基于STM32 的充絨機(jī)智能模糊稱重系統(tǒng)研究與設(shè)計*

嚴(yán) 惠，鄧小龍，李志遠(yuǎn)

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院集成電路制造裝備工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 無錫 214153)

隨著人民對生活品質(zhì)的要求日益提高，羽絨制品需求大幅增加，對其生產(chǎn)質(zhì)量與效率也提出了更高的要求。傳統(tǒng)生產(chǎn)加工中由于人工稱絨及充絨有較大誤差、生產(chǎn)效率低下以及生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境差等缺點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計智能充絨機(jī)是現(xiàn)代羽絨制品生產(chǎn)的必然趨勢，智能充絨機(jī)的出現(xiàn)可有效地改善傳統(tǒng)人工生產(chǎn)的缺點(diǎn)，也是適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)自動化生產(chǎn)的發(fā)展需求[1]。

國外，1911 年Johnr Sheldon[2]發(fā)明了棉被填充機(jī)，是最早與充絨相關(guān)的設(shè)備，其通過鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生鼓風(fēng)，通過合適的噴嘴，將羽毛從盛絨容器充入需填充的 棉 被 與 枕 頭 中。1970 年，Nathan A.Eisner，Lawrence NY[3]發(fā)明了灌裝機(jī)，引入分離羽毛形狀裝置，將羽絨分離，輸送到測量站后，填充機(jī)按設(shè)定比例進(jìn)絨至填充物。

國內(nèi)，最初是中國計量院[4]采用自動控制技術(shù)，進(jìn)行羽絨定量稱重，自由設(shè)定規(guī)格，充絨動力源采用氣動裝置。類似控制方式包括祝迎春等[5]發(fā)明的羽絨被充絨裝置，也實(shí)現(xiàn)了填充重量的自動控制。由曾惠玲等[6]研發(fā)的定量充絨機(jī)采用直立式結(jié)構(gòu)，應(yīng)用非接觸式的離心力攪拌方式實(shí)現(xiàn)羽絨分離，確保了羽絨無損與穩(wěn)定輸絨。目前市場上充絨機(jī)大部分采用PLC 控制器，實(shí)現(xiàn)羽絨填充格數(shù)與填充重量的設(shè)定，連續(xù)充絨，達(dá)到較高充絨效率[7]。

但是上述國內(nèi)外的充絨機(jī)在生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域存在的主要問題有:不能根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)羽絨儲存、輸送、稱重、充絨等控制功能的集成，也未提出多通道分時調(diào)節(jié)出絨順序控制型智能充絨機(jī)，面對現(xiàn)代企業(yè)高效生產(chǎn)，多臺智能充絨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化工廠級實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)更沒有呈現(xiàn)[8]。隨著組態(tài)控制與智能調(diào)度控制技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[9-11]，結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品指標(biāo)和技術(shù)工藝要求，設(shè)計了一款新型智能充絨機(jī)，并投入企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與流程規(guī)劃

自動充絨機(jī)攪拌結(jié)構(gòu)的主體是攪拌箱，分三個部分:上儲絨箱、下儲絨箱和控制箱，采用豎立封閉式箱體結(jié)構(gòu)。上箱體主要由儲絨箱和攪拌裝置組成。聯(lián)軸器安裝在攪拌電機(jī)的輸出軸上，攪拌齒安裝在攪拌軸上，透明的亞克力板安裝在儲絨箱箱體上。上箱體右側(cè)有上絨和換絨電機(jī)。

下箱體用來存放羽絨原料并在周圍安裝磁鐵，原料中可能會含有少量金屬等雜質(zhì)，由于攪拌電機(jī)分時攪拌，下箱體中羽絨蓬松，金屬等雜質(zhì)與羽絨分離，分離后的雜質(zhì)附著在箱體表面，達(dá)到除雜效果。

稱重是充絨機(jī)工作的核心，稱重容器由透明的亞克力板組成，內(nèi)置在稱重箱體中。如圖1、圖2 分別為稱重箱體與稱重容器效果圖。其中，稱重容器的上半部分配有空氣過濾網(wǎng)，下端采用四棱臺結(jié)構(gòu)。稱重容器的上半部分與主箱體體腔相通，通過管道將羽絨輸送進(jìn)來，因重力因素羽絨定位在下方四棱臺的腔體內(nèi)。稱重容器下部分與出絨管道相連，將羽絨輸送至待充物體中。

圖1 稱重箱

圖2 稱重容器

如圖3 所示:當(dāng)系統(tǒng)啟動后，上絨電機(jī)工作，上絨至上箱體。當(dāng)下儲絨箱上限位傳感器未檢測到信號，則表明下儲絨箱并未滿料，則下絨門板打開，當(dāng)上限位傳感器檢測至滿絨時，下絨門板延時關(guān)閉。

圖3 充絨機(jī)工作示意圖

上絨電機(jī)繼續(xù)上料至上儲絨箱限位傳感器后，停止上絨。上吹氣、下吹氣、上攪拌器及下攪拌器均在上絨結(jié)束后工作，防止上下儲絨箱中羽絨粘合不夠蓬松，在上絨期間不參與工作，避免影響進(jìn)絨以及傳感器檢測等。

接著，進(jìn)絨電磁閥工作，羽絨通過進(jìn)絨管道進(jìn)入稱重盒，當(dāng)達(dá)到稱量的重量時，進(jìn)絨電磁閥關(guān)閉后出絨電磁閥工作，將相應(yīng)規(guī)格重量的羽絨輸絨至套有被套的分隔箱中，出絨完畢，則出絨電磁閥關(guān)閉。

羽絨在輸送過程中會有少量粘合在器皿壁上，如果根據(jù)稱重顯示出絨量并未達(dá)到要求，則需要啟動輔助出絨，填補(bǔ)所缺羽絨后關(guān)閉。稱重器皿在長期工作中會有羽絨粘合或其他少量雜質(zhì)產(chǎn)生，在系統(tǒng)未工作時，可以啟動清潔電磁閥進(jìn)行清潔吹氣。

2 控制系統(tǒng)硬件搭建

如圖4 所示為充絨機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖。充絨機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)選用STM32F103ZET6 為主控制器，本控制器為Cortex m3架構(gòu)，具有功耗低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，適合工控場合[12-13]。系統(tǒng)選用S29GL128PA 外擴(kuò)內(nèi)存，為系統(tǒng)后續(xù)的升級改造預(yù)留存儲空間。稱重芯片選擇HX711，接收基于電阻應(yīng)變效應(yīng)原理工作的稱重壓力傳感器的電壓信號，對不同羽絨重量規(guī)格進(jìn)行稱重處理。DM9000A 芯片可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了充絨機(jī)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程多終端監(jiān)控。同時選用CH3761 芯片，實(shí)現(xiàn)U 盤直讀，為系統(tǒng)的維護(hù)調(diào)試帶來了一定的便利。

圖4 控制系統(tǒng)硬件框架

系統(tǒng)的本地監(jiān)控選用了昆侖通態(tài)TPC1570GIHn，端口的協(xié)議為MODBUS/RTU，與STM32F103ZET6為主控制器信息交互。遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控采用MCGS通網(wǎng)版軟件進(jìn)行開發(fā)，通過DM9000A 實(shí)現(xiàn)與本地控制器信息交換。手機(jī)、筆記本等移動終端實(shí)現(xiàn)與本地觸摸屏同步控制，通過VNC 實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。各通信終端通過無線路由器進(jìn)行連接。

3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

3.1 觸摸屏與STM32F103ZET6 單片機(jī)串行通信

觸摸屏通過RS485 轉(zhuǎn)換器與STM32F103ZET6單片機(jī)的UART 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。本系統(tǒng)中選用了MAX485 轉(zhuǎn)換器，其采用+5 V 電源工作，將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS485 電平。為提高RS485 抗干擾性能，在A 和B 引腳間接100 Ω 電阻。MAX485的1、4 腳分別與單片機(jī)RXD 和TXD 引腳連接。電路圖如圖5 所示。

圖5 MAX485 與觸摸屏串口電路圖

軟件部分設(shè)計主要關(guān)鍵點(diǎn)有:開總中斷EA＝1，配置定時器ConfigTimer0(unsigned int ms)，串口配置ConfigUART (unsigned int baud)，串 口 驅(qū) 動UartDriver()，接收到命令并執(zhí)行相應(yīng)動作。在UartDriver()函數(shù)中，主要執(zhí)行以下函數(shù)串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)UartRead(unsigned char*buf，unsigned char len)、串口數(shù)據(jù)寫入函數(shù)UartWrite(unsigned char*buf，unsigned char len)。在寫入函數(shù)中需調(diào)用延時函數(shù)DelayX10us(unsigned char t)，延時時間(10×tμs)。主要用于等待最后停止位完成，延時時間由波特率決定。中斷程序主要包括UART 中斷服務(wù)函數(shù)InterruptUART()與T0 中斷服務(wù)函數(shù)Interrupt-Timer0()，T0 中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用UartRxMonitor(unsigned char ms)進(jìn)行串口接收監(jiān)控。

3.2 STM32F103ZET6 單片機(jī)嵌入DM9000A 芯片與遠(yuǎn)程終端通信

STM32F103ZET6 集成了FSMC 模塊，具有4 個片選輸出，支持PC 卡/CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND。STM32 單片機(jī)與DM9000A 芯片以及RJ45 接口硬件連接示意圖如圖6 所示。

圖6 STM32 單片機(jī)與DM9000A 芯片以及RJ45接口硬件接口示意圖

DM9000A 初始化后，按照協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝后寫入SRAM，再通過RJ45 發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程終端。接收數(shù)據(jù)時則先讀取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，解析后存于緩存并發(fā)送中斷信號給單片機(jī)，STM32 單片機(jī)讀取DM9000A中緩存數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，即可得到所需數(shù)據(jù)。

3.3 VNC 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)搭建

通過VNC(Virtual Network Console，虛擬網(wǎng)絡(luò)控制臺)遠(yuǎn)程監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)VNC 客戶端與服務(wù)端連接，如此實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備如筆記本、臺式機(jī)、手機(jī)等設(shè)備對本地觸摸屏畫面的同步監(jiān)控。

通過U 盤將tpcbackup 拷貝至TPC1570GI 觸摸屏中，TPC 中VNC 服務(wù)器默認(rèn)端口號為5900。如果遠(yuǎn)程監(jiān)控的為電腦，則需在電腦上在安裝使用VNCViewer 與TPC 進(jìn)行VNC 連接；若監(jiān)控終端為手機(jī)，則需要區(qū)分手機(jī)的操作系統(tǒng)，如果是蘋果操作系統(tǒng)，需下載安裝viewVNC，如果是安卓操作系統(tǒng)，則需下載DesktopVnc 或vmwVNC。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置時需要確保觸摸屏與網(wǎng)絡(luò)終端處于同一個網(wǎng)段中并且觸摸屏上已開啟VNC 連接，終端在連接時需通過權(quán)限認(rèn)證方可登錄。

4 稱重系統(tǒng)二維模糊控制器設(shè)計

充絨機(jī)工作過程中，從下儲絨箱中按照上位機(jī)界面配方設(shè)定的克重輸絨至稱重容器中，為確保輸絨精度，采用長動與點(diǎn)動兩種方式配合進(jìn)行，點(diǎn)動方式通過脈沖觸發(fā)輸絨。由于各個廠家在設(shè)備安裝需求不盡相同，如儲絨箱和稱重箱體之間連接氣管的長度、粗細(xì)、氣壓大小各不相同，從而導(dǎo)致長動與點(diǎn)動的出絨速度各不相同。因此，為獲取長動與點(diǎn)動的出絨速度，需要進(jìn)行各臺設(shè)備的自學(xué)習(xí)，自學(xué)習(xí)的長動點(diǎn)動速度分別為VL(g/s)，VS(g/s)。

常見的羽絨充絨采用按比例控制大小氣流工作時間去控制，但是受羽絨自身質(zhì)量及充絨環(huán)境等影響，容易導(dǎo)致管道堵塞，且受氣流影響稱重傳感器工作不穩(wěn)定，同時充絨規(guī)格不同，按照比例控制的方式對于質(zhì)量較重的充絨規(guī)格時間較長[14-17]。為解決上述情況設(shè)計了羽絨稱重模糊控制器。

剩余待充絨質(zhì)量為RE，管道狀態(tài)為PS，充絨方式為AF，將RE 與PS 作為二維羽絨模糊控制器輸入，AF 為控制器輸出，稱重閉環(huán)控制如圖7 所示。

圖7 稱重閉環(huán)控制

4.1 選擇輸入輸出變量的取值集

剩余待充絨質(zhì)量RE 為連續(xù)變量，RE 分為三個區(qū)間:[0，VS)、[VS，VL]、(VL，+∞)，將其量化，取值范圍為{0，1，2}，量化表見表1。語言變量取值集為RE＝{EZO，EPS，EPB}，表示誤差為零，正小，正大(即表示與目標(biāo)值相比，誤差值是正的，但比較小。相應(yīng)的正大指誤差較大)。

表1 剩余待充絨質(zhì)量RE 量化表

管道狀態(tài)PS 本身即為離散量，有阻塞、正常、空吸三種狀態(tài)，語言變量取值集為PS＝{PNS，PZO，PPS}，表示管道狀態(tài)值為負(fù)小，零，正小。充絨方式AF 有三種狀態(tài):長動方式、停止工作、點(diǎn)動方式，取值集為AF＝{AZO，APS，APB}，表示輸出值為零，正小，正大。

4.2 稱重系統(tǒng)模糊控制器模糊規(guī)則

RE 與PS 各有三種狀態(tài)，則可得九條模糊推理規(guī)則，具體描述如下:

規(guī)則1:如果RE 為零，PS 為負(fù)小，則AF 為零；

規(guī)則2:如果RE 為零，PS 為零，則AF 為零；

規(guī)則3:如果RE 為零，PS 為正小，則AF 為零。

上述三條規(guī)則說明:只要PS 剩余待充絨數(shù)值為零，無論管道為何狀態(tài)，均須停止充絨。

規(guī)則4:如果RE 為正小，PS 為負(fù)小，則AF 為正?。?/p>

規(guī)則5:如果RE 為正小，PS 為零，則AF 為正小。

上述兩條規(guī)則說明:如果RE 為正小，PS 狀態(tài)為負(fù)小或者零時，均采用點(diǎn)動方式充絨，脈沖頻率與點(diǎn)動次數(shù)由點(diǎn)動充絨速度與剩余待充絨決定。

規(guī)則6:如果RE 為正小，PS 為正小，則AF 為正大。

規(guī)則6 說明:當(dāng)RE 與PS 均為正小，此時管道處于阻塞狀態(tài)，須采用長動方式使管道暢通。

規(guī)則7:如果RE 為正大，PS 為負(fù)小，則AF 為正大；

規(guī)則8:如果RE 為正大，PS 為零，則AF 為正大；

規(guī)則9:如果RE 為正大，PS 為正小，則AF 為正大。

上述三條規(guī)則說明:只要PS 剩余待充絨數(shù)值為正大，無論管道為何狀態(tài)，均使用長動方式充絨，長動充絨時間由長動充絨速度和剩余待充絨決定。

上述規(guī)則控制如表2 所示。

表2 模糊控制表

4.3 稱重軟件控制要點(diǎn)

(1)壓力傳感器標(biāo)定:數(shù)字量隨著稱重量在限值范圍內(nèi)波動，若增大砝碼則數(shù)值減小，減小砝碼數(shù)值反而增大，則傳感器安裝與接線需調(diào)整；若輸入電壓信號溢出，減小砝碼值在范圍之內(nèi)；控制測量，待穩(wěn)定標(biāo)志置ON 時，導(dǎo)通零點(diǎn)標(biāo)定；置砝碼放于秤體，寫入砝碼重量，待穩(wěn)定標(biāo)志置ON 時，導(dǎo)通增益標(biāo)定。稱重過程中，稱重模塊根據(jù)接收的壓力傳感器數(shù)值自動調(diào)整，獲取稱重重量。

(2)VS與VL值獲取:為獲取長動與點(diǎn)動的速度，首先進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，測試出充絨設(shè)備速度存入寄存器，作為模糊論域區(qū)間值。

(3)稱重去皮過程:由稱重模塊讀取稱重傳感器的模擬量信息并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，反饋回控制器，將稱重值存入寄存器。觸發(fā)去皮動作，當(dāng)稱重量在去皮范圍內(nèi)，將皮重值傳送至寄存器，則凈重值即為稱重值減去皮重值，即:凈重值＝稱重值-皮重值。

5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

5.1 本地觸摸屏畫面設(shè)計

本地監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)充絨中稱重模塊設(shè)置與標(biāo)定、控制配方參數(shù)設(shè)定、監(jiān)視與操作等控制。運(yùn)行界面如圖8 所示。

圖8 運(yùn)行界面

5.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)界面設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)化多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，基于企業(yè)成本和生產(chǎn)工藝與技術(shù)要求，利用TPC1570GI 觸摸屏的網(wǎng)口通過交換機(jī)和上位計算機(jī)組態(tài)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)架構(gòu)中觸摸屏和計算機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸采用MODBUS_TCP 通信協(xié)議，通過以太網(wǎng)在站點(diǎn)間傳送MODBUS報文，MODBUS_TCP 通信報文封裝于以太網(wǎng)TCP/IP 數(shù)據(jù)包中。

網(wǎng)絡(luò)化多機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、系統(tǒng)狀態(tài)以及實(shí)時動畫監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄等功能，實(shí)時提供各生產(chǎn)車間、各工位狀態(tài)、異常狀態(tài)報警信息、實(shí)時產(chǎn)量顯示和歷史數(shù)據(jù)對比等，部分界面如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)化多機(jī)監(jiān)控界面

6 結(jié)論

本文所研制智能充絨機(jī)已在企業(yè)投入實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行表明系統(tǒng)操作簡便且安全可靠；基于STM32 控制器的充絨控制系統(tǒng)，較PLC 研究成本低，控制更柔性；基于模糊控制器的閉環(huán)稱重系統(tǒng)，達(dá)到羽絨0.1 g的快速精確稱重；采用四棱臺從上到下依次變小的結(jié)構(gòu)，有效改善了羽絨放絨時堵塞；采用多機(jī)協(xié)同生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化工廠級多機(jī)監(jiān)控，提高了生產(chǎn)效率。