阀口袋包装机的一种改进控制系统

阀口袋包装机的一种改进控制系统

An Improved Control System of the Air Valve Packer

居上江 阙沛文

（上海交通大学自动检测研究所，上海 200030）

摘 要分析了以51系列单片机为核心的阀口袋包装机的控制系统，该控制系统为了适应包装物料特性的变化，提出了一种改进的方案。该方案利用下游重量校准反馈并运用模糊控制过程，使包装速度和精度都有了一定的提高。

关键词阀口袋包装机测量误差自适应控制

Abstract This paper analyses the 51 series single-chip microprocessor based control system for the air valve packer. In order to adapt to the change of the material characteristic, an improved control system is presented. The control system improves the packing velocity and precision to a certain extent by feeding back from downstream weigh calibration and applying fuzzy control process.

Keywords Air valve packer Measurement error Adaptive control

0 引言

阀口袋包装机是为适应颗粒、粉粒混合物及片状物料而专门设计的毛重式包装机型。该机采用低压空气强制压送物料装袋，成功地解决了自流性差、密度小、微粒度等特性的粉末物料的自动计量包装，结构新颖合理，操作维护方便，在化工行业有较广泛的应用。

1 阀口袋包装机系统及其误差分析

阀口袋包装机由进料闸板阀、储料仓、物料充填装置（气动双速阀门控制）、机架、回风除尘装置、称量、翻袋装置以及称重控制柜等组成。

称重传感器的电压信号经过采集放大，与预先用可调电阻调好的信号进行比较，输出开关量信号，使包装进程结束，从而实现重量的控制。

称重传感器信号的输入、放大、比较、输出全部由控制电路板的模拟电路完成，此控制回路可视最小分辨值为0.1Lbs,约45g，其中影响包装精度的因素有：可调电阻的漂移；外部机械振动，不稳定的风压，气缸、阀门动作时的振动冲击；切断信号发出到电磁阀动作之间的延迟以及飞料在出料管中的残留；包装进程中物料特性的变化，例如堆积密度、粒径大小的变化。

2 控制对象的特点

根据以上分析,可以得出整个包装控制过程有以下特点：

① 控制对象的被控流向是不可逆的,所以输出结果不能通过超调量立即加以调节；

② 由于外部的机械振动和物料在下料过程中堆积密度的变化等,使被控过程具有时变和随机特性；

③ 被控对象的受控特性是开关性的,无法通过对中间过程的控制来调节输出流量。

为了避免欲使产品控制在规格内（25kg±250g）而将称重中心值调得偏高，同时又尽可

能缩短称量时间在下料过程中因堆积密度等特性变化时不用人工调节各种参数，所以要求改进控制系统使误差控制在0.2％以内。

3 改进后系统设计组成及特点

根据我公司的多年使用经验,对控制系统进行了改造，引入了下游电子皮带秤的反馈，克服了储料仓压力及物料变化带来的影响，保证了包装精度，且能够在保证包装精度的情况下尽可能减少包装时间，节约成本；增加了飞料吹扫控制，减少了物料残余袋口带来的计量误差和残料的损失；采用了称重模糊控制数学模型，使控制系统简化并能达到一般熟练操作工的正常操作水准,能够适应储料仓压力及物料变化及时调整包装的精度和时间。

3.1 系统的硬件组成

系统以51系列单片机为核心，主要由称重传感器、信号输入接口（放大、滤波）、A/D 转换、对话界面、串行接口反馈、存储器、卸料控制电路等组成，如图1所示。

图1 系统硬件组成框图

3.1.1 信号输入接口

为避免机械振动对称量造成的影响，必须采用滤波技术。硬件滤波可采用低通滤波；软件滤波时采集若干数据为一组，去掉最大最小值其余取均值作为有效测量数据，但需要考虑运算速度以及A/D转换的速度。

接口模拟电路须与数字电路分开布设（包括电源及地），以免数字电路的射频信号进入模拟输入信号端，还可以避免因数字电路频繁变化造成电源电压的变化对模拟电路及称重传感器激励电压的影响。

3.1.2 模数转换

考虑到系统精度要求，至少选用14位或以上转换芯片；根据系统对包装速度的要求芯片至少应有1千次/秒的高速数字处理能力。

3.1.3 存储单元

各种设定参数及系统运行时的重要参数均保留在E2PROM中，当系统重起后会自动从中读出预先设定的或上次设定的参数，从而实现掉电数据保护。

3.1.4 人机界面

LED显示器至少能显示设定称重值、实时称重值、粗卸料值等，操作人员可以通过输入装置（键盘等）实现归零、标准重量校正、重量输入等功能。

3.1.5 反馈回路

系统设置一个串行接口以接收下游皮带秤的称重数据，此数据是静态测得，准确度较高，但间隔时间较长。

3.1.6 卸料控制电路

控制粗、细进料以及飞料吹扫和自动翻袋等。信号输入输出须采取光电隔离。

3.2 系统软件设计

系统软件采用模块化设计方法，设计流程如图2所示。根据系统的功能要求主要由程序、称量模块、A/D 采集转换模块、显示子程序、键盘服务子程序、数据处理子程序、校准子程序、串口输入子程序及自动修正子程序等模块组成主。

整个下料过程基本上可以分为5个阶段：开始到粗进料的过渡阶段；粗进料的平稳阶段；阀门从粗进料阶段切换到细进料的过渡阶段,切换点A；细进料的稳定阶段；阀门切断,下料结束的过渡阶段，切换点B。

图2 系统软件设计流程图

为了保证控制精度,在下料阀门的第一个切换点A 后必须存在阶段④， 所以A 不能过于靠近B, 但也没必要离B 太远,否则会增加包装时间，在存在阶段④的前提下可以尽量短,否则会对精度影响太大。B 的选取非常重要，需要通过调节来补偿各种因素造成的误差。

3.2.1 数据处理模块

数据输入采用软件滤波，按照1ms 采集一个数据，8次为一个周期，对包装过程中的动态数据进行采样滤波。为了有效地获得包装过程中受冲击、振动影响的真实数据，在程序中引入了两个判断数据真伪的限制函数

01≥−−n n X X （1）