yè)出版社，2007