陳富安,李攀峰,蘇寶平

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州 450007)

顆粒食品定量分裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳富安,李攀峰,蘇寶平

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州 450007)

根據(jù)市場對(duì)顆粒食品分裝精度和分裝速度的要求,提出了粗、精兩級(jí)定量并行工作,流水式分裝的設(shè)計(jì)思想,并以 C8051F350單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了顆粒食品定量分裝機(jī)控制系統(tǒng).系統(tǒng)利用單片機(jī)內(nèi)部高精度A/D轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)了稱重信號(hào)的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集;采用單片機(jī)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻,從而準(zhǔn)確控制電磁振動(dòng)給料器的振幅和振動(dòng)次數(shù),使給料均勻、準(zhǔn)確;采用多道程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了粗、精定量并行執(zhí)行,流水式作業(yè),既保障了定量精度又提高了分裝速度.系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試和生產(chǎn)試驗(yàn),運(yùn)行穩(wěn)定可靠,取得了良好的應(yīng)用效果.

顆粒食品;定量分裝;C8051F350;振動(dòng)控制器

0 前言

定量分裝是食品生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),定量精度和分裝速度直接影響企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,以往采用的人工稱量、手工分裝的方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求,市場迫切需要?jiǎng)討B(tài)稱重、自動(dòng)定量的分裝機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)食品分裝生產(chǎn)過程的自動(dòng)化.

經(jīng)過近幾年的發(fā)展,我國的食品分裝技術(shù)取得了很大的進(jìn)步,出現(xiàn)了很多專門生產(chǎn)分裝機(jī)產(chǎn)品的企業(yè),研制生產(chǎn)了一系列分裝機(jī)產(chǎn)品,但產(chǎn)品質(zhì)量和性能還不夠理想.尤其是在顆粒食品的分裝方面,目前的分裝速度和定量精度與市場要求還有一定差距[1].為此,筆者設(shè)計(jì)了振動(dòng)給料、動(dòng)態(tài)稱重自動(dòng)定量的顆粒食品定量分裝機(jī)控制系統(tǒng),取得了較為理想的效果.

1 顆粒食品定量分裝機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝分析

1.1 顆粒食品定量分裝機(jī)組成結(jié)構(gòu)

顆粒食品定量分裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1所示,由儲(chǔ)料倉、振動(dòng)式給料槽、稱重斗、下料倉等幾部分組成.其中,儲(chǔ)料倉用來存放待分裝的顆粒類食品,給料槽在振動(dòng)電磁鐵的帶動(dòng)下向稱重斗加料,稱重斗固定在稱重傳感器上,實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒食品的動(dòng)態(tài)稱重,下料倉用來匯集稱重斗放出的物料,方便用食品包裝袋接料.

圖1 顆粒食品定量分裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為提高分裝速度和定量精度,本設(shè)計(jì)采用粗、精兩套給料、稱重定量機(jī)構(gòu).其中,粗定量的給料槽寬,料層厚,振動(dòng)幅度大,每個(gè)振動(dòng)脈沖給料量為 10～15 g,稱重斗容積也較大,用來完成 90%以上的稱重定量;精定量的給料槽窄,料層薄,振動(dòng)幅度小,每個(gè)振動(dòng)脈沖給料量為 0.2～0.5 g,稱重斗容積也較小,用來完成每袋粗定量后剩余量(20～30 g)的精確定量.

1.2 流水式定量分裝工作過程

一般的定量分裝過程分為“粗給料、粗稱重、精給料、精稱重”4個(gè)節(jié)拍,順序執(zhí)行 4個(gè)節(jié)拍,分裝速度低,精給料量不易控制,定量精度有限.如果用兩套機(jī)構(gòu)并行工作[2],每套機(jī)構(gòu)順序執(zhí)行 4個(gè)節(jié)拍,分裝速度將明顯提高,但是由于料槽寬度固定,單次振動(dòng)加料量較大,定量精度仍無法保證.因此,本設(shè)計(jì)采用兩套機(jī)構(gòu)并行工作,每套機(jī)構(gòu)僅執(zhí)行 2個(gè)節(jié)拍的方案.粗定量機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)前 2個(gè)節(jié)拍,料槽寬,速度快;精定量機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)后 2個(gè)節(jié)拍,料槽窄,精度高.在進(jìn)行本袋“精定量”的同時(shí),開始下一袋的“粗定量”,兩套機(jī)構(gòu)流水式作業(yè),既提高了分裝速度,又保證了定量精度.

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求,顆粒食品定量分裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示.系統(tǒng)采用雙 CPU結(jié)構(gòu),主 CPU主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的 LCD顯示、對(duì)從機(jī)的管理和通信、粗定量的給料與稱重等控制任務(wù);從CPU主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的鍵盤管理、精定量的給料與稱重等控制任務(wù).主從 CPU之間,通過串行通信的方式交換信息,協(xié)調(diào)工作.

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 單片機(jī)的選擇與稱重?cái)?shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)分裝范圍的要求,本系統(tǒng)選用量程為 3 kg的 L6C型鋁合金電阻應(yīng)變式稱重傳感器,其靈敏度為 2 mV/V,精度為 0.02%F.S..當(dāng)采用 5 V電源供電時(shí),滿量程輸出為 10 mV,最小分辨率為3μV.為采集如此微弱的信號(hào),選用了美國 Silicon Labs生產(chǎn)的 C8051F350型高性能 8位單片機(jī)[3].

C8051F350單片機(jī)是一種混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片,其內(nèi)核兼容 8051,內(nèi)含一個(gè)極低噪聲的可編程增益放大器 (PGA)和一個(gè) 24位的△-∑型A/D轉(zhuǎn)換器.該單片機(jī)內(nèi)含的 PGA放大器的增益可達(dá) 128倍,24位的 A/D轉(zhuǎn)換器在 10SPS(Sample Per Second)時(shí)可以取得 1/100 000的分辨率,并具有在片校準(zhǔn)功能,自帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓.選擇C8051F350作為本系統(tǒng)的 CPU,可以充分利用其內(nèi)部的信號(hào)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器功能,從而省去外加專用 A/D轉(zhuǎn)換芯片,有效降低噪聲干擾,降低開發(fā)成本,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.稱重傳感器與單片機(jī)的接口電路如圖 3所示.傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過濾波電路,消除信號(hào)中的串模、共模干擾以及高頻干擾后進(jìn)入單片機(jī)的模擬輸入端,進(jìn)行信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換[4].

圖3 稱重傳感器與 C8051F350接口電路

此外,為了縮短 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間,提高數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性,以及為滿足系統(tǒng)對(duì) I/O端口數(shù)量的要求,本系統(tǒng)采用了雙 CPU結(jié)構(gòu).用兩個(gè)C8051F350芯片分別對(duì)兩路稱重傳感器信號(hào)同時(shí)進(jìn)行放大和 A/D轉(zhuǎn)換,使稱重?cái)?shù)據(jù)采集更加穩(wěn)定、快速.

2.2 振動(dòng)控制器電路

給料槽由兩個(gè)板彈簧支撐,在其中一個(gè)板彈簧上安裝有電磁鐵的銜鐵,電磁鐵的鐵心及線圈固定在機(jī)架上,給電磁鐵線圈施加脈動(dòng)電壓,電磁鐵產(chǎn)生脈動(dòng)電磁吸力,通過銜鐵帶動(dòng)給料槽作往復(fù)振動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)顆粒類食品的振動(dòng)式給料[5].調(diào)節(jié)線圈上電壓的大小,可控制給料槽的振動(dòng)幅度,從而調(diào)節(jié)給料快慢.

為控制給料槽的振動(dòng)幅度和振動(dòng)次數(shù),設(shè)計(jì)了如圖 4所示的振動(dòng)控制器電路.電路采用 220 V交流 50 Hz電源供電,由晶閘管 VT1實(shí)現(xiàn)單向半波可控整流,輸出 50 Hz脈動(dòng)電壓,向電磁鐵線圈供電.通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻 t1,改變晶閘管導(dǎo)通角θ,即可調(diào)節(jié)加到電磁鐵線圈上的電壓,進(jìn)而改變電磁吸力的大小,從而調(diào)節(jié)給料槽的振幅,電壓波形如圖 5所示.

圖 4中 R1、R2、VD1、U1、U2構(gòu)成過零檢測電路,220 V電源電壓經(jīng)過 R1降壓后加到電壓比較器U1(LM393)的輸入端,U1輸出脈沖經(jīng)過光耦U2隔離后加到單片機(jī)的 P0.0(I NT0)端.這樣,在交流電每周期的正半周開始,P0.0端脈沖信號(hào)下降沿引起單片機(jī) I NT0中斷,單片機(jī)中斷服務(wù)程序開始定時(shí),定時(shí) t1時(shí)間后在 P0.1端輸出低電平,經(jīng)過光耦 U3隔離后接通晶閘管 VT1的門極觸發(fā)電路,由 R4和 C3向晶閘管提供觸發(fā)電流,晶閘管導(dǎo)通.

此外,圖 4中 C1和 R3串聯(lián)降壓,由 VD2、VD3整流,經(jīng)過 V1穩(wěn)壓后獲得 6 V直流穩(wěn)定電壓,為過零檢測和觸發(fā)電路提供電源.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用雙 CPU結(jié)構(gòu),兩個(gè) CPU分別執(zhí)行各自的控制程序,通過串行通信交換信息,協(xié)調(diào)配和完成定量分裝控制任務(wù).

3.1 主程序流程

主程序流程如圖 6所示.系統(tǒng)上電后,兩個(gè)CPU首先執(zhí)行各自的初始化程序,然后進(jìn)入主循環(huán).其中,主 CPU的初始化程序包括初始化 LCD顯示器、裝載系統(tǒng)參數(shù)、初始化 PGA和 A/D轉(zhuǎn)換器、初始化定時(shí)器和外部中斷、預(yù)置各個(gè)標(biāo)志和變量、啟動(dòng)粗稱重 A/D轉(zhuǎn)換等;從 CPU的初始化程序包括初始化 PGA和 A/D轉(zhuǎn)換器、初始化定時(shí)器和外部中斷、啟動(dòng)粗稱重 A/D轉(zhuǎn)換等.

在主 CPU的主循環(huán)程序中,首先執(zhí)行通信程序,與從 CPU交換信息,然后讀取開關(guān)狀態(tài)并采集粗稱重?cái)?shù)據(jù),在 LCD上顯示粗稱重?cái)?shù)據(jù)、精稱重?cái)?shù)據(jù)和總重量等信息;最后,根據(jù)工作方式選擇執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定程序或粗定量程序.從 CPU的主循環(huán)程序中,通過執(zhí)行通信程序,與主 CPU交換信息,然后讀取按鍵和開關(guān)狀態(tài),并采集精稱重?cái)?shù)據(jù);如果工作方式為運(yùn)行狀態(tài),則執(zhí)行精定量程序.

3.2 定量程序流程

為實(shí)現(xiàn)粗定量和精定量的并行執(zhí)行,流水線作業(yè),設(shè)計(jì)定量子程序如圖 7所示.兩個(gè)子程序通過對(duì)“粗定量結(jié)束”、“精定量結(jié)束”標(biāo)志的置位和清零,實(shí)現(xiàn)了粗、精兩個(gè)并行子程序的互鎖與同步.

在圖 7(a)所示的粗定量子程序中,當(dāng)?shù)?n袋粗給料到達(dá)預(yù)定值后,粗給料停止,通過“精定量結(jié)束”標(biāo)志判斷第 n-1袋精定量是否結(jié)束,如果結(jié)束則說明第 n-1袋分裝已經(jīng)結(jié)束,可進(jìn)行第 n袋分裝的粗定量放料,然后啟動(dòng)第 n+1袋粗定量加料.

在圖 7(b)所示的精定量子程序中,當(dāng)精給料到達(dá)預(yù)定值后,精給料停止,進(jìn)行第 n袋精定量放料;通過“粗定量結(jié)束”標(biāo)志判斷第 n+1袋粗定量是否結(jié)束,如果結(jié)束則啟動(dòng)第 n+1袋精定量加料.

圖7 定量程度流程圖

3.3 定量作業(yè)時(shí)序

兩個(gè)子程序的流水線式作業(yè)時(shí)序如圖 8所示,在進(jìn)行第 n袋余量的慢加料、精定量的同時(shí)進(jìn)行著第 n+1袋的快加料、粗定量.

圖8 流水線式定量分裝時(shí)序圖

本設(shè)計(jì)中電磁鐵的振動(dòng)頻率 f=50 Hz,周期T=0.02 s,振幅隨設(shè)定分裝重量不同而不同,設(shè)定重量大則振幅大,否則振幅小.大振幅時(shí),粗給料每個(gè)振動(dòng)周期 (一次振動(dòng))給料量為WC=15 g,精給料每個(gè)振動(dòng)周期給料量為WJ=0.5 g;小振幅時(shí),粗給料每個(gè)振動(dòng)周期給料量為WC=10 g,精給料每個(gè)振動(dòng)周期給料量為WJ=0.2 g;分裝范圍 50～2 000 g.

當(dāng)設(shè)定重量為W=2 000 g時(shí),粗定量預(yù)定值W1=1 970 g,精定量預(yù)定值W2=30 g,則粗定量周期 TC精定量周期 TJ分別為:

由于系統(tǒng)采用流水線作業(yè),粗定量和精定量在時(shí)間上重疊進(jìn)行,所以總的定量周期 TD應(yīng)取TC、TJ之最大值與開門時(shí)間 (取 0.2 s)之和,即

TD=max(Tc,Tj)+0.02 s=2.9 s.

由此推得分裝速度下限為 20袋 /min.同理,當(dāng)設(shè)定重量 W=50 g時(shí),粗定量預(yù)定值 W1=30 g,精定量預(yù)定值W2=20 g,此時(shí)電磁鐵以較小的幅度振動(dòng),則可算出此時(shí)的粗定量周期 TC=0.1 s,精定量周期 TJ=1 s,由此推得分裝速度上限為 50袋 /min.由此可以看出,由于采用粗定量和精定量并行的程序設(shè)計(jì),分裝周期短,分裝速度高.

4 結(jié)論

為滿足市場對(duì)顆粒定量分裝機(jī)定量精度和分裝速度的要求,設(shè)計(jì)了顆粒食品定量分裝機(jī)控制系統(tǒng).系統(tǒng)采用兩片 C8051F350單片機(jī)構(gòu)成雙CPU結(jié)構(gòu),利用 C8051F350內(nèi)部信號(hào)放大器和 24位的△-∑型 A/D轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱稱重信號(hào)的放大和數(shù)據(jù)采集,有效降低了零點(diǎn)漂移和噪聲干擾;用電阻降壓和 LM393比較器構(gòu)成正弦波信號(hào)的精密過零檢測電路,采用單片機(jī)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻,從而準(zhǔn)確控制電磁振動(dòng)器的振動(dòng)幅度和振動(dòng)次數(shù),保障了給料的均勻性和準(zhǔn)確性,為實(shí)現(xiàn)精確定量奠定了基礎(chǔ);采用粗精兩級(jí)定量并行工作、流水線作業(yè)的方式,有效提高了分裝速度.經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)試和生產(chǎn)試驗(yàn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,定量精度 ±1 g,分裝速度 20～50袋 /min,應(yīng)用效果良好.

[1] 孫兵.國產(chǎn)顆粒袋包裝機(jī)與進(jìn)口袋包裝機(jī)的比較 [J].中國制藥裝備,2008(4):44-46.

[2] 佘勃,宋迎法,袁夢(mèng),等.包裝機(jī)混合式自動(dòng)定量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2008,29(8):74-76.

[3] Silicon Lab C8051F350 Data Sheet[Z].2007:62-64.

[4] 李樂,程剛.C8051F350高精度數(shù)字稱重模塊中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(3):115-117.

[5] 張鳳濱,王健.淺析高精度自動(dòng)稱重系統(tǒng)在包裝機(jī)中的應(yīng)用 [J].衡器,2009,38(6):8-14.

DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF QUANTITATI VE GRANULAR FOOD PACKER

CHEN Fu-an,L I Pan-feng,SU Bao-ping
(School of Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450007,China)

To meet the demand for high packing precision and packing speed for granular food,the article proposed the idea of parallel operation of coarse quantitative packing and fine quantitative packing and the idea of assembly-line packing operation,and designed the control system of a quantitative granular food packer by use of a C8051F350 singlechip as the kernel.The system could achieveweighing signal conversion and data acquisition by high-accuracy 24-bitA/D converters in the singlechip;the singlechip was used to control the conduction time of a thyristor so as to accurately control the amplitude and the vibration frequency of an electromagnetic vibration feeder,thereby achieving unifor m and accurate feeding;and the article adopted the multiprogramming design to achieve parallel operation of coarse quantitative packing and fine quantitative packing as well as the assembly-line operation,which ensured the quantitative precision and improved the packing speed.After installation,debugging,production and tests,it was proved that the system was stable and reliable in operation and had good application effect.

granular food;quantitative packing;C8051F350;electromagnetic vibrator

TS203

B

1673-2383(2010)05-0081-05

2010-06-28

陳富安 (1962-),男,河南西平人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制方面的教學(xué)和科研工作.