基于嵌入式ARM的肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)的研究

邱永萍,孫緒偉,朱雪峰

(1.包頭廣播電視臺(tái),內(nèi)蒙古 包頭 014030;2.內(nèi)蒙古中廣旅游發(fā)展有限責(zé)任公司,呼和浩特 010030;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

目前,農(nóng)業(yè)肥料的種類越來越多,包括有機(jī)肥、復(fù)合肥、磷銨、大顆粒尿素、多孔硝胺、重鈣、BB肥、磷肥、鉀肥及各種混配肥等,包裝的市場(chǎng)越來越大,越來越多的肥料生產(chǎn)企業(yè)選擇使用肥料包裝機(jī)包裝生產(chǎn)。傳統(tǒng)的肥料包裝機(jī)側(cè)重于機(jī)械方面,采用螺旋傳動(dòng),生產(chǎn)效率低下,運(yùn)行過程中易擠死,造成停車故障,且維護(hù)不方便,稱量不準(zhǔn)確,包裝過程常常取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。為此,以嵌入式ARM為主控制器,研發(fā)了一套肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng),旨在提高肥料包裝的精準(zhǔn)度和效率。

1 肥料包裝機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

肥料包裝機(jī)用于有機(jī)肥料的自動(dòng)包裝,包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。其中,機(jī)械結(jié)構(gòu)功能是為包裝作業(yè)流程提供結(jié)構(gòu)支撐,主要包括供料、上料、定量給料、秤斗、打料電機(jī)、橫封、縱封、送料機(jī)、傳送系統(tǒng)、送膜與拉膜傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、打印機(jī)構(gòu)等單元;控制系統(tǒng)用于操縱整個(gè)機(jī)器的正常運(yùn)作,主要包括信號(hào)采集電路、核心處理器、伺服電機(jī)、人機(jī)交互等。肥料包裝機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.機(jī)座 2.料箱 3.傳送系統(tǒng) 4.上料斗 5. 接近開關(guān) 6.送料機(jī) 7.限料機(jī)構(gòu) 8.停料機(jī)構(gòu) 9.夾緊開關(guān) 10.下料斗 111.停止開關(guān) 12.壓力傳感器 13.廢料斗圖1 肥料包裝機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall mechanical structure of fertilizer packaging machine

肥料包裝機(jī)開始工作時(shí),送料機(jī)將待包裝的肥料原料送入到上料斗,接近開關(guān)監(jiān)測(cè)到上料斗內(nèi)物料,便開始向下傳送物料,在料倉(cāng)內(nèi)由定量給料機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)給料處理;經(jīng)過秤斗的精確計(jì)量后,當(dāng)符合質(zhì)量誤差范圍后,使物料由下料斗卸到包裝袋內(nèi),最后由橫封、縱封完成封口操作。肥料包裝機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 肥料包裝機(jī)實(shí)物圖Fig.2 The physical diagram of fertilizer packer

1.2 執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肥料包裝機(jī)機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要包括計(jì)量機(jī)械裝置、橫封與縱封裝置、送膜與拉膜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)控制模塊等4部分。其中,重要的部分為計(jì)量機(jī)械裝置和氣動(dòng)控制部模塊。

1)計(jì)量機(jī)械裝置。定量給料機(jī)由數(shù)字顯示表、標(biāo)定及調(diào)校設(shè)施、秤架、稱重傳感器、速度傳感器、配料秤的密封罩、支撐架、變頻調(diào)速電機(jī)、控制器等組成。

定量給料機(jī)的工作原理為:首先由稱重傳感器測(cè)量稱重秤架上的物料質(zhì)量,測(cè)速傳感器測(cè)量傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,然后將兩個(gè)信號(hào)送入微處理器,計(jì)算出肥料包裝的累計(jì)量和瞬時(shí)流量,由處理器將該流量與設(shè)定流量進(jìn)行比較,最后微處理器輸出信號(hào)控制變頻器調(diào)速,達(dá)到定量給料的要求。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)為:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,精度較好,投資較低,維護(hù)成本低,調(diào)校容易;缺點(diǎn)為:密閉性差,易漏料、揚(yáng)塵,造成環(huán)境污染。

2)氣動(dòng)控制模塊。該肥料包裝機(jī)多處運(yùn)動(dòng)部件采用氣動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng),具有動(dòng)作快捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。工作時(shí),嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,氣缸工作壓力可通過氣源三聯(lián)件無級(jí)調(diào)整,氣缸動(dòng)作速度可通過節(jié)流閥快速調(diào)整。

2 肥料包裝機(jī)伺服傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

肥料包裝機(jī)采用定量給料機(jī)進(jìn)行供料,而定量給料機(jī)的核心是伺服傳動(dòng)控制。肥料包裝機(jī)伺服傳動(dòng)的原理為:在伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制模式中,通過對(duì)比伺服驅(qū)動(dòng)器速度輸出UP及通過質(zhì)量增加推算到的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度UG,計(jì)算后得到ΔU=UP-UG;經(jīng)過嵌入式控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后,得到嵌入式控制器輸出PWM脈沖信號(hào)和伺服驅(qū)動(dòng)器的電樞控制電壓U。在整個(gè)速度控制器的控制系統(tǒng)中,包含比例系數(shù)kA,其傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(1)

其中,θM(t)為伺服電機(jī)的角位移量;kv為速度控制環(huán)的增益值。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)控制,結(jié)合嵌入式控制和模糊PID技術(shù),在包裝機(jī)ARM控制系統(tǒng)上應(yīng)用模糊PID控制算法,目的是將被控對(duì)象的控制量進(jìn)行等級(jí)離散化,利用PID的良好靜態(tài)控制效果,在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。定量配重系統(tǒng)模糊PID控制的功能是根據(jù)目標(biāo)定量值和稱重秤測(cè)得實(shí)際值去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)定量給料系統(tǒng)的精準(zhǔn)計(jì)量。模糊PID控制的定量給料系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制的定量給料系統(tǒng)框架圖Fig.3 The frame diagram of quantitative feeding system based on fuzzy PID control

定量配重系統(tǒng)的主要任務(wù)是在計(jì)量精度滿足要求的前提下,加快包裝速度。但是,定量給料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快,單位時(shí)間內(nèi)下的物料會(huì)越多,計(jì)量精度也就會(huì)越低。因此,計(jì)量精度和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度是一對(duì)矛盾體,需要模糊自適應(yīng)整定控制器動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本文以每袋產(chǎn)品包裝質(zhì)量是50kg、精度要求為±0.2%為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于包裝下料是一個(gè)單向逼近式的過程,根據(jù)要求系統(tǒng)采用粉料動(dòng)態(tài)快速測(cè)量及自校準(zhǔn)技術(shù),引入閉環(huán)復(fù)合無級(jí)調(diào)速方法,根據(jù)稱量質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度控制。此外,系統(tǒng)無級(jí)調(diào)速裝置可提高包裝速度,在質(zhì)量達(dá)到目標(biāo)值的90%(即45 000g)時(shí)前,全速加料;到限量時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線和稱量值,智能逐步減少加料速度,直至加料過程完成。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 伺服電機(jī)智能控制轉(zhuǎn)速曲線圖Fig.4 The intelligent control speed chart of servo motor

3 肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)的核心主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的開啟、關(guān)閉、采集秤斗質(zhì)量信息和控制各個(gè)傳感器的開關(guān)等,以協(xié)調(diào)各個(gè)機(jī)械裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)整體框架如圖5所示。

圖5 肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)整體框架圖Fig.5 The overall framework for control system of fertilizer packaging machine

3.1 肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1)嵌入式ARM處理器。肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要由嵌入式控制模塊、傳感器模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊等組成,嵌入式控制模塊采用ARM Cortex-A9內(nèi)核體系的四核微處理器Exynos4412。肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件框架如圖6所示。

圖6 肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)的硬件框架圖Fig.6 The hardware frame diagram for control system of fertilizer packaging machine

2)伺服電機(jī)。肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)要求對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速具有非常高的控制精度,本文采用HSV1-120-F3伺服驅(qū)動(dòng)器,其額定輸出為1.5kW,輸入電源為AC380V。Exynos4412微處理器采用RS232接口和伺服控制器進(jìn)行操作的指令轉(zhuǎn)換,控制方式單一,穩(wěn)定性高。Exynos4412與伺服驅(qū)動(dòng)器連接示意如圖7所示。

3)稱重傳感器。稱重傳感器模塊是肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的核心部件,其精準(zhǔn)度、靈敏度對(duì)系統(tǒng)的性能結(jié)果具有重要的影響。稱重傳感器主要由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變計(jì)組成:前者主要是將肥料的壓力轉(zhuǎn)化為彈性體的應(yīng)變值,后者則是將前者的應(yīng)變值實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電阻變化值。稱重傳感器的工作原理是:由彈性敏感元件和電阻電橋?qū)⑽矬w的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量的微弱電信號(hào)。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要,稱重傳感器選用的是美國(guó)Tecsis公司的拉壓雙向的F2806系列稱重傳感器,采用合金鋼材料制造,硅橡膠密封,表面陽極化,耐腐蝕性好。F2806最大量程范圍為1～200kg,適合多種精度等級(jí)的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)。F2806實(shí)物圖與內(nèi)部原理圖如圖8所示。

圖8 F2806實(shí)物圖(左)與內(nèi)部原理圖(右)Fig.8 F2806 physical diagram (left) and internal schematic diagram (right)

系統(tǒng)中稱重傳感器電路采用并聯(lián)方式,并聯(lián)方式可以大大降低器件輸出阻抗,提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。F2806電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 F2806電路原理圖Fig.9 The schematic circuit diagram of F2806

3.2 肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)采用PID多級(jí)智能給料方式,給料系統(tǒng)采用肥料動(dòng)態(tài)快速測(cè)量及自校準(zhǔn)技術(shù),引入閉環(huán)復(fù)合PWM調(diào)速方法,根據(jù)稱量質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度控制。此外,研制了伺服調(diào)速裝置提高包裝速度:在達(dá)到限量前,全速加料;到限量(快接近總量)時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線和稱量值,智能逐步減少加料速度,直至加料過程完成。肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件主流程如圖10所示。

圖10 肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件主流程圖Fig.10 The main stream chart of control system software for fertilizer packer

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng)的精度值和可行性是否滿足設(shè)計(jì)需求,進(jìn)行了肥料包裝實(shí)驗(yàn),包裝定量值設(shè)定為25kg。實(shí)驗(yàn)前,準(zhǔn)備1臺(tái)Exynos 4412嵌入式控制系統(tǒng),其固化了采用模糊PID控制的定量配重程序。另外,準(zhǔn)備1臺(tái)量程為100kg、精度為0.001kg的靜態(tài)電子臺(tái)秤,為包裝成袋的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)秤。包裝結(jié)束后,隨機(jī)抽取了5包包裝完成的肥料進(jìn)行了復(fù)秤,結(jié)果如表1所示。

表1 肥料包裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The experimental results of fertilizer packaging

在實(shí)驗(yàn)中,所選取的5包肥料中,復(fù)秤的偏差值均在±0.2%以內(nèi),精準(zhǔn)度較高,滿足系統(tǒng)精度要求。

5 結(jié)論

基于ARM Cortex-A9內(nèi)核體系的四核微處理器Exynos4412,設(shè)計(jì)了肥料包裝機(jī)控制系統(tǒng),從肥料包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、伺服傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,到Exynos4412嵌入式的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面的研究。為了驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的精確度和可行性,對(duì)基于嵌入式ARM的肥料包裝控制系統(tǒng)的精確度進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:系統(tǒng)包裝的偏差值均在±0.2%以內(nèi),精準(zhǔn)度較高,滿足系統(tǒng)精度要求。