基于DSP電磁振動式食品分裝機控制系統(tǒng)設計

賈祥云

日照職業(yè)技術學院（日照 276826）

隨著計算機技術、電子技術的快速發(fā)展，食品自動定量分裝機在食品生產(chǎn)企業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，它是集食品配料、食品稱量、食品包裝等功能于一體的高度智能自動化機械設備[1-3]。隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，食品需求量逐漸增加，傳統(tǒng)人工作業(yè)已不能滿足大規(guī)模食品加工生產(chǎn)需求，因此，結合自動化技術、人工智能控制算法及現(xiàn)場總線技術，設計一款高精度、智能化、信息化的食品定量稱重系統(tǒng)成為食品加工企業(yè)發(fā)展的必然趨勢[4-5]。

國內(nèi)食品分裝機包裝速度16～30包/min，價格10萬～30萬/臺；國外企業(yè)生產(chǎn)的定量稱重包裝機設備的速度30～80包/min，價格為40萬～180萬/臺。由此可以看出國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的食品分裝機生產(chǎn)效率還遠遠低于國外企業(yè)生產(chǎn)的。稱重控制系統(tǒng)作為食品分裝機中非常重要的一部分，控制器要求容量大、穩(wěn)定性高、智能化。

傳統(tǒng)食品稱量包裝機控制器主要由兩大類型，一類為基于單片機為核心的控制器，一類為可編程控制器（PLC）。以單片機所開發(fā)的稱重控制器雖然成本低，但存在兼容性差、二次開發(fā)能力低的缺點。以PLC為核心的稱重控制器，通過PLC各功能模塊實現(xiàn)稱重信號采集、控制命令下發(fā)，該控制系統(tǒng)人機交互能力強，擁有較強的抗干擾能力，但該控制器數(shù)據(jù)存儲和處理能力較差。

信號處理器（DSP）是針對高速處理的數(shù)字信號而產(chǎn)生的一款強大芯片，其快速發(fā)展及超高的運算能力為復雜的電機驅(qū)動控制提供了重要的硬件保證。DSP芯片內(nèi)部擁有A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、電機驅(qū)動控制信號等接口?；诖?，設計一款基于TMS320F2812為核心控制芯片的食品自動稱量稱重控制系統(tǒng)，利用DSP強大的數(shù)據(jù)存儲能力及快速的運算能力實現(xiàn)食品稱量稱重的生產(chǎn)流程控制，通過CAN總線完成與其他設備之間的通訊，實現(xiàn)車間各稱重分裝機的網(wǎng)絡化管理。

1 食品稱量分裝機介紹

食品分裝機機械結構如圖1所示。分裝機主要由料位傳感器、料倉、振動電磁鐵、稱重傳感器、給料槽、出料電機、稱重器、出料倉等組成。料倉主要用來儲存食品顆粒，振動電磁鐵通過振動給料槽，使得給料槽發(fā)生振動從而帶動食品顆粒向下逐漸運動，直到運動到稱重器中，稱重器尾部的稱重傳感器對稱重內(nèi)部的物料進行稱重，從而實現(xiàn)食品顆粒動態(tài)稱量。出料斗主要用來收集稱重器中已完成稱重的食品顆粒，方便食品順利落入包裝袋中。

食品分裝機能夠完成食品顆粒直徑50～600 μm，氣固密度差1 300～4 000 kg/m3的食品顆粒稱重包裝。分裝機能夠根據(jù)食品顆粒大小不同進行更換，而側面的物料傳感器能夠隨時監(jiān)控出料倉中的食品物料數(shù)量。稱重器下方的傳感器能夠采集食品的壓力并將其轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號，并將信號傳送到控制器中再轉(zhuǎn)化為壓力值，控制器將此重量與目標值進行比較，因此分裝機對此傳感器響應速度、信號精度具有極高要求。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

定量分裝機控制器是整個系統(tǒng)的關鍵部分，控制器實時將稱重傳感器的模擬電壓信號和料位傳感器信號進行采集、A/D轉(zhuǎn)換、智能算法處理，并根據(jù)上位機預先設定的稱重目標值，對相應執(zhí)行機構進行控制，自動實現(xiàn)分裝機的進料、放料、稱重、包裝等工藝?？刂葡到y(tǒng)硬件結構如圖2所示。

分裝機控制系統(tǒng)中的MCU采用DSP芯片TMS320F2812作為稱重控制器控制電路的核心芯片。TMS320F2812芯片是由德國生產(chǎn)的32位定位DSP芯片，芯片工作頻率可達150 M。該頻率能夠保證控制器對稱重系統(tǒng)傳感器信號的快速處理，從而保證系統(tǒng)的快速響應。DSP集成128 K×16位的存儲器，使得系統(tǒng)軟件可以隨時進行升級。TMS320F2812芯片外部可以擴展最大512 K×16的Flash ROM，并能夠產(chǎn)生8路PWM調(diào)制信號。

通過TMS320F2812驅(qū)動出料電機的控制結構如圖3所示。其中，電機定子繞組方式為星型結構，驅(qū)動電路采用專用集成芯片IR2304，逆變器為三相橋式機構，利用電機末端編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置和速度的閉環(huán)控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結構

圖3 DSP電機驅(qū)動電路結構

稱重系統(tǒng)中的稱重傳感器對于整個系統(tǒng)非常重要，選擇TSB-5稱重傳感器，傳感器輸出信號較弱，為信號在傳送到DSP之前需要對其進行放大。選擇TI公司生產(chǎn)的INA122芯片進行放大，放大電路如圖4所示。

圖4 INA122放大電路

3 控制系統(tǒng)軟件設計

分裝機控制器以TMS320F2812 DSP芯片為核心，通過CCS軟件進行編程，CCS能夠?qū)Τ绦蜻M行在線仿真，支持單步和斷電運行，能夠在CPU運行過程中看到寄存器、累加器及編程人員自定義的各種變量的狀態(tài)。

稱重系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。在分裝機工作開始時，料斗尾部的電磁振動器開始高速振動，控制器根據(jù)需要計算出物料流量值，達到設定值后，振動頻率下降并趨于穩(wěn)定。控制器采集到的食品重量達到目標值后，控制器發(fā)出指令關閉加料口，同時控制器控制電機打開卸料口，物料進入包裝袋體完成包裝?？刂破鹘邮盏匠隽峡陉P閉信號后，系統(tǒng)自動進入下一周期稱重包裝過程。系統(tǒng)軟件采用模塊化思想進行設計，通過TMS320F2812 DSP完成輸入端口初始化，并通過安全回路確認，確認電機處于停止狀態(tài)，各閥門處于關閉狀態(tài)。

圖5 稱重系統(tǒng)主程序流程

在實際食品稱量生產(chǎn)線中，要使用基于DSP所開發(fā)的食品定量動態(tài)稱量控制的軟硬件平臺，需要設置眾多參數(shù)，如稱重目標值、電機運動速度等，同時需要采集各傳感器狀態(tài)。為此選擇人機觸摸屏作為交互系統(tǒng)，選擇威綸觸摸屏進行人機軟件開發(fā)。

觸摸屏通常與可編程控制器PLC進行配對使用，而觸摸屏不能直接與DSP進行通信，要使觸摸屏與DSP進行通信，需要開發(fā)相應的通信程序使其按照相應的通信協(xié)議進行。利用RS232通信串口將DSP與觸摸屏連接，并使用標準Modbus協(xié)議進行通信。采用組態(tài)軟件EB8000 Project Manager完成各功能界面開發(fā)，其功能選擇界面如圖6所示，主要包括參數(shù)設置界面、狀態(tài)顯示界面、自動控制界面及故障顯示界面。

4 結語

為了滿足市場對食品定量稱量機稱量精度和包裝速度的要求，設計一種基于DSP的電磁振動式食品稱量分裝機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TMS320F2812 DSP芯片作為控制系統(tǒng)的核心，設計通過TMS320F2812驅(qū)動出料電機驅(qū)動電路，實現(xiàn)對微弱稱重信號的放大和數(shù)據(jù)采集，有效降低外部噪聲稱重傳感器信號的干擾。經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試，在該控制系統(tǒng)控制下，定量稱量機能夠穩(wěn)定可靠運行，定量精度和包裝速度均能夠滿足客戶需求。