吉永林

(杭州中亞機(jī)械股份有限公司， 浙江 杭州 310011)

隨著無菌灌裝系統(tǒng)在乳品、飲料和制藥等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，使得控制灌裝量的傳統(tǒng)定容積方法不再適合，而目前應(yīng)用較多的在線直接測量和控制流量的定量控制方法需要專業(yè)的流量計(jì)來滿足灌裝的特殊需求[1]55。在液體灌裝設(shè)備中，灌裝定量是通過電磁流量計(jì)來達(dá)到精確控制流量的目的[2]，灌裝精度是定量的關(guān)鍵點(diǎn)。傳統(tǒng)的控制方式采用PLC加高速計(jì)數(shù)器模塊實(shí)現(xiàn)，利用PLC的輸入、輸出口進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)以及對灌裝閥的控制。其缺點(diǎn)：①控制實(shí)時(shí)性差，PLC掃描刷新時(shí)間較長；②控制時(shí)效性差，導(dǎo)致多路灌裝閥控制不統(tǒng)一，影響灌裝精度；③灌裝效率低，PLC響應(yīng)時(shí)間較長，控制等待時(shí)間長；④可擴(kuò)展性差，如果需要同時(shí)控制多路灌裝閥灌裝，精度和效率會(huì)更低[3]。

為了解決上述問題，課題組研發(fā)了流量計(jì)定量灌裝專用控制器，即采用高速現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)進(jìn)行高速脈沖計(jì)數(shù)和灌裝閥控制，提高實(shí)時(shí)性以及控制精度。另外，利用ARMMCU的靈活性，解決與人機(jī)界面(HMI)配置和通信的問題，使控制器簡單易用。

1 方法原理

圖1所示為流量計(jì)灌裝系統(tǒng)示意圖。HMI主要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的讀取和顯示功能；控制器實(shí)現(xiàn)流量計(jì)信號采集、灌裝閥的控制以及與HMI的通信。

圖1 流量計(jì)灌裝系統(tǒng)示意圖Figure 1 Illustrative diagram of filling system with flowmeter

1.1 高速脈沖計(jì)數(shù)與灌裝閥控制

流量計(jì)信號的輸出為一個(gè)10 kHz的高頻信號，圖2所示為占空比為50%的方波(B為輸入的脈沖寬度；P為單個(gè)脈沖的間隔)。

用FPGA實(shí)現(xiàn)高速處理，進(jìn)行方波脈沖信號采集計(jì)數(shù)，從而計(jì)算經(jīng)過流量計(jì)的流量值。FPGA內(nèi)部程序并行執(zhí)行，理論上只要硬件資源足夠，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百路的脈沖計(jì)數(shù)。同樣輸出的IO對灌裝閥進(jìn)行控制，資源足夠的情況下，也可以完成多路灌裝閥的同時(shí)控制，并且相互獨(dú)立，互不干擾。

圖2 流量計(jì)方波信號Figure 2 Flowmeter square wave signal

1.2 HMI通信

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，干擾較多，選擇一個(gè)成熟穩(wěn)定的通信協(xié)議非常重要。經(jīng)過深入討論，最終確定用MODBUS RTU與HMI進(jìn)行通信。MODBUS RTU協(xié)議相對于其他協(xié)議，最大的優(yōu)勢在于提供高速網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，幀格式簡單、緊湊、通俗易懂，開發(fā)簡單，且用戶使用容易[4]。

2 實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)實(shí)際的情況，對于嵌入式硬件、嵌入式軟件以及HMI上位機(jī)的軟件，選用NXP公司的32 bit ARM芯片LPC系列，MicroSemi公司的A3P系列FPGA，HMI采用西門子的設(shè)備。

在現(xiàn)場的環(huán)境下，設(shè)備開啟之后，各種大功率電源會(huì)造成重大干擾。高速的脈沖信號容易受到干擾，導(dǎo)致毛刺增多，若不能濾除這種毛刺，計(jì)數(shù)器將無法準(zhǔn)確計(jì)算脈沖數(shù)而影響采集精度。解決該問題的辦法是通過硬件層面進(jìn)行隔離、濾波等處理，然后再進(jìn)行軟件濾波，保證計(jì)數(shù)器的信號是一個(gè)非常干凈的脈沖信號，從而保證采集精度，提高可靠性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)方面，對電源、信號以及通信采用全隔離的方法，并且在高速脈沖信號部分采用特殊濾波電路以盡可能去除環(huán)境對脈沖信號造成的影響。

電源采用金升陽VRB2405電源模塊，硬件采取了防電源反接措施，即使24 V電源接反，也不會(huì)造成短路引起控制器損壞。通信隔離采用致遠(yuǎn)電子的RSM485CHT高速RS485收發(fā)器模塊，能有效隔離外界干擾，穩(wěn)定可靠地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在脈沖輸入端，采用高速隔離的光耦，增加脈沖信號的抗干擾性。對于輸入及輸出部分，全部采用普通光耦進(jìn)行隔離。灌裝控制器原理設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 灌裝控制器原理框圖Figure 3 Principle block diagram for filling controller

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為HMI組態(tài)軟件、嵌入式MCU軟件以及高速FPGA軟件3個(gè)部分。設(shè)備控制系統(tǒng)在上位機(jī)內(nèi)裝有工業(yè)組態(tài)軟件，由該軟件組態(tài)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。該界面用VB編程，通過MODBUS RTU通信板和灌裝控制器通信，通信協(xié)議為自定義協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定灌裝量、快灌值、慢灌值、最大灌裝時(shí)間和最低流速等參數(shù)，且能夠?qū)崟r(shí)獲取和顯示灌裝量、灌裝時(shí)間及灌裝閥狀態(tài)等參數(shù)。

MCU軟件主要采用ARM公司的MDK開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的RTU數(shù)據(jù)的命令解析，參數(shù)配置以及本地存儲(chǔ)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)下發(fā)和回讀。遵循 MODBUS RTU協(xié)議的主機(jī)終端控制系統(tǒng)相互之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 為了保證數(shù)據(jù)在傳送過程中的正確無誤,必須引入差錯(cuò)檢查機(jī)制, 對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢驗(yàn)， CRC 就是常用的一種方法[5]。為了增加具體的控制模式，由上位機(jī)通過IO輸入來確認(rèn)，分別對應(yīng)自動(dòng)模式、調(diào)整模式和CIP模式，在不同模式下，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

FPGA軟件主要采用MicroSemi公司的Libero SOC IDE進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)據(jù)的濾波、計(jì)數(shù)，流量值比較以及灌裝閥狀態(tài)的控制。灌裝控制過程采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，對于大型電路來說，狀態(tài)機(jī)是一種理想選擇[6]。具體的軟件操作流程如圖4所示。

圖4 灌裝控制原理操作流程圖Figure 4 Principle operational flowchart for filling control

4 測試結(jié)果

課題組采用中亞機(jī)械A(chǔ)GF6型無菌灌裝閥、E+H公司的5BH12-VG3B1流量計(jì)和流量計(jì)專用控制器進(jìn)行了測試，并根據(jù)結(jié)果改進(jìn)及調(diào)試。

4.1 流量計(jì)和灌裝控制器之間的信號匹配及傳輸正常

脈沖信號22 VDC/0 V、脈沖當(dāng)量0.1 mL、脈沖寬度0.05 ms等參數(shù)均符合應(yīng)用要求。信號傳輸所造成的誤差可以忽略。

4.2 灌裝閥切換速度及氣壓波動(dòng)對灌裝誤差的影響

閥門在快速開啟或切換時(shí),會(huì)導(dǎo)致流體劇烈波動(dòng),即會(huì)引起閥門前后兩段壓差和阻力系數(shù)等變化[7],造成液體流速測量不穩(wěn)定。流速的波動(dòng)會(huì)造成灌裝量的波動(dòng)[1]58,影響灌裝精度；氣源氣壓不穩(wěn)定,直接影響灌裝閥開關(guān)速度,會(huì)導(dǎo)致灌裝量的一致性差。針對以上情況,通過增加壓縮空氣儲(chǔ)氣罐和增加穩(wěn)氣壓檢測及控制；調(diào)節(jié)灌裝閥排氣節(jié)流,使閥門開啟平穩(wěn)一致，減少對流體的沖擊,達(dá)到柔性灌裝的目的。

如圖5所示，未加處理的流量切換使流速在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，有明顯的流速震蕩；隨著時(shí)間的推移流速逐漸減小。如圖6所示，通過增加穩(wěn)氣壓檢測及控制和調(diào)節(jié)灌裝閥節(jié)流，緩慢開啟閥門可以減少對流速的沖擊。

圖5 未加處理的流量切換流速曲線Figure 5 Velocity curve of flow switching without intervention

圖6 調(diào)節(jié)灌裝閥節(jié)流后的流速曲線Figure 6 Velocity curve after filling valve throttling

4.3 灌裝閥內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及出口孔徑對灌裝精度的影響

通過改進(jìn)灌裝閥內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，如閥桿堵頭改為圓錐形，使流速更加平穩(wěn)，減少波動(dòng)。同時(shí)通過測試多種灌裝閥出口孔徑，發(fā)現(xiàn)10 mm孔徑產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖铚Ч?，流量曲線較穩(wěn)定。如圖7所示，通過改進(jìn)灌裝閥內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及其合適的出口孔徑，使灌裝流速達(dá)到理想效果。

圖7 調(diào)整閥桿位置后大流量轉(zhuǎn)小流量的流速曲線Figure 7 Velocity curve for changing from large-flow to small-flow after valve rod position adjustment

經(jīng)過軟件的優(yōu)化及機(jī)械的調(diào)整，測試結(jié)果顯示，隨著灌裝批次的增加，灌裝量控制呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期的效果。設(shè)定灌裝量為300 g時(shí)，實(shí)際灌裝量誤差小于±1.5 g，精度控制完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最終通過驗(yàn)收并批量生產(chǎn)。圖8所示為灌裝量測試曲線圖。

圖8 灌裝量測試曲線圖Figure 8 Test curve of filling volume

5 結(jié)語

課題組提出通過FPGA來進(jìn)行高速計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制灌裝閥的方法，實(shí)踐證明是可行的。該系統(tǒng)可以根據(jù)物料黏度和泡沫性，采用不同的灌裝模式，既可以通過多位氣缸控制灌裝閥實(shí)現(xiàn)小-大-小灌裝，又可以通過伺服電機(jī)控制灌裝閥桿實(shí)現(xiàn)柔性的曲線灌裝，還可以根據(jù)需要進(jìn)行多路的同時(shí)控制。實(shí)際使用過程中有40個(gè)頭同時(shí)灌裝，提高了生產(chǎn)的效率，并且穩(wěn)定可靠。根據(jù)客戶要求，灌裝量設(shè)定為300 g時(shí)，測試精度誤差小于±1.5 g，精度控制完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，灌裝系統(tǒng)最終通過驗(yàn)收并批量生產(chǎn)。經(jīng)過幾年的現(xiàn)場使用，證明灌裝系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的，給企業(yè)帶來了顯著的效益，得到客戶認(rèn)可。