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        智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方案

        2020-03-26 05:41:52
        技術(shù)與市場(chǎng) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:注液鍵盤(pán)杯子

        (江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214000)

        0 引言

        智能化液體給定裝置是機(jī)電一體化裝置,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,其中圓盤(pán)是由減速器和步進(jìn)電機(jī)所帶動(dòng),在圓盤(pán)中存在8個(gè)孔位可分別放置杯子,當(dāng)杯子轉(zhuǎn)到注液頭下部位置時(shí),此時(shí)會(huì)托起杯子并向杯中注入給定體積的液體,注入量是由水壓電磁閥工作時(shí)間來(lái)確定的。該裝置主要涉及軟件設(shè)計(jì)、電子傳感器等多個(gè)領(lǐng)域,本研究主要針對(duì)智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

        1 電控系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)

        從原理上看,智能化液體給定裝置電控系統(tǒng)是復(fù)雜機(jī)電一體化裝置,主要涉及機(jī)械、硬件、電路、軟件等設(shè)計(jì)。具體整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示,主要由單片機(jī)、液體箱、變頻器、AD轉(zhuǎn)換電路、水泵、壓力傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等共同構(gòu)成。在給定方式設(shè)計(jì)中目前存在4種液體給定計(jì)量方式,包括蠕動(dòng)泵給定計(jì)量、容積泵給定計(jì)量、陶瓷活塞給定計(jì)量和時(shí)間壓力法。前2種方式目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,而后2種使用較少。在不同容量中采用容積泵給定計(jì)量難度較大,而且很難清洗;采用蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制時(shí)精度較低,很容易出現(xiàn)變形磨損,而且很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性;采用陶瓷活塞計(jì)量泵拆卸、計(jì)量調(diào)整不便;相對(duì)來(lái)看時(shí)間壓力法是一種比較先進(jìn)的罐裝計(jì)量方式。

        圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        在時(shí)間壓力法即恒壓維持法中共有2種方式,首先可以通過(guò)恒壓儲(chǔ)存罐將液體保持在一定范圍的液面高度,即實(shí)現(xiàn)恒壓;其次可以采用變頻器進(jìn)行液體泵轉(zhuǎn)速的控制,通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行壓力信息采集,并將信號(hào)傳給CPU,由CPU通過(guò)計(jì)算處理控制變頻器功率,實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的控制,以實(shí)現(xiàn)壓力恒定。第1種方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,但為獲得一定壓力要求液面會(huì)很高,這種裝置很難實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì),且很難進(jìn)行精度有效控制;第2種方法實(shí)現(xiàn)難度較大,但由于利用變頻器能夠擴(kuò)大壓力的調(diào)節(jié)范圍,且裝置可實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì),采用閉環(huán)控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)給液的精度。

        在本研究中從硬件角度來(lái)看,使用模塊化設(shè)計(jì)的方式,可將其分為數(shù)據(jù)采集、基本控制、顯示、鍵盤(pán)管理、輸出控制、監(jiān)控報(bào)警幾個(gè)單元。具體來(lái)看,在基本控制方面選用89s52單片機(jī)為控制核心單元,相比PLC來(lái)說(shuō)具有較快的執(zhí)行速度和可拓展性,且成本較低,尤其對(duì)于一些干擾性較小的工業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō),單片機(jī)具有廣泛的應(yīng)用性。

        DSP運(yùn)行速度快,對(duì)于空間儲(chǔ)存要求較高,但同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,外部要求高。綜上所述,可以使用單片機(jī)的控制方式作為控制單元,在數(shù)據(jù)采集處理方面可利用回流壓力,并將杯子和重量信號(hào)傳遞給控制單元,之后再由控制原件根據(jù)具體要求完成相應(yīng)操作。

        采樣電路包括電子轉(zhuǎn)換傳感器、驅(qū)動(dòng)放大、A/D轉(zhuǎn)換這幾種電路。在壓力傳感器選擇過(guò)程中,由于本研究主要基于恒壓狀態(tài)進(jìn)行給定液體的精確控制,回路壓力恒定將影響最終液體給定的準(zhǔn)確度,因此選擇壓力傳感器是十分重要的。

        本研究通過(guò)比較多種傳感器,結(jié)合廠家參數(shù),最終選擇的傳感器是由深圳科普研發(fā)的100系列,即擴(kuò)散硅壓力傳感器,該傳感器使用不銹鋼隔離膜片技術(shù)以及硅壓組技術(shù)融合asIc技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)放大輸出壓力變送器。本研究中選擇電阻應(yīng)變稱(chēng)重傳感器,具體運(yùn)行原理為:基于外部作用力的條件下,彈體會(huì)出現(xiàn)形變,使其粘貼在表面電阻應(yīng)變片,同樣產(chǎn)生變形,當(dāng)其變形后其組織產(chǎn)生變化,經(jīng)測(cè)量電路將電阻變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)變化,并形成將外力轉(zhuǎn)為電信號(hào)的過(guò)程,本研究中選擇了日本ISM這一型號(hào)的稱(chēng)重傳感器用于設(shè)計(jì)。

        在顯示單元方面可用于注射機(jī),當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示以及部分參數(shù)顯示,使用戶能夠根據(jù)屏幕獲取更多的參數(shù)信息,目前這一研究還處于初步發(fā)展階段。為能夠降低生產(chǎn)成本和操作難度,采用顯示屏顯示的方式在之后,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和實(shí)時(shí)顯示,由于本研究采用單片控制的方式,為能夠節(jié)約資源,在顯示位置采用bc7281b。在鍵盤(pán)輸入單元方面能夠?yàn)槿藱C(jī)交流提供基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)不同功能選擇和控制輸入,該鍵盤(pán)有編碼和非編碼鍵盤(pán),其中編碼鍵盤(pán)是由硬件電路完成試點(diǎn)工作,具有良好的可靠性。該鍵盤(pán)操作比較簡(jiǎn)單,但硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,對(duì)于非編碼鍵盤(pán)來(lái)說(shuō)只能提供鍵盤(pán)矩陣行列,鍵的識(shí)別將決定最終按鍵讀數(shù)等,需要依靠軟件進(jìn)行完成,因此在硬件設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,但會(huì)占用較多的CPU時(shí)間。

        本研究以單片機(jī)作為核心,由于I/O資源受到限制,依次選擇編碼鍵盤(pán),即bc72818。在輸出控制單元方面,主要包括注液電磁閥、托杯電機(jī)圓盤(pán)、轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)這3個(gè)控制單元。具體來(lái)看,在注液電磁閥控制過(guò)程中可完成注液操作,當(dāng)電磁閥動(dòng)作后會(huì)給指定杯子進(jìn)行液體注射,注液量是由管道壓力以及注射時(shí)間共同決定的,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)客戶的輸入需求,結(jié)合目前管道壓力來(lái)確定最終的作業(yè)時(shí)間,并完成準(zhǔn)確給定。為能夠防止電磁閥關(guān)閉打開(kāi)過(guò)程中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)影響控制單元,可以選擇直流電磁閥的控制方式,在托杯電氣控制過(guò)程中,當(dāng)指定杯子轉(zhuǎn)到某一位置之后,此時(shí)會(huì)托起托杯,并能夠使杯子重量落在稱(chēng)重傳感器中,可檢測(cè)目前杯子的空重量,結(jié)合采回來(lái)的樣值作為判斷執(zhí)行多種操作,在圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)杯子選擇,采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方式,在圓盤(pán)上做好初始標(biāo)記,可以通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行初始位的識(shí)別過(guò)程,單片機(jī)輸出信號(hào)首先可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī),再由該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),完成指定杯子選擇。在監(jiān)控報(bào)警方面,當(dāng)控制量或壓力位置重量超過(guò)系統(tǒng)額定限制時(shí),此時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),提醒工作人員進(jìn)行故障處理,此外,安全報(bào)警模塊是和顯示器揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路共同構(gòu)成的。

        2 效果展示

        在本研究中能夠結(jié)合實(shí)際情況,利用單片機(jī)進(jìn)行智能液體給定系統(tǒng)開(kāi)發(fā),同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這種控制系統(tǒng)具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性,且易于操作。通過(guò)更改程序可實(shí)現(xiàn)不同控制需求,未來(lái)將實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、高精度生產(chǎn),具有廣泛市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。

        在本研究過(guò)程中需具備以下功能:首先要求高精度,當(dāng)注液量低于30 mL時(shí),其誤差范圍低于0.1 mL;當(dāng)主液量高于30 mL低于40 mL時(shí),其相應(yīng)的誤差范圍在0.1~0.15 mL;當(dāng)注液量高于40 mL時(shí),其誤差范圍不高于0.2 mL。通過(guò)研究,我們獲得注射過(guò)程中實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù),表明該裝置具有良好的注液精確度。除高精度之外,還有多種運(yùn)行模式,比如循環(huán)、隔杯、單杯注液等,同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能,如溢出報(bào)警,即達(dá)到水位下限或上限報(bào)警等;且可采取自動(dòng)開(kāi)機(jī)校準(zhǔn),在單杯注液過(guò)程中遵循就近原則。

        3 結(jié)語(yǔ)

        針對(duì)當(dāng)前工業(yè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的需求,設(shè)計(jì)了智能化液體給定裝置,該裝置具有較強(qiáng)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,后期操作簡(jiǎn)便,而且具有良好的精確度,相信未來(lái)該裝置將廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)中。

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