■葉健成

（清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系,北京 100084）

隨著科學技術和現(xiàn)代文明的發(fā)展，飼料工業(yè)自動化也得到快速發(fā)展，飼料生產的批量化和質量要求也不斷提高，在飼料的生產過程中，嚴格控制每種飼料的質量檢測成為了關鍵一環(huán)。然而，原來那種單一的、低效的、低精度的檢測稱重方法已過時。大多企業(yè)采用的在線稱重系統(tǒng)均為國外產品，我國自主研制的自動在線稱重系統(tǒng)較少，在準確度和速度上也難以滿足用戶的需求，所以目前國內亟需要研制出一套屬于自己的能夠滿足用戶需求的飼料在線稱重系統(tǒng)。

糧食含雜率及容積密度是檢測糧食品質的主要技術指標。不僅決定了糧食的等級和價格，還會直接影響其加工品質和食用品質?！禛B/T 5494—2008糧油檢驗糧食、油料的雜質、不完善粒檢驗》和《GB/T 5498糧食、油料檢驗容重測定法》中規(guī)定稱重的精度要達到0.1 g，為了使糧食含雜率及容積密度測量儀器整體的性能達到國標要求。飼料稱重單元的機電系統(tǒng)設計，是一種能適應生產流水線的動態(tài)、快速的微量稱重檢測技術。應用該技術的系統(tǒng)能將充填好的依次進行快速稱重，剔除不合格的，并對其進行統(tǒng)計，這樣可以及時地反饋充填效果，按需要對飼料充填機做出調整。對于在線檢測飼料單個重量合格與否的設備，該技術是提高飼料稱重體系質量的主要手段之一。

飼料在線動態(tài)的稱重檢測設備，我國與國外的差距較大。國內對本課題的研究許多停留在理論階段，研發(fā)出來的鳳毛麟角。而美國和德國的飼料工業(yè)領域都曾分別設計出了高速稱重及分揀系統(tǒng)。他們研制出來的系統(tǒng)的精度和速度都很高。其中，精度能達到絕對誤差不超過1 mg，速度很快，并且操作方便，易于維護，但他們的產品在中國的銷售價格昂貴，這對于我國的飼料工業(yè)現(xiàn)狀來說難以承擔。因而，加深生產線中飼料的快速動態(tài)稱重系統(tǒng)的研究迫在眉睫。

1 稱重系統(tǒng)介紹

1.1 輸送要求

系統(tǒng)目前設計生產線中飼料稱重單元系統(tǒng)，既是獨立的一個稱重設備。因此是需要飼料從設計好的輸送通道依次輸送到稱重臺上，經過稱重檢測后，傳感器辨識合格與不合格的飼料，然后再送所設計的輸送通道送出飼料。輸送過程中要保證飼料對稱重平臺的沖擊力最小，以免過大的沖擊力使最后的測量結果失真。為了達到這種要求，水平傳動因比垂直傳動更有優(yōu)勢。

1.2 稱重要求

在實際的生產線中，根據現(xiàn)有的充填機工作性能，其最高生產效率一般為1 200 g/min。

由此，方案必須選擇多通道稱重檢測，但基于客觀條件限制很難實現(xiàn)，固本文采用單通道方案進行研究。若方案成功，在生產線中可向多通道形式推廣。

1.3 控制要求

飼料稱重結束后，其數(shù)據要送入上位控制計算機中進行軟件統(tǒng)計分析處理，并能將處理的結果實時直觀地呈現(xiàn)出來。

2 設計原理

根據系統(tǒng)功能要求，由系統(tǒng)控制計算機控制送料單元、稱重單元、剔廢單元、動力源等四個功能單元。

2.1 系統(tǒng)控制主機單元

系統(tǒng)控制計算機單元由ARM、觸摸顯示屏、數(shù)據傳輸和信號控制線等組成。計算機控制系統(tǒng)是利用計算機(通常成為工業(yè)控制計算機，簡稱工控機)來實現(xiàn)生產過程的自動控制系統(tǒng)。從本質上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟：

①實時數(shù)據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

②實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③實時控制輸出：根據控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。在計算機控制系統(tǒng)中，運行過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；運行過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。本系統(tǒng)要求對稱重為實時在線。

2.2 輸送單元

該單元僅由稱重傳送盤完成。

2.3 稱重單元

該單元由稱重傳感器和清洗噴嘴組成。

稱重傳感器：當輸送輪將由滑槽滑至到稱重傳感器的稱重平臺上，即開始稱重。每粒的稱重時間要求為300 ms左右。稱重完畢后傳感器將數(shù)據傳給計算機控制主機，并發(fā)出剔廢信號。

清洗噴嘴：由于在充填完成后，會沾上少許飼料雜塵，這些飼料雜塵積聚到稱重平臺上，會影響稱重的準確度。因此，清洗噴嘴的功能就是用壓縮空氣將殘留飼料雜塵從稱重臺上吹去。

2.4 剔廢單元

該單元由剔廢分離單元、廢回收單元組成。

剔廢分離：若經稱重檢測，發(fā)現(xiàn)重量不合格，則傳感器會發(fā)出信號，十字撥桿將順時針轉動90度，會從平臺上設置的漏口下落，進入回收桶中。若重量合格，傳感器同樣發(fā)出信號，十字撥桿逆時針旋轉90度，從另一個漏口下落，進入合格桶。

廢料回收：收集不合格，便于集中回收飼料雜塵。

2.5 動力單元

該單元由電動機及其配套驅動器組成。

電動機：負責帶動撥桿的旋轉，可以根據工作需要調整轉速。

在飼料稱重單元系統(tǒng)中，飼料的輸送過程是最為重要的，這個也是本次設計的最為核心的一部分。為了保證飼料稱重的快速性和準確性，要求飼料的輸送必須具有連續(xù)性，而且輸送的過程中具有較少的震動沖擊。

3 系統(tǒng)簡介

圖1 系統(tǒng)圖片

3.1 系統(tǒng)功能簡介(見圖2、圖3)

3.2 系統(tǒng)關鍵技術

軟件部分系統(tǒng)控制計算機單元由ARM、觸摸顯示屏、數(shù)據傳輸和信號控制線等組成。計算機控制系統(tǒng)是利用計算機(通常成為工業(yè)控制計算機，簡稱工控機)來實現(xiàn)生產過程的自動控制系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)功能圖解

圖3 系統(tǒng)結構框圖

圖4 主體結構設計

機械主體結構由稱料托盤、送料漏斗、傳送盤、分料盤和稱重平臺組成（見圖4），其運動原理，飼料從漏斗運送過來。傳送盤每次取一粒進行連續(xù)傳送，每次60度運轉，傳送過程中，飼料到達稱料平臺時進行飼料的稱量。稱量后其質量值返回給ARM處理核心，ARM判斷其是否合格，傳送盤把飼料投下，同時分料盤運轉把飼料按照其合格與否區(qū)分開來。其信號傳送過程如圖5。

圖5 程序流程

圖6 多通道高效實現(xiàn)方案

4 稱重杠桿平衡傳感器初步設計

本系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，可提高平衡控制系統(tǒng)的精度和速度。光電流傳感器輸出的信號經過放大、PID 調節(jié)之后與固定的鋸齒波進行比較，得到一調寬脈沖信號，控制恒流源開關，像繼電器一樣，使線圈電流增大或減小，電磁力也增大或減小并與被測物重力相等而達到新的平衡狀態(tài)。此閉環(huán)控制過程是一個動態(tài)調節(jié)和不斷檢測的過程，只要通上電，整個傳感器就一直處在不斷調整、不斷達到平衡的動態(tài)過程。

本次系統(tǒng)設計的目的是通過電磁力平衡傳感器采集經過輸送帶的物體質量，并判斷產品是否符合定量包裝商品凈含量標準要求，將不合格產品進行剔除，同時將采集到的數(shù)據實時保存、分析。

圖7 傳感器工作流程

重難點如下：如圖8，傳感器的杠桿摩擦不但會減小調節(jié)速度，還會影響測量精度，采用尖銳角支撐的方式比使用滾珠軸承所產生的運動阻尼小得多；掛座、內支撐桿與平衡杠桿形成了一個平行四邊形，這是為了保證杠桿偏離時掛座的垂直位置，保證稀土磁鐵不偏離，進而保證通電導體受到的磁場作用不因磁鐵扭轉發(fā)生變化，影響本控制系統(tǒng)的線性平衡關系，更易調節(jié)。

稱重平臺在傳感器的平衡杠桿一端。外殼起到支撐作用，稱重掛鉤也可稱重用，光耦與外殼之間螺栓連接 M3有效螺紋長度 4 mm。杠杠的尖銳鋒面與圓面接觸放置，在重力面起到作用。

圖8 傳感器仿真裝配

[1] 周鵬,王啟增,毛文華,等.基于PIC18F4580的糧食稱重系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2011,19(12):175-177,180.

[2] 熊茂華.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)應用[M].清華大學出版社,2008:1-386.

[3] 周立功.ARM嵌入式MiniGUI初步與應用開發(fā)范例[M].北京航空航天大學出版社,2008:1-266.

[4] 姚永剛,盧家成,郝文思,等.提高定量包裝稱重準確度的措施[J].計量技術,2004(7):32-33.

[5] 王書鶴,林含.提高動態(tài)配料精度和速度的研究與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2004,25(6):46-48.