新型智能组合秤称重系统

张春友 吴晓强

(内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古 通辽 028000)

新型智能组合秤称重系统

张春友 吴晓强

(内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古 通辽 028000)

针对传统组合秤称重系统在称重不均匀物料时存在精度较低、时效性较差的问题，提出了一款新型智能组合秤称重系统。该称重系统采用了多秤头组合、高精度的称重传感器以及高分辨率A/D转换器。设计的光电检测单元和振动机构大大提高了动态不均匀颗粒称重的精度；利用快速数字滤波算法,极大改善了测量速度。仿真数据和试验表明，该称重系统的设计有效地适应了不均匀物料的称重过程，有效地提高了称重的精度和时效性，满足生产实际的需要。

称重系统 组合秤 不均匀物料 称重传感器 高分辨率A/D转换器 数字滤波

0 引言

近年来，科技的飞速发展带动了工业生产的快速发展，中小定量包装等食品行业对组合秤称重系统的需求量越来越大[1]。传统的单体称量包装秤存在抗干扰能力差、包装速度慢、包装计量精度不高、功耗大等弊病[2-3]，而且对于单重不一或者不均匀物料时，单体称量包装秤不能精确测量物料的质量，造成不合格率的升高。随着计算机技术和微电子技术的发展，关于这方面的称重系统的研究越来越多，而具有配料精确、可靠性强、抗干扰能力强的自动称重系统能更好地解决这些问题，并明显提高生产效率和经济效益。

1 系统设计

称重系统硬件由中央处理单元、振动控制、气缸控制、数据采集和人机界面五部分组成。其中，数据采集部分包括信号调理部分和A/D转换部分；气缸调节控制部分由调节控制电路和气缸电动阀组成。称重系统硬件结构框图如图1所示。

图1 称重系统硬件结构框图

1.1 中央处理单元

中央处理单元采用32位ARM处理器，是整个称重系统的控制和数据采集中枢。中央处理单元通过与各个检测部分和执行机构的信息交互，以及人机界面的通信程序，振动电机采用PWM控制程序、气缸调节控制程序、A/D转换及计算程序，实现了整个称重系统的智能控制。中央处理单元通过对光电开关的检测，实时监测物料的情况，并根据振动电机的幅度调节，保证备料斗的物料充足；通过称重传感器转换质量，由信号调理及A/D转换成电压信号；电压信号经中央处理单元计算，转换成数字量，最后显示在人机界面上。

1.2 振动控制

系统采用了无触点的光电检测开关来控制振动给料器。当光电检测开关检测到线振盘里物料没有或不够时，向中央处理单元发出加料信号，中央处理单元向物料输送机发出加料信号，直到光电检测开关测出有物料为止。然后启动振动电机，调节合适的振幅和振动时间，将物料送到每个备料斗中。

1.3 气缸控制

气缸控制部分实现气动伸缩气杆工作。打开备料斗斗门，将物料送到称重斗中，由中央处理单元实现智能控制，完成何时需要打开或者关闭气缸电动阀，使系统精确地完成一次称重过程。

当称重斗没有物料或者物料不够时，中央处理单元发出添加物料的信号，这时控制电路会一边打开气缸电动阀，一边接收电动阀反馈回来的开度信号。中央处理单元也一直检测称重斗中的物料质量，避免物料过多而导致质量超过所需要的数值。

1.4 数据采集

在称重斗中，物料通过称重传感器产生质量信号，再通过引线传送到控制设备的主板上。中央处理单元读取并记录每个称重斗的质量，再通过计算、分析、组合，筛选出最接近目标质量的组合称重斗。当接收到包装机发送的请求放料信号时，中央处理单元发出信号，启动称重斗电机驱动器，打开被选中的称重斗，把产品卸到卸料斗中，从而进入包装机。

考虑到电磁振动器线圈产生的电磁场会对A/D采样有影响，当称重传感器把物料质量传送到信号调理电路中时，对A/D采样模块增加屏蔽体进行磁场屏蔽[4]。之后经过放大、滤波等一系列程序，再由A/D转换成中央处理单元可识别的数字量，由处理单元进行中位值平均滤波法[5]，剔除最大值和最小值，最后求出平均值作为最终采样值。数据采集流程图如图2所示。

图2 数据采集流程图

1.5 人机界面

本称重系统采用带触摸的液晶屏，用自带软件开发了人性化的操作界面。通过触摸屏幕能够实现对称重系统所有功能的操作以及振动电机的幅度调试。通过触摸屏幕，操作人员可在信息栏上看到每次称重的时间和质量，操作简便。

受外界环境影响以及自身条件限制，系统采用的应变式称重传感器的输入-输出呈现非线性[6]，因此需要对传感器进行标定及校正。在传感器托盘上依次放上标定质量值的砝码，同时质量显示在屏幕的信息栏。根据与标定质量值的偏差，将偏差值输入到初始标定对应的文本栏里，经过逆模型校正后，系统进行校正换算，完成标定过程。

2 称重系统的外观结构

智能称重系统采用振动给料式设计[7]，具备大储料斗、组合秤、振动机构、光电检测的特点，能够实现各种物料大小不均匀的称重方式，并具有精准的称重效果。该称重系统长84 cm，高124 cm，宽65 cm；采用的是光电检测物料；下面装有带振动电机的振动盘，两边设计有防护栏，防止物料掉出去；中部采用的是四头组合秤的原理，每头秤的量程为2 kg；安放了4个备料斗。物料经过备料斗流向4个秤盘，进行精准计算，经过卸料气杆，将物料推到卸料斗，最后进行打包。

2.1 振动系统

振动部分实现称重系统的振动机能，由中央处理单元实现智能控制，完成称重系统的给料功能。振动机结构如图3所示。

图3 振动机结构图

此振动系统是在电动机的转轴上装上一个助键，在电机快速转动下，引起强烈振动。振动电机装置托盘与振动给料盘采用焊接方式固定。在弹簧塑料软套筒内装弹簧，既可以支撑振动盘，也可以加强振动效果。

2.2 备料与称重机构

物料由振动盘进入备料斗，在秤盘空闲的情况下，备料斗阀门气杆打开备料斗阀门[8]，物料放进4个秤盘进行称重，信号传输到中央处理单元进行计算、组合。待组合完成后，卸料气杆将物料推进卸料斗内，完成一回程序。在称重过程中，启动振动机构，将物料送到备料斗，等待下一次循环，加快速度。为防止物料超出压力传感器的量程，在秤盘上装加秤盘防过压脚[9-10]，保护压力传感器。

3 试验结果

通过对组合秤称重系统的不均匀称重数据的测量与分析，采集称重单元的实际质量并利用Matlab对数据进行仿真，精确度均为0.5‰。称重试验的标准质量和对应的实际称量结果如表1所示。

表1 0～1 200 g物料称重试验表

根据以上数据建立一种合适的标准质量与实际称重质量的关系，得到两者之间的拟合曲线，从而实现数据的标定变换。通过测试，无论在均匀的物料还是不均匀的物料中，标准质量与实际称重质量都具有很好的线性关系。

4 结束语

经试验测试，该称重系统计量准确，光电检测物料灵敏，下料量振动调节反应速度快，称重精度达到预期要求。该称重系统可以提高小型食品包装厂家生产效率，提升经济效益；对于一些称重不均匀、速率慢等领域的自动化称重系统的开发设计具有参考价值。

[1] 权小青.我国智能组合秤市场发展分析[J].衡器，2012,41(12)：1-3.

[2] 叶志刚.影响移动定量包装精度的因素及对策[J].石油化工自动化，2013,49(6)：72-74.

[3] 张丽妹，高占宝，尹志兵.基于等效系统的动态称重数据处理[J].测控技术，2013,32(6):33-35.

[4] 谢光辉.电子皮带秤计量误差的动态分析[J].计量与测试技术，2010,37(4):31-32.

[5] 吴壮，黄宁，钟官寿，等.动态配料称重控制系统的设计和实现[J].电脑知识与技术：学术交流，2010(10):8125-8126.

[6] 景婧.应变式称重传感器的非线性校正[J].计算机应用研究，2013,30(1):189-191.

[7] 马蕾，田怀文.一种自动计量装置设计研究[J].机械设计与制造，2013(6):21-23.

[8] 李永伟，朱婧菲，刘占阳，等.连续输送物料计量称重系统的设计[J].河北科技大学学报，2013,34(3):213-216.

[9] 王伟强，潘刚.动态称重系统信号处理与自适应补偿设计[J].传感器与微系统，2010,29(7):69-71.

[10]王小磊，黄刚，席建中.皮带秤称重传感器振动能吸收装置的研究与开发[J].自动化仪表，2013,34(8):84-85.

New Intelligent Weighing System with Combination Scales

To against the shortcomings of traditional weighing system based on combination scales, e.g., low weighing accuracy for inhomogeneous materials, and poor timeliness, the new intelligent weighing system with combination scales is proposed. This weighing system is composed of multi-scales combination, high precision weighing sensors and high resolution A/D converter. In addition, the photoelectric detection unit and the vibrating mechanism are designed; the dynamic weighing accuracy for inhomogeneous granules is enhanced greatly, the measurement speed is improved significantly by adopting digital filtering algorithm. The simulation data and tests indicate that the design effectively adapts the weighing process of inhomogeneous materials, and increases the weighing accuracy and timeliness, to satisfy the demands for practical production.

Weighing system Combination scales Inhomogeneous materials Weighing sensor High-resolution A/D converter Data filtering

国家自然科学基金资助项目(编号：11202078)。

张春友(1980-)，男，2008年毕业于内蒙古农业大学机械设计专业，获硕士学位，讲师；主要从事机电一体化的研究。

TH138

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504023

修改稿收到日期：2014-06-26。