传送带重量检测的远程显示与处理

2014-10-15孙彦萍孙小飞王子豪

机电信息 2014年23期

孙彦萍孙小飞王子豪

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049；2.山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049）

0 引言

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题，且人机界面的友好发展更加体现了人性化。此外，无线技术的发展使远程显示与监控得以广泛应用，人们可以在控制室对远方终端系统进行实时监测与控制。自20世纪60年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到广泛应用，同时其功能也不断得到完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上，增加了模拟量处理和运动控制等功能。如今的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。药品重量检测是制药产业中重要的环节，将自动化技术应用到该环节中可以有效提高药品的检测效率，节省更多的时间、人力和物力。

1 系统模块介绍

根据设计的基本要求，传送带重量检测系统共分为6个模块，分别为药品重量检测装置、NRF905数据无线传输模块、液晶显示模块、机械抓手模块、PLC控制模块和变频器模块。其系统原理如图1所示。

图1 传送带重检测系统原理图

1.1 药品重量检测装置

在本装置中用于称量的主要器件是称重传感器，称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力时产生的电信号也随之变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于称重传感器一般的输出范围为0～20mV，对于A/D转换或单片机的工作参数来说，不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号，以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。

智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出声光报警信号，提示用户，防止损坏仪器，同时让工作人员对不合格产品做出合理的处理。超限报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从而导通三极管，使蜂鸣器发出报警声，同时使报警灯发光。

1.2 NRF905数据无线传输模块

NRF905芯片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，使用非常方便。

由于NRF905具有ShockBurstTM功能，使得NRF905不需要使用昂贵的高速微控制处理器（MCU）对数据处理/时钟恢复也能达到较高的数据率。通过在芯片上将所有的高速信号处理变为射频通信协议，NRF905芯片提供了一个具有微控制器能力的SPI接口，数据率由具有微控制器功能的接口速率自行设定。收发电路的数字部分是一个低速率电路，而收发电路的射频链接却是一个处于最高速率的电路，整个电路要通过变速才能解决速率上的差异。

NRF905芯片的ShockBurstTMTX模式减少了在这一过程中的平均电流消耗。在ShockBurstTMTX模式中，当一个有效地址的数据包被接收时，能够通过AM和DR这2个信号外送给MCU。另外，在ShockBurstTMTX模式中，NRF905芯片能够自动地完成报头的生成和CRC校验，当发送过程完成后，能够通过DR信号外送给MCU，发送工作就已经完成。这样可以降低MCU对内存的要求，使得MCU实现了低成本，同时也缩短了软件的开发周期。芯片的工作及节能模式如表1所示。

表1 芯片的工作及节能模式

1.3 液晶显示模块

液晶是相态的一种，因为具有特殊的理化与光电特性，在20世纪中期开始被广泛应用于轻薄型的显示技术上。12864液晶是液晶的一种，是128×64点阵液晶模块点阵数的简称，它不但可以显示数字、字母，而且可以显示中文字形与图形，有良好的显示功能。此外，12864液晶具有3种不同的控制接口，分别是串行接口、4位微控制器接口和8位微控制器接口，可以方便进行操作控制。

12864液晶功耗小、可靠性高、驱动电压低、显示信息量大、成本低、显示清楚，适用于各种小型设备的显示领域。基于以上优点，本设计采用12864液晶远程显示药品重量的检测结果。12864液晶显示原理如图2所示。

图2 12864液晶显示原理图

1.4 机械抓手模块

本文采用圆柱坐标式机械抓手来取下不合格药品。机械抓手的结构如图3所示。圆柱坐标式机械抓手可以通过转动竖直立柱来改变机械抓手手臂的方向，通过水平移动或竖直移动来改变水平方向和竖直方向的力臂。机械抓手的工作均由电机驱动，其上升、下降、左移、右移都是由电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。另外，交流电机的正反转可以控制机械抓手的张合。

图3 机械抓手结构图

1.5 PLC控制模块

PLC即可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC硬件的基本结构如图4所示，PLC的工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。

图4 PLC硬件的基本结构图

由于PLC抗干扰能力强、编程简单、操作方便、性价比较高，因此，本设计采用PLC进行控制，由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，以此来控制机械抓手的精确定位。

当药品重量不合格时，PLC输出信号，控制机械抓手的上升、下降、左移、右移和夹紧、放松等操作。由于机械手的控制属于开关量控制，在功能上未提出特殊要求，因此任何型号的小型PLC均可满足要求。根据所需的I/O总点数并留有一定的备用量，可选用FX2N-48RM，其输入和输出各24点，为继电器输出型，可以满足本设计的基本要求。

1.6 变频器及三相异步电动机模块

变频器是应用变频技术与微电子技术，利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转变为另一频率电能的控制装置。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元等组成，它靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

变频器能够实现对交流异步电机的软启动和变频调速，并且能够提高交流异步电机的运转精度，改变功率因数。此外，变频器还有很多保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着现代工业自动化程度的不断提高，变频器也得到越来越广泛的应用。

三相异步电动机由定子和转子组成，三相电动机的定子一般由外壳、定子铁芯、定子绕组等部分组成，定子是用来产生旋转磁场的。转子由转子铁芯和转子绕组组成。图5为三相异步电动机转动原理示意图。三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速：

图5 三相异步电动机的转动原理

式中n1——转速，r/m in；

f——电源频率，Hz；

p——磁极对数，极。

旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻上为北极N、下为南极S，如图6所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用表示。

图6 异步电动机模型图

2 实际生产应用

在实际制药生产线上，首先由药品重量检测装置检测出传送带上重量不合格的药品并发出报警声，然后经NRF905无线传输，将信息传送到液晶显示屏上，方便对药品重量进行远程显示和监控。同时由可编程逻辑控制器PLC输出三路脉冲，驱动变频器控制三相异步电动机，以此来控制机械抓手将不合格的药品取下。

3 设计特点

此药品重量检测装置的设计特点：（1）本设计不但可以实现对药品重量的远程显示，而且可以及时取下不合格药品，自动化程度高。（2）药品重量检测装置能够准确地检测出不合格药品的重量。（3）采用液晶显示，功耗小，成本低，性能稳定，具有良好的人机交互界面。（4）采用的可编程逻辑控制器PLC编程简单，操作方便，性价比较高。（5）采用变频器来实现对机械抓手的精确控制，不但能够节能、调速，而且能够实现对电路的保护。