孫彥萍 孫小飛 王子豪

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題，且人機(jī)界面的友好發(fā)展更加體現(xiàn)了人性化。此外，無(wú)線技術(shù)的發(fā)展使遠(yuǎn)程顯示與監(jiān)控得以廣泛應(yīng)用，人們可以在控制室對(duì)遠(yuǎn)方終端系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。自20世紀(jì)60年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)其功能也不斷得到完善。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上，增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。如今的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。藥品重量檢測(cè)是制藥產(chǎn)業(yè)中重要的環(huán)節(jié)，將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到該環(huán)節(jié)中可以有效提高藥品的檢測(cè)效率，節(jié)省更多的時(shí)間、人力和物力。

1 系統(tǒng)模塊介紹

根據(jù)設(shè)計(jì)的基本要求，傳送帶重量檢測(cè)系統(tǒng)共分為6個(gè)模塊，分別為藥品重量檢測(cè)裝置、NRF905數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊、液晶顯示模塊、機(jī)械抓手模塊、PLC控制模塊和變頻器模塊。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 傳送帶重檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

1.1 藥品重量檢測(cè)裝置

在本裝置中用于稱量的主要器件是稱重傳感器，稱重傳感器在受到壓力或拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，受到不同壓力或拉力時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)也隨之變化，而且力與電信號(hào)的關(guān)系一般為線性關(guān)系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為0～20mV，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換或單片機(jī)的工作參數(shù)來(lái)說(shuō)，不能使A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)正常工作，所以需要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)接收。單片機(jī)根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號(hào)和速度傳感器輸出的速度信號(hào)計(jì)算出物體的重量。

智能儀器一般都具有報(bào)警和通訊功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)、測(cè)量的數(shù)據(jù)超過(guò)儀表量程或者是超過(guò)用戶設(shè)置的上下限時(shí)為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報(bào)警的目的就是在超出電子秤測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示用戶，防止損壞儀器，同時(shí)讓工作人員對(duì)不合格產(chǎn)品做出合理的處理。超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的I/O口來(lái)控制的，當(dāng)稱重物體重量超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過(guò)程序使單片機(jī)的I/O值為高電平，從而導(dǎo)通三極管，使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)使報(bào)警燈發(fā)光。

1.2 NRF905數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊

NRF905芯片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無(wú)需用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，使用非常方便。

由于NRF905具有ShockBurstTM功能，使得NRF905不需要使用昂貴的高速微控制處理器（MCU）對(duì)數(shù)據(jù)處理/時(shí)鐘恢復(fù)也能達(dá)到較高的數(shù)據(jù)率。通過(guò)在芯片上將所有的高速信號(hào)處理變?yōu)樯漕l通信協(xié)議，NRF905芯片提供了一個(gè)具有微控制器能力的SPI接口，數(shù)據(jù)率由具有微控制器功能的接口速率自行設(shè)定。收發(fā)電路的數(shù)字部分是一個(gè)低速率電路，而收發(fā)電路的射頻鏈接卻是一個(gè)處于最高速率的電路，整個(gè)電路要通過(guò)變速才能解決速率上的差異。

NRF905芯片的ShockBurstTMTX模式減少了在這一過(guò)程中的平均電流消耗。在ShockBurstTMTX模式中，當(dāng)一個(gè)有效地址的數(shù)據(jù)包被接收時(shí)，能夠通過(guò)AM和DR這2個(gè)信號(hào)外送給MCU。另外，在ShockBurstTMTX模式中，NRF905芯片能夠自動(dòng)地完成報(bào)頭的生成和CRC校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，能夠通過(guò)DR信號(hào)外送給MCU，發(fā)送工作就已經(jīng)完成。這樣可以降低MCU對(duì)內(nèi)存的要求，使得MCU實(shí)現(xiàn)了低成本，同時(shí)也縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期。芯片的工作及節(jié)能模式如表1所示。

表1 芯片的工作及節(jié)能模式

1.3 液晶顯示模塊

液晶是相態(tài)的一種，因?yàn)榫哂刑厥獾睦砘c光電特性，在20世紀(jì)中期開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于輕薄型的顯示技術(shù)上。12864液晶是液晶的一種，是128×64點(diǎn)陣液晶模塊點(diǎn)陣數(shù)的簡(jiǎn)稱，它不但可以顯示數(shù)字、字母，而且可以顯示中文字形與圖形，有良好的顯示功能。此外，12864液晶具有3種不同的控制接口，分別是串行接口、4位微控制器接口和8位微控制器接口，可以方便進(jìn)行操作控制。

12864液晶功耗小、可靠性高、驅(qū)動(dòng)電壓低、顯示信息量大、成本低、顯示清楚，適用于各種小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用12864液晶遠(yuǎn)程顯示藥品重量的檢測(cè)結(jié)果。12864液晶顯示原理如圖2所示。

圖2 12864液晶顯示原理圖

1.4 機(jī)械抓手模塊

本文采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械抓手來(lái)取下不合格藥品。機(jī)械抓手的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械抓手可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)豎直立柱來(lái)改變機(jī)械抓手手臂的方向，通過(guò)水平移動(dòng)或豎直移動(dòng)來(lái)改變水平方向和豎直方向的力臂。機(jī)械抓手的工作均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其上升、下降、左移、右移都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來(lái)完成的。另外，交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以控制機(jī)械抓手的張合。

圖3 機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)圖

1.5 PLC控制模塊

PLC即可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，PLC的工作過(guò)程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段。

圖4 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖

由于PLC抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、操作方便、性價(jià)比較高，因此，本設(shè)計(jì)采用PLC進(jìn)行控制，由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動(dòng)橫軸、豎軸變頻器，以此來(lái)控制機(jī)械抓手的精確定位。

當(dāng)藥品重量不合格時(shí)，PLC輸出信號(hào)，控制機(jī)械抓手的上升、下降、左移、右移和夾緊、放松等操作。由于機(jī)械手的控制屬于開(kāi)關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求，因此任何型號(hào)的小型PLC均可滿足要求。根據(jù)所需的I/O總點(diǎn)數(shù)并留有一定的備用量，可選用FX2N-48RM，其輸入和輸出各24點(diǎn)，為繼電器輸出型，可以滿足本設(shè)計(jì)的基本要求。

1.6 變頻器及三相異步電動(dòng)機(jī)模塊

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪活l率電能的控制裝置。變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和微處理單元等組成，它靠?jī)?nèi)部IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。

變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，并且能夠提高交流異步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，改變功率因數(shù)。此外，變頻器還有很多保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

三相異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，三相電動(dòng)機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵芯、定子繞組等部分組成，定子是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。圖5為三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖。三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速：

圖5 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

式中n1——轉(zhuǎn)速，r/m in；

f——電源頻率，Hz；

p——磁極對(duì)數(shù)，極。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過(guò)。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，且某時(shí)刻上為北極N、下為南極S，如圖6所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)和電流方向由里向外，用⊙表示；在下半部則由外向里，用表示。

圖6 異步電動(dòng)機(jī)模型圖

2 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

在實(shí)際制藥生產(chǎn)線上，首先由藥品重量檢測(cè)裝置檢測(cè)出傳送帶上重量不合格的藥品并發(fā)出報(bào)警聲，然后經(jīng)NRF905無(wú)線傳輸，將信息傳送到液晶顯示屏上，方便對(duì)藥品重量進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示和監(jiān)控。同時(shí)由可編程邏輯控制器PLC輸出三路脈沖，驅(qū)動(dòng)變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)，以此來(lái)控制機(jī)械抓手將不合格的藥品取下。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

此藥品重量檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：（1）本設(shè)計(jì)不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品重量的遠(yuǎn)程顯示，而且可以及時(shí)取下不合格藥品，自動(dòng)化程度高。（2）藥品重量檢測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出不合格藥品的重量。（3）采用液晶顯示，功耗小，成本低，性能穩(wěn)定，具有良好的人機(jī)交互界面。（4）采用的可編程邏輯控制器PLC編程簡(jiǎn)單，操作方便，性價(jià)比較高。（5）采用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械抓手的精確控制，不但能夠節(jié)能、調(diào)速，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，各行各業(yè)對(duì)智能、自動(dòng)化的設(shè)備與儀器的需求越來(lái)越迫切，本文所設(shè)計(jì)出的傳送帶藥品重量檢測(cè)遠(yuǎn)程顯示與處理系統(tǒng)，不但可以自動(dòng)檢測(cè)并選取合格重量的藥品，而且可以智能地遠(yuǎn)程顯示藥品重量情況，符合時(shí)代的發(fā)展潮流，很好地滿足了制藥企業(yè)的發(fā)展需求。

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