CN110702194A - 带自动补偿功能的高速称重的控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的带自动补偿功能的高速称重控制器及控制方法，包括MCU单元、AD转换单元、通讯单元、电源单元，其特殊之处是：还设有输入输出单元，所述输入输出单元和通讯单元与MCU单元通过光电隔离单元隔离，所述AD转换单元采用24位Σ‑Δ模数转换器，所述MCU单元对重量数据进行存储、分析、运算，将重量数据发送给显示屏进行显示；MCU对称重数据信息比对分析，通过输入输出单元通知包装机控制器，进行自动补偿。本发明可减少干扰，提高称重控制器工作稳定性，可以在包装机不停车的状态下自动调节加料设备的加药量，实现自动补偿，让包装药品平稳维持合格的重量区间内，减少不合格品的产出率，不用停车调节，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及称重仪器仪表领域，具体地涉及药品包装机中多条袋颗粒包快速称重使用的带自动补偿功能的高速称重控制器及控制方法。
背景技术
在工业生产中有很多地方需要使用称重设备，例如物料配料、定值控制、定量包装或灌装等场合。特别在从事药品包装机的行业中，对称重控制器的动态称重响应的速度要求非常高，既要保证高速称重的同时还要保证较高的计量精度。传统的颗粒药品的称重方式多采用静态的称重方式，靠人工放料包装称重，生产效率低，需要大量人工。在一些现代化的制药厂中，多条线路颗粒药品自动包装机上使用的动态称重控制器受高速动态称重过程中各种因素的影响，称重的精度无法得到保证。设备的长时间工作使得装药量的误差会越来越大，造成不合格的药品增多，通常在这种情况需要包装机停车，人工手动调节料斗的加药量，使得药品包装的重量在合格的范围里，严重的影响制药厂的生产效率，还会有大量的不合格品产生。
发明内容
本发明要解决现在技术中存在的上述问题，提出一种依据采集到称重数量的平均变化趋势结合药品本身特性的带自动补偿功能的高速称重控制器及控制方法，克服现在药品包装行业存在的问题。
为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明涉及的带自动补偿功能的高速称重控制器，包括MCU单元、AD转换单元、通讯单元、电源单元，其特殊之处是：还设有输入输出单元，所述输入输出单元和通讯单元与MCU单元光电隔离，所述AD转换单元采用24位Σ-Δ模数转换器，将称重数据所对应的微弱的电压模拟量信号转换为数值量并通过带光电隔离的SPI接口发送给MCU单元，所述MCU单元对重量数据进行存储、分析、运算，MCU单元通过通讯单元把重量数据发送给显示屏进行显示；MCU对称重数据信息比对分析，通过输入输出单元通知包装机控制器，进行自动补偿。
本发明所述的MCU单元采用STM32F107RC 32位ARM微处理器。
本发明所述的AD转换单元的型号为AD7190，转换速率4.7HZ～4.8KHZ，4.7HZ～4.8KHZ的转换数据可以满足高速药品包装机的要求，提高生产效率。
本发明所述的通讯单元采用RS-232接口和RS-485总线两种通讯接口，可以实现与包装机控制器及显示屏的通讯。
本发明所述的输入输出单元采用带过压限流保护的四端数字终端和四通道高阻驱动器，具有四路输入端和四路输出端，实现控制器的过轻、超重、出称、入称、报警信号的输入输出；所述出称、入称是包装机控制器发送给称重控制器的输入信号，表示药品包装已经被推入称上或药品包装已经被推下称。
一种如上的的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其步骤如下：
1、所述AD转换单元用于称重，将微弱的电压模拟量信号转换为数值量并通过SPI接口发送给MCU单元；
2、所述输入输出单元接收到包装机控制器的高低电平信号并判断是动态称重模式还是静态称重模式，所述静态称重模式就是静止的时候称重，所述动态称重模式就是包装机不停地运作，通过机械推动实现药品包装的自动上称和下称,实现流水线作业。
3、如果进入动态称重模式，当包装袋上称后，包装机控制器发出触发信号，MCU单元接收到该触发信号延时后接收AD转换单元获得的称重数据，以去除包装袋刚上称时带来的不稳、抖动信号；如果判断进入静态称重模式，进行步骤9；
4、按照上称的前后顺序计算并存储单个包装袋的m次称重数据的平均值，判断重量是否合格，如不合格由包装机控制器控制电磁阀动作，将该包装袋剔除，m为≥50的整数，称重数据由MCU传送给显示屏；
5、计算并存储n个合格的连续称重的包装袋的称重结果的调和平均值Xave
MCU单元采用复合的调和平均数计算公式：
公式中Xi为第i次称重的结果，n为一共采样的样本个数，n为10－20之间的整数；Ximax为n个称重结果中重量最大的值，Ximin为n个称重结果中重量最小的值，Xave为n个称重结果的调和平均值即复合的调和平均数值，依据Xave进行称重判断和控制动作，并通过通讯单元发送给显示屏显示称重数据；
6、称重控制器将动态计算的调和平均值发送给MCU单元按照下式进行补偿运算；
Xf＝Xave-Xs
公式中Xs为标准重量值，Xf为补偿值：
7、通过RS-232/RS-485通讯单元将补偿值Xf发送给包装机控制器，如果Xf在调整设定的范围内则不做调整，如果Xf超过了调整设定的范围由包装机控制器进行调整；调整时补偿值Xf为正值说明调和平均数值比标准重量值大，相应减少加药量，补偿值Xf为负值说明调和平均数值比标准重量值小，相应增加加药量，完成动态补偿；
8、返回步骤3，等待下一个触发信号，重复步骤4～步骤7，进行动态补偿；
9、称重控制器延时后接收AD转换单元获得的静态称重数据，去除物体刚上称时带来的不稳抖动信号，再计算单个包装袋的m次称重的平均值，m为≥50的整数；称重平均值发送给MCU单元，经过RS-232/RS-485通讯单元传送给显示屏。
进一步地，步骤4中重量合格是指称重平均值与标准重量值Xs的差值的绝对值≤标准重量值Xs×2％。
进一步地，步骤6中Xf补偿值＝标准重量值Xs×1％～标准重量值Xs×2％。
进一步地，步骤3和步骤9中所述延时时间为10ms～30ms。
进一步地，步骤7中加药量增加或减小是通过包装机控制器输出角度调整信号给角度调节器，通过角度调节器调整相应出药板的角度实现。
本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明结构简单，安装方便；
2、本发明的通讯单元、输入输出单元采用光电耦合器隔离、电源单元采用隔离稳压DC/DC电源模块，实现切断干扰、抑制噪声，减少对AD转换的模拟信号和通讯电路的干扰，提高称重控制器工作稳定性。
3、带自动补偿功能，可以在包装机高速运行中检测分析包装药品重量变化的趋势，在包装机不停车的状态下自动调节加料设备的加药量，实现自动的重量补偿，让包装药品平稳维持合格的重量区间里；从而减少不合格品的产出率，不用停车调节提高工作效率。
附图说明
图1是带自动补偿功能的高速称重控制器的电路方框图；
图2是输入输出单元与包装机控制器连接结构图；
图3是带自动补偿功能的高速称重控制器电源单元的方框图；
图4是带自动补偿功能的高速称重控制器通讯单元的方框图；
图5是带自动补偿功能的高速称重控制器的流程图；
图6是输入输出单元及对应输入输出单元的光电隔离电路原理图。
图7是对应通信单元的光电隔离电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明涉及的带自动补偿功能的高速称重控制器包括MCU单元1、电源单元2、AD转换单元3、输入输出单元4、通讯单元5和光电隔离单元6。所述MCU单元1采用STM32F107RC 32位ARM微处理器，AD转换单元3采用24位Σ-Δ模数转换器，型号为AD7190，转换速率4.7HZ～4.8KHZ。
MCU单元1是控制器的核心部分，用于实现控制器的控制、运算、分析和通讯功能。AD转换单元3可以采集到称重传感器微弱的模拟电压信号(对应单袋药品包装重量)，并且转化为24位数字量，通过带光电隔离的SPI接口7发送到MCU单元1进行数据的存储、分析、运算。MCU单元1对AD转化数据进行处理得出处理结果，通过GPIO接口8完成控制的报警(过轻、超重)、合格输出。
本发明还提供四路输入信号，输入输出单元4通过GPIO接口8将四路输入信号发送到MCU单元1实现入称、出称、运行停止、报警解除功能。如图2所示，所述输入输出单元4包括带限流过压保护的四路数字终端—401和四路高阻侧驱动—402。输入输出单元4直接与药品包装机控制器(PLC)连接，向包装机控制器(PLC)发送光电信号和接收包装机控制器(PLC)发送的光电信号。MCU单元1通过通讯单元5把数据和自动补偿的结果发送给包装机控制器或显示屏上实现自动的补偿和显示称重数据。MCU单元1和通讯单元5通过带光电隔离的串口9进行通讯。所述PLC采用SMART 200。
如图2所示，所述输入输出单元4包括带限流过压保护的四路数字终端401和四通道高端驱动器402。输入输出单元4直接与药品包装机控制器(PLC)连接，向包装机控制器发送信号和接收包装机控制器发送的信号。
如图3所示，所述电源单元2包括隔离稳压DC-DC一(B2409S)201、5V电源202、隔离稳压DC-DC二(B0505)203和3.3V电源204。隔离稳压DC-DC一201将18—24V输入电压转换为9V的直流电压，提供5V电源202做为输入电压。5V电源202输出5V直流电压，分别提供3.3V204电源、隔离稳压DC－DC二203做为输入电压，为整体的称重控制器提供DC9V、DC5V、DC3.3V电源。电源单元2通过9V和5V两级电压的转化，使得输入输出间的压差降低，电源间的转换效率增加，电源发热量降低，提高了电源的稳定性。
如图4所示，所述通讯单元5包括RS-232通讯电路501和RS-485通讯电路502，具有两种通讯方式，可以实现与包装机控制器和显示屏的通讯。
如图6所示，所述输入输出单元4包括电阻R27－电阻R30、电容C68－电容C71、四路数字终端U9(型号：CLT3－4B)和四通道高端驱动器U10(型号：VNQ860SP-E)、端子排J1和J3、电容C31－电容C34、光电耦合器U5(型号：TLP281－4)、电阻R40－电阻R43、电阻R5－电阻R8、光电耦合器U6(型号：TLP281－4)和电阻R32—电阻R39。所述电容C31－电容C34、光电耦合器U5(型号：TLP281－4)、电阻R40－电阻R43、电阻R5－电阻R8、光电耦合器U6(型号：TLP281－4)和电阻R32—电阻R39组成输入输出单元的光电隔离电路。
如图7所示，通讯单元的光电隔离电路包括电容C35－电容C38和四通道数字隔离器(型号：AduM1402CRW)。
输入输出单元和通讯单元的光电隔离电路组成光电隔离单元6。
称重控制器接口定义
如图5所示，上述的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其步骤如下：
1、MCU运行uC/OS-II系统，首先完成SPI、串口、GPIO外设接口的初始化。给AD7190芯片提供大于200ms低电平复位信号，复位AD转换芯片，再配置AD转换的参数，完成AD转换芯片配置初始化。
2、MCU创建3个线程的任务分别是读取AD转换任务、数据分析任务和通讯任务。
3、所述AD转换单元用于称重，将微弱的电压模拟量信号转换为数值量并通过SPI接口发送给MCU单元；
4、所述输入输出单元接收到包装机控制器的高低电平信号，由MCU单元判断是动态称重模式(高电平)还是静态称重模式(低电平)，所述静态称重模式就是静止的时候称重(例如通过人工把包装好的药品放置在称上)，所述动态称重模式就是包装机不停地运作，通过机械推动实现药品包装的自动上称和下称,实现流水线作业。
5、如果进入动态称重模式，当包装袋上称后，包装机控制器发出触发信号，MCU单元接收到该触发信号延时后接收AD转换单元获得的称重数据，以去除包装袋刚上称时带来的不稳、抖动信号；如果判断进入静态称重模式，进行步骤11；
6、MCU单元按照上称的前后顺序计算并存储单个包装袋的m次称重数据的平均值，判断重量是否合格，如不合格由包装机控制器控制电磁阀动作，将该包装袋剔除，m为≥50的整数且本实施例m＝50，称重数据由MCU传送给显示屏；
7、MCU单元按照下式计算并存储n个合格的连续称重的包装袋的称重结果的调和平均值Xave，
调和平均数计算公式：
公式中Xi为第i次称重的结果，n为一共采样的样本个数，n为10－20之间的整数且本实施例n＝10；Ximax为n个称重结果中重量最大的值，Ximin为n个称重结果中重量最小的值，Xave为n个称重结果的调和平均值即复合的调和平均值，依据Xave进行称重判断和控制动作，并通过通讯单元发送给显示屏显示称重数据；
8、MCU单元按照下式进行补偿运算；
Xf＝Xave-Xs
公式中Xs为标准重量值，Xf为补偿值；
9、通过RS-232/RS-485通讯单元将补偿值Xf发送给包装机控制器和显示屏(显示补偿值)，如果Xf小于等于调整偏差值则不做调整，如果Xf大于调整偏差值则由包装机控制器进行调整，所述调整偏差值＝标准重量值Xs×1％～标准重量值Xs×2％，本实例为标准重量值Xs×1％且具体为80mg；调整时补偿值Xf为正值说明调和平均数值比标准重量值大，相应减少加药量，补偿值Xf为负值说明调和平均数值比标准重量值小，相应增加加药量，进行动态补偿；
10、返回步骤5，等待下一个触发信号，重复步骤6～步骤9，进行动态补偿；
11、MCU单元延时后接收AD转换单元获得的静态称重数据，去除物体刚上称时带来的不稳抖动信号，再计算单个包装袋的m次称重的平均值，m为≥50的整数，本实例m＝50；称重平均值经过RS-232/RS-485通讯单元传送给显示屏。
进一步地，步骤6中重量合格是指称重平均值与标准重量值Xs的差值的绝对值≤标准重量值Xs×2％。
进一步地，步骤5和步骤11中所述延时时间为10ms～30ms，本实例为20ms。
进一步地，步骤9中加药量增加或减小是通过包装机控制器输出角度调整信号给角度调节器，通过角度调节器调整相应出药板的角度实现。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带自动补偿功能的高速称重控制器，包括MCU单元、AD转换单元、通讯单元、电源单元，其特征是：还设有输入输出单元，所述输入输出单元和通讯单元与MCU单元通过光电隔离单元隔离，所述AD转换单元采用24位Σ-Δ模数转换器，将称重数据所对应的微弱的电压模拟量信号转换为数值量并通过带光电隔离的SPI接口发送给MCU单元，所述MCU单元对重量数据进行存储、分析、运算，MCU单元通过通讯单元把重量数据发送给显示屏进行显示；MCU对称重数据信息比对分析，通过输入输出单元通知包装机控制器，进行自动补偿。
2.根据权利要求1所述的带自动补偿功能的高速称重控制器，其特征是：所述MCU单元采用STM32F107RC 32位ARM微处理器。
3.根据权利要求1所述的带自动补偿功能的高速称重控制器，其特征是：所述AD转换单元的型号为AD7190，转换速率4.7HZ～4.8KHZ。
4.根据权利要求1所述的带自动补偿功能的高速称重控制器，其特征是：所述通讯单元采用RS-232接口和RS-485总线两种通讯接口，以实现与包装机控制器及显示屏的通讯。
5.根据权利要求1所述的的带自动补偿功能的高速称重控制器，其特征是：所述输入输出单元采用带过压限流保护的四端数字终端和四通道高阻驱动器，具有四路输入端和四路输出端，实现控制器的过轻、超重、出称、入称、报警信号的输入输出；所述出称、入称是包装机控制器发送给称重控制器的输入信号，表示药品包装已经被推入称上或药品包装已经被推下称。
6.如权利要求1所述的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其特征是：步骤如下：
1)、所述AD转换单元用于称重，将微弱的电压模拟量信号转换为数值量并通过SPI接口发送给MCU单元；
2)、所述输入输出单元接收到包装机控制器的高低电平信号并判断是动态称重模式还是静态称重模式，所述静态称重模式就是静止的时候称重，所述动态称重模式就是包装机不停地运作，通过机械推动实现药品包装的自动上称和下称，实现流水线作业。
3)、如果进入动态称重模式，当包装袋上称后，包装机控制器发出触发信号，MCU单元接收到该触发信号延时后接收AD转换单元获得的称重数据，以去除包装袋刚上称时带来的不稳、抖动信号；如果判断进入静态称重模式，进行步骤9)；
4)、按照上称的前后顺序计算并存储单个包装袋的m次称重数据的平均值，判断重量是否合格，如不合格由包装机控制器控制电磁阀动作，将该包装袋剔除，m为≥50的整数，称重数据由MCU传送给显示屏；
5)、计算并存储n个合格的连续称重的包装袋的称重结果的调和平均值Xave
MCU单元采用复合的调和平均数计算公式：
公式中Xi为第i次称重的结果，n为一共采样的样本个数，n为10－20之间的整数；Ximax为n个称重结果中重量最大的值，Ximin为n个称重结果中重量最小的值，Xave为n个称重结果的调和平均值即复合的调和平均数值，依据Xave进行称重判断和控制动作，并通过通讯单元发送给显示屏显示称重数据；
6)、称重控制器将动态计算的调和平均值发送给MCU单元按照下式进行补偿运算；
Xf＝Xave-Xs
公式中Xs为标准重量值，Xf为补偿值：
7)、通过RS-232/RS-485通讯单元将补偿值Xf发送给包装机控制器，如果Xf在调整设定的范围内则不做调整，如果Xf超过了调整设定的范围由包装机控制器进行调整；调整时补偿值Xf为正值说明调和平均数值比标准重量值大，相应减少加药量，补偿值Xf为负值说明调和平均数值比标准重量值小，相应增加加药量，完成动态补偿；
8)、返回步骤3)，等待下一个触发信号，重复步骤4)～步骤7)，进行动态补偿；
9)、称重控制器延时后接收AD转换单元获得的静态称重数据，去除物体刚上称时带来的不稳抖动信号，再计算单个包装袋的m次称重的平均值，m为≥50的整数；称重平均值发送给MCU单元，经过RS-232/RS-485通讯单元传送给显示屏。
7.根据权利要求6所述的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其特征是：步骤4)中重量合格是指称重平均值与标准重量值Xs的差值的绝对值≤标准重量值Xs×2％。
8.根据权利要求6所述的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其特征是：步骤6)中Xf补偿值＝标准重量值Xs×1％～标准重量值Xs×2％。
9.根据权利要求6所述的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其特征是：步骤3)和步骤9)中所述延时时间为10ms～30ms。
10.根据权利要求6所述的带自动补偿功能的高速称重控制器的高速称重控制方法，其特征是：步骤7)中加药量增加或减小是通过包装机控制器输出角度调整信号给角度调节器，通过角度调节器调整相应出药板的角度实现。
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