組合秤中分布式測(cè)控算法研究*

任偉志

(山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原 030027 )

0 引言

組合秤是一種先進(jìn)的定量分裝設(shè)備，現(xiàn)有的組合秤是通過(guò)一臺(tái)上位計(jì)算機(jī)集中通過(guò)RS485采集多個(gè)稱重單元中單片機(jī)采集的重量數(shù)據(jù)，在上位計(jì)算機(jī)集中進(jìn)行組合計(jì)算。由于組合計(jì)算量很大，因而要使用高級(jí)的計(jì)算機(jī)才能勝任。本文提出了減少組合計(jì)算量的方法，直接用多個(gè)稱重單元中的單片機(jī)進(jìn)行分布測(cè)量、多個(gè)稱重單元中的單片機(jī)組成CAN網(wǎng)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)CAN網(wǎng)送各單片機(jī)分別進(jìn)行組合計(jì)算。各稱重單元的單片機(jī)將組合成功的組合也通過(guò)CAN通信存入上位組合計(jì)算機(jī)中，上位組合計(jì)算機(jī)則按FIFO方式完成對(duì)各稱重單元組合斗的控制。

1 組合秤工作原理

組合秤工作示意圖如圖1所示，通常它由若干個(gè)稱重單元組成，每個(gè)稱重單元由振動(dòng)加料器、稱重斗和組合斗組成。在各稱重單元上方是主振動(dòng)加料器，在稱重單元下方是輸出盤。組合秤由主控計(jì)算機(jī)對(duì)各稱重單元的加料器、稱重斗和組合斗等進(jìn)行組合控制。組合過(guò)程是：首先主控計(jì)算機(jī)控制主振動(dòng)器振動(dòng)使粉狀或粒狀物料流向各稱重單元的振動(dòng)加料器，控制各稱重單元的振動(dòng)加料器振動(dòng)，向各稱重斗加料；各稱重單元獲得被測(cè)物料的重量后，進(jìn)行組合計(jì)算得到組合重量，并檢查是否處于目標(biāo)質(zhì)量的允許公差范圍之內(nèi)，若在允許公差范圍之內(nèi)則作為合格組合；最后從合格組合中選擇出一個(gè)組合值最接近目標(biāo)質(zhì)量的最佳組合向輸出盤輸出。

圖1 組合秤結(jié)構(gòu)示意圖

如果設(shè)一個(gè)稱重單元符合要求的概率只有0.01,那么14個(gè)稱重單元一起稱則符合目標(biāo)要求的概率是0.14。如將兩個(gè)稱重單元的稱量組合，并且設(shè)一個(gè)稱重單元符合1/2組合目標(biāo)值的概率是0.01,則兩兩組合就使總合格的概率提高到了0.01×91，組合成功的概率就會(huì)大大提高。每稱重單元稱重量的概率密度曲線如圖2所示。組合秤的性能分析可參考文獻(xiàn)[1]。

圖2 每稱重單元稱重量的概率密度曲線

如果由6個(gè)稱重單元組成組合秤，只進(jìn)行1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)稱重單元的組合，則有如表1所示的各種組合。

6個(gè)稱重單元按1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)進(jìn)行組合，其組合總數(shù)：

M個(gè)稱重單元按1臺(tái)、2臺(tái)和3臺(tái)進(jìn)行組合其組合總數(shù)：

(1)

當(dāng)組合秤中稱重單元數(shù)很多時(shí)，組合計(jì)算次數(shù)就很多，例如14臺(tái)稱重單元的組合按式(1)計(jì)算就有469種組合，組合秤必須找出符合要求的組合，每一個(gè)組合數(shù)都要計(jì)算。如果由一臺(tái)上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合計(jì)算，其計(jì)算量是很大的。為了滿足實(shí)時(shí)要求，就要選用高速計(jì)算機(jī)，這樣就增加了組合秤的成本。為此我們將計(jì)算任務(wù)分開(kāi)由各個(gè)稱重單元中的計(jì)算機(jī)分別完成，再用CAN網(wǎng)絡(luò)將它們連接起來(lái)構(gòu)成CAN網(wǎng)的組合秤系統(tǒng)。

2 分布式測(cè)控算法設(shè)計(jì)

為了說(shuō)明方便，我們?nèi)砸?個(gè)稱重單元組成的組合秤進(jìn)行分析，各稱重單元產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)時(shí)，只需更新與本秤相關(guān)的數(shù)據(jù)，如表2所示。每個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算次數(shù)都是15次。

稱重單元總數(shù)與每個(gè)稱重單元按1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)進(jìn)行組合時(shí)要更新的總數(shù)以及由單個(gè)上位計(jì)算機(jī)計(jì)算的總組合數(shù)如表3所示。

表16個(gè)稱重單元進(jìn)行1、2和3個(gè)稱重單元的組合數(shù)據(jù)更新時(shí)需計(jì)算的組合數(shù)

表26個(gè)稱重單元數(shù)據(jù)更新時(shí)需計(jì)算的組合數(shù)

表3分布式中單個(gè)稱重單元計(jì)算的組合總數(shù)和上位計(jì)算機(jī)計(jì)算組合總數(shù)

每個(gè)稱重單元在計(jì)算中如得到了合格的組合就可以通過(guò)CAN總線發(fā)布其組合結(jié)果，上位機(jī)按收到的組合結(jié)果控制組合斗開(kāi)啟進(jìn)行組合。從而實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)稱重單元稱重結(jié)果的組合。

3 稱重單元中單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

為了保證不丟失數(shù)據(jù)，程序設(shè)計(jì)時(shí)要有接收緩沖區(qū)，其容量為48字節(jié)，每組數(shù)據(jù)4個(gè)字節(jié)，則可以存儲(chǔ)接收到12組數(shù)據(jù)，程序按FIFO方式對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。每臺(tái)稱重單元在得到新數(shù)據(jù)后不僅要發(fā)給其他稱重單元，還要將新數(shù)據(jù)填入接收緩沖區(qū)和進(jìn)行組合計(jì)算。這樣每臺(tái)稱重單元的程序如圖3、圖4所示。

圖3 各稱重單元稱重、組合計(jì)算和控制程序框圖

圖4 CAN中斷服務(wù)子程序

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)有效地減少了組合計(jì)算量，采用C8051F350單片機(jī)[3]作為稱重單元中的單片機(jī)，而上位計(jì)算機(jī)也可采用C8051F350單片機(jī)或更低價(jià)的8位單片機(jī)，就能保證組合計(jì)算和控制的實(shí)時(shí)性。此方法已實(shí)際應(yīng)用，降低了組合秤測(cè)控系統(tǒng)的成本，有利于組合秤的推廣。

[1] 張西良,鄧志輝,李萍萍.組合秤組合性能分析與仿真研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005(12)

[2] 劉美蘭.微機(jī)控制的定量包裝電子稱重系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化,2O00(3)

[3] 張斌.基于C8051F350的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2009(3)

[4] 姚永剛.提高定量包裝稱重精度的措施[J].糧油加工與食品機(jī)械,2003(10)

[5] 排列組合公式.http://wenku.baidu.com/view/932c8a62caaedd 3383c4d3af.html.2012

[6] 施大發(fā),王輝.基于 C8051F020 單片機(jī)的配料控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)量技術(shù)，2006(5)