专利名称：装包机包装控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水泥包装自动化控制技术领域，特别是装包机包装控制器。该装包机包装控制器(PCS)与水泥装包机配套使用。
现在，在水泥包装领域大多采用流水作业的装包生产线，有进口的包装生产线也有国产的包装生产线，如申请人单位现在使用的一条包装生产线是德国MOLLERS公司制造的八嘴回转式包装机。根据设备运行情况，申请人认为，八嘴控制系统较简洁合理，每嘴由独立的一单片机系统控制，无需校正系统，性能较稳定，精度较高。但也存在着一些问题，如现场生产条件无法满足其零点校正范围(-0.5-1.5KG)的要求，经常造成零点范围超出故障，从而影响生产的连续性。同时，这种进口装置还存在的令人头疼的问题，即一旦设备损坏，无法采购所需更换的备件，难以进行及时维修。申请人单位现在使用的另一条包装生产线是国产的六嘴包装机，采用共用一主机控制六个灌装嘴，并包含校正秤，控制电路复杂，且稳定性较差，又无零点调节控制，加之控制箱内插件板多，密封防尘性较差，使得设备的可靠性和精度难于保证，维护、调校工作量大大增加。据了解，国内使用无锡建材仪器厂等厂家出产的包装机控制器使用效果也不甚理想。
本实用新型的目的是，针对上述现有技术的不足进行改进，提出并设计装包机包装控制器。其是结合两种包装机的控制要求、吸取两种控制器的优点的一种新型的装包机包装控制器。
本实用新型的技术解决方案是，包括供电电源、与称重传感器配接的称重信号回路、与检测机构配接的开关量输入输出单元、显示器、单片机控制器，其特征在于，单片机控制器配有四个薄膜键的操作面板；供电电源分别给单片机控制器、薄膜键、显示器、与检测机构配接的开关量输入输出单元、与称重传感器配接的称重信号回路提供工作电源，单片机控制器分别与称重信号回路、薄膜键、显示器、开关量输入输出单元相连，与检测机构配接的开关量输入输出单元包括数字信号输出回路、开关量输入回路。
其特征在于，供电电源包括模拟、数字、激励和驱动电源四部分组成，且相互独立不共地，其中，供电电源的激励电源由变压器、桥式整流、滤波电路、三端稳压块及运算放大器配接组成。
其特征在于，称重信号回路采用了由三个集成运放及外围元件组成的通用数据放大器，基准电压源和A/D转换器，其中，通用数据放大器包含两个放大级，第一级为对称的二个同相输入端放大级，第二级接有模拟开关的差动放大级，基准电压源采用了MAX675型号的集成块，A/D转换器采用MAX194型号的集成块及其外围元件电阻、电容组成，A/D转换器分别与通用数据放大器、基准电压源配接。
其特征在于，数字信号输出回路由驱动模块、光电耦合模块、固态继电器组成。
其特征在于，显示器由显示驱动器MAX7219集成块、数码管、发光二极管及外围元器件电阻、电容组成。
其特征在于，操作面板上有一个数码管显示窗口、电源指示窗口、六个故障指示窗口、二个标识。数码管显示窗口位于操作面板中央，四个薄膜键平行排列在数码管显示窗口的下方。
本实用新型的工作原理是，以51系列单片机89C52为核心，以低功耗、高集成度的外围芯片为辅，采用模糊控制，智能跟踪技术，通过对称重传感器检测的信号进行实时处理、判断、计算、优化，能自动适应不同品种水泥的容重，从而精确地控制水泥生产中装包机的装包过程和袋重重量。满足台时产量的控制要求。每嘴独立采用一套单片机控制，不设校正秤；提供零点设定范围，包装袋重可设50KG或45KG；同时能满足八嘴及六嘴包机的控制要求。其工作过程，当插上水泥袋后，控制器自动清零，自动灌装，自动称重，自动推包。
本实用新型的优点是，设计合理，自动控制程度高，性能稳定，精度高，能实现智能控制水泥生产中装包机包装生产过程和灌装水泥的袋重重量，使袋重单包误差小于50±0.4KG，20包误差小于1000＋8KG。满足装包机台时产量达到设计值时对控制器的要求。彻底摒弃目前包装机使用的控制方法和矫正秤系统，采用的控制电路，在生产中无需调校维护，属“傻瓜型”控制器。解决了制约水泥包装生产的“瓶颈”问题，同时大大降低成本。
图1，本实用新型的基本结构框图图2，本实用新型采用的供电电源的模拟、数字、驱动电源电路原理图图3，本实用新型采用的供电电源的输入接插件接线图图4，本实用新型采用的供电电源的输出接插件接线图图5，本实用新型采用的供电电源的激励电源电路原理图图6，本实用新型采用的与称重传感器配接的接插件接线图图7，本实用新型采用的供电电源配置的屏蔽单元电路图图8，本实用新型采用的供电电源配置的电源指示电路图图9，本实用新型采用的与称重传感器配接的称重信号回路的通用数据放大器电路原理图
图10，本实用新型采用的与称重传感器配接的称重信号回路的A/D转换器电路原理图
图11，本实用新型采用的开关量输入回路电路原理图
图12，本实用新型采用的与薄膜键配接的电路原理图
图13，本实用新型采用的单片机控制器的复位电路和微处理器电路原理图
图14，本实用新型采用的与微处理器配接的显示驱动器电路原理图
图15，本实用新型采用的薄膜键和与显示板配接的接插件接线图
图16，本实用新型采用的显示器的故障信号指示电路原理图
图17，本实用新型采用的显示器的称重信号指示电路原理图
图18，本实用新型采用的数字信号输出回路的部分电路原理图
图19，本实用新型采用的数字信号输出回路的部分电路原理图图20，本实用新型采用的操作面板示意图下面，根据附图详细描述本实用新型的实施例。
如
图1所示，本实用新型的硬件结构主要由六大部分组成，即与称重传感器8配接的称重信号回路5、与检测机构7配接的开关量输入输出单元3、显示器2，单片机控制器4、薄膜键6组成。其中，供电电源1分别给单片机控制器4、薄膜键6、显示器2、开关量输入输出单元3、与称重传感器8配接的称重信号回路5提供工作电源，单片机控制器4分别与称重信号回路5、薄膜键6、显示器2、开关量输入输出单元3相连，单片机控制器4配有四个薄膜键6的控制面板，与检测机构7配接的开关量输入输出单元3包括数字信号输出回路、开关量输入回路。
如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，供电电源1由模拟、数字、激励和驱动电源四部分组成，且相互独立不共地。其中，交流220VAC外接电源经保险F1接至变压器T1、T2，变压器T1、T2的各个次级绕阻的引线至插接件CZ0，插接件CZ0为10芯插接件。该电路采用整流桥B1对经过变压器T1降压的交流电进行桥式整流，经电容C1∽C8滤波，再经三端稳压块P1，P2(型号为7815，7915)稳压，输出+15V和-15V稳定的直流电压，供给称重信号回路5的运放和基准源电源用。同时，变压器T1的次级绕组的7，8脚经保险F2至整流桥B2，整流桥B2对经过变压器T1降压的该次级绕组输出的交流电进行桥式整流，经电容C9∽C13滤波，再经大功率三端稳压器P3(型号为LM323)稳压，输出+5V稳定的直流电压供给各芯片的工作电源。变压器T2的次级绕组的101，102脚直接接至整流桥B3，整流桥B3对经过变压器T2降压的该次级绕组输出的交流电进行桥式整流，经电容C14，电阻R1滤波，输出+24V直流电压供给各固态继电器用。通过12芯插接件CZ1将电源板电源引入单片机控制器4的主板，利用电解电容器C15∽C17跨接电源输入端，增强电源抗噪声能力。
供电电源1中采用整流桥B4对经过变压器T1降压的次级绕组的9、12脚输出的交流电进行桥式整流(次级绕组的10、11脚为中间抽头)，经电容C18∽C25及C26∽C31和电感L1，L2组成的LC滤波电路，再分别经三端稳压块P4，P5(型号为7805，7905)稳压，同时，电路中接入运算放大器IC1(型号为OP07)，由P4的1脚和P5的2脚给IC1提供正负电源，调节精密电位器W1，使+5V，-5V直流电压更加稳定，由两端点组成的+10V的直流电压供称重传感器8的激励电源使用。由三端稳压块P6(型号为7905)，和后级电容C32，C33滤波，输出-5V稳压直流电源供称重信号回路5中的A/D转换器的负电源使用。6芯插接件CZ2为来自现场称重传感器8的引线插接件。钽电容和聚炳电容C34∽C40作为去耦电容，接入芯片的电源线(VCC)和地线(GND)间，增强抗噪声能力。电阻R4∽R8对应发光二极管DL1∽DL5组成串联支路，分别接入(+5V、-5V、+15V、-15V)电源正负端，用于+5V、-5V、+15V、-15V供电回路正常指示。
如图9所示，称重信号回路5采用由IC2、IC3、IC4三个集成运放及外围元件组成的通用数据放大器。该电路包含两个放大级，IC2、IC3组成第一级，称重传感器输入端IN1，IN2的毫伏信号分别经电感、电容L3、R9和L4、R10至集成块IC2和IC3的同相输入端，在两个同相输入端之间接入滤波电容C42、C43和稳压管DW1∽DW4，由于该电路结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。电阻R11、R12、R13决定第一级放大倍数，对精密电位器W3、W4调整，调节放大器的零点。电路中集成块IC4及外围元件电阻R14∽R19、电容C14、精密电位器W2组成典型的差动放大级，将差动输入转换成单端输出。集成块IC4为双运放，集成块IC4A输出经电阻R20、R21、R22至集成块IC4B同相输入，集成块IC4B的7脚为放大器最后一级放大输出，集成块IC4B的7脚接有供调试电路用的跳线器J1。此电路完成将毫伏信号通过可变参数滤波器，滤波后经运算放大器OP-07和双运放LF442组成的多级放大，放大成0∽5VDC标准信号送至A/D转换器(型号为MAX194)后再送单片机控制器4。该电路中通过专用工作软件控制使微处理器CPU的P3.0脚输出高电平，使模拟开关MAX323接通，使滤波电容C51、C52接入回路，进一步滤波处理，从而保证采样数据的准确性。
如
图10所示，在A/D转换器电路中，集成块IC7作为基准电压源，系8脚DIP封装的集成块。+15V直流电源引至集成块IC7的2脚，集成块IC7的6，4脚之间串有电阻R28，R29，电位器W5，W5的调节端接集成块IC7的5脚，调节W5使集成块IC7的6脚标准电压范围在0∽5V，电容C63，C64并联，旁路集成块IC6的12脚REF输入端，为A/D转换器提供良好的基准电压。集成块IC6为A/D转换器。采用美国MAXIM公司的高速度、高精度、低电源功耗14位逐次逼近A/D转换单元MAX194，集成块IC6的4、11、6、16、15、14脚的电位分别为+5V，-5V，DGND和+5V，-5V，AGND，若该电路中的模拟电源和数字电源共用同一个电源，必需用电阻R25，R27把模拟电源和数字电源隔离开来，并且用四组电容C55∽C62相并联，将电源的高频噪声旁路到模拟地。为了REF和AIN信号不应超过集成块IC6的电源电压，使用了硅二极管D1，D2与限流电阻R26把信号箝位到电源电压，集成块IC6的1脚接+5V为单极性输入方式，集成块IC6的2、5、7、9、10脚为变换时钟输入端、串行数据输出端、变换结束端、变换开始输入端、复位输入信号端，它们分别与集成块IC12/微处理器CPU的P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7脚相连。A/D转换器的工作方式是在变换期间内接收串行数据。
如
图11、
图13所示，数字信号输入回路由来自现场开关量信号，(即推袋到位TDW、压袋到位YDW、压袋清零YDQL、急停JT、手动灌装SDGZ等)至10芯插接件CZ3，再引至光电耦合集成块IC8、IC9(型号为TPL524-1)，隔离后至集成块IC12/微处理器CPU的P1口的P1.4、P1.3、P1.2、P1.1、P1.0脚。
图12、
图13和
图15所示，薄膜键6共四个薄膜键K1，K2，K3，K4，其键输出端S1∽S8接至8芯插接件CZ6，由扁缆连接至10芯插接件CZ4，再至缓冲收发器集成块IC10(型号为74LS244)的2、4、6、8脚的输入端，由集成块IC10的18、16、14、12脚输出至集成块IC12/微处理器CPU的P3.2、P3.4、P1.7、P1.6脚。通过专用工作软件实现薄膜键6的九种功能。
如
图13所示，单片机控制器4采用的单片机选用ATMEL公司生产的微处理器CPU/AT89C52，系40脚DIP封装。配有晶振电路的晶振频率为12MHz，机器周期为1μs，CPU的四个口为开关量输入、键盘输入、模拟量输入、开关量输出、显示驱动所用。其中处理器CPU的13、10、9脚分别与集成块IC11的11脚(看门狗)、集成块IC5的3脚和7脚、集成块IC11的16(RESET)脚相连。在集成块IC11的11脚(看门狗)和处理器CPU的13脚之间接有跳线器J2。单片机控制器4具有复位电路，该单片机通常采用上电复位和按键复位两种方式。集成块IC11选用美国MAXIM公司的带看门狗的监控电路集成块MAX691，集成块IC11的3脚接入+5V，+5V经过一个并联二极管D3和一个三极管G1到集成块IC11的2脚VOUT，并用电容C69，电感L5旁路滤波，输出稳定的+5V直流电压至集成块IC12/处理器CPU的40脚，当电源电压低于门限电压时，自动切换至电池供电BATT，整个电路结构简洁，器件少而精。
见
图14、
图16、
图17所示，显示输出回路，集成块IC13(型号MAX7219)是一种串行输入/输出共阴极显示驱动器，带八通道八段控显电路，改变其回路限流电阻R33的阻值，即可调节数码管的发光亮度。处理器CPU的P2.0、P2.1、P2.2分别作为集成块IC13的串行数据输入信号端DIN，时钟信号端CLK和装载数据信号端LOAD。该电路接成六位八段控显电路，输出脚接至插接件CZ5，通过插接件CZ5再接至高亮度双位数码管LED1、LED2、LED3，同时，现场信号通过接插接件CZ7送入由电阻R34∽R40与发光管DL4∽DL12组成的串联回路，起故障指示作用。
见
图18、
图19所示，数字信号输出回路，由专用工作软件控制处理器CPU的P0口的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5脚，使其输出信号经集成块IC14驱动后，至光电耦合集成块IC15，IC16(型号为TLP521-4)隔离后送至10芯插接件CZ8，由扁缆跨接至电源及输出板的固态继电器S1∽S6的4脚，由固态继电器S1∽S6的1脚输出，并驱动执行机构7(现场阀和电机)。固态继电器选用法国COROS产品，性能可靠。
见图20所示，操作面板上有一个数码管显示窗口9、电源指示窗口10、六个故障指示窗口11、二个标识12。数码管显示窗口9位于操作面板中央，四个薄膜键6平行排列在数码管显示窗口9的下方。
本实用新型采用的硬件结构的各个单元电路的实体电路设置在三块印刷电路板上，即主板、电源及输出板、显示板。主板为信号采集处理和单片机控制等，是整个控制器的心脏部分。为了保证系统正常工作，防止信号干扰，对每个器件的位置、相关器件的距离、布线的密度、走线的方向和屏蔽方式进行精确的布置。电源及输出板包括供电电源1和开关量输出回路部分实体电路，是整个控制器的重要部分。布局中应充分考虑减少纹波、接地、屏蔽对信号的影响、温度对电路的影响，以及输出信号的可靠性等。操作显示面板根据实际生产需要设计，强调个性化和实用性结合。
用户软件是根据生产工艺流程和电路设计的要求提供用户所需的专用工作软件，其采用MCS-51汇编语言编写。主要实现各动作的控制、信号的检测、状态的显示。该专用工作软件采用模块化结构，简洁、清晰。共有六大模块初始化模块、显示模块、键盘模块、模拟量模块、输入/输出模块。本系统采用人工智能、模糊控制方式。系统，能自动适应不同品种水泥的容重，自动跟踪处理，无需校正秤。系统精度高。本系统采用实时控制。每次插袋后，在灌装之前，CPU将采集A/D值作为皮重送RAM单元保存，采取动态跟踪皮重，自动清零，克服了因机械、电气、环境温度变化等引起的零位漂移问题；A/D校准复位。虽然MAX194在上电时自动进行校准，但是，电源电压、温度、基准电压或时钟特性等参数发生变化，都会影响直流精度，通过编制RESET194校准子程序，能得到最佳的采样精度，在每轮循环开始，主程序调用一次A/D RESET194校准子程序，避免因电源电压或环境温度变化可能发生的采样误差；通过专用工作软件控制硬件转换开关MAX323动作，巧妙运用25ms延时，避免转换引起的抖动误差，使滤波电容起到最佳的滤波效果，系统达到采样数据准确可靠，控制精度更高。本实用新型能够实现自我诊断和自我修正。在水泥灌装过程中，关断粗流阀后，CPU对采集的袋重信号和推袋到位信号实时判断，若已经到达推袋位但袋重不足，则CPU采取逐次逼近法补偿，从而解决二转一包问题，提高台时产量。实际测试，产量完全可以达到110吨/小时(6个嘴子)。每次插袋前，动态皮重与基础称架比较，若超出基础称架零点上、下限范围，显示屏闪烁显示E4XX.XX，以提醒操作员检查原因。堵料判断在规定时间内，在灌装中的水泥包重没有达到预设重量，则所有设备自动关闭，同时，显示屏闪烁显示E3XX.XX。提醒操作员处理故障。键盘故障判断键盘老化粘连，显示屏闪烁显示E1。手动灌装。在装料过程中，因其他原因停机，袋中水泥不足份量而不抽出袋子情况下，按下手动灌装按钮，自动进入装袋过程。直观、可读性六位数码管显示瞬时重量、故障提示、发光二极管实时监视运行状况。键盘可操作性。可设定包重量(如50KG一挡和45KG一挡)，可对基础称架上、下限，提前量、堵料、破包、关粗流、关细流进行修改和查看。操作维护简单。本实用新型属“傻瓜”型控制器，一次调校好后，生产中系统无需维护调校。
权利要求1.装包机包装控制器，包括供电电源、与称重传感器配接的称重信号回路、与检测机构配接的开关量输入输出单元、显示器，其特征在于，单片机控制器(4)配有四个薄膜键(6)的操作面板，供电电源(1)分别给单片机控制器(4)、薄膜键(6)、显示器(2)、与检测机构配接的开关量输入输出单元(3)、与称重传感器(8)配接的称重信号回路(5)提供工作电源，单片机控制器(4)分别与称重信号回路(5)、薄膜键(6)、显示器(2)、开关量输入输出单元(3)相连，与检测机构配接的开关量输入输出单元(3)包括数字信号输出回路、开关量输入回路。
2.根据权利要求1所述的装包机包装控制器，其特征在于，供电电源(1)包括模拟、数字、激励和驱动电源四个部分，且相互独立不共地，其中，供电电源(1)的激励电源由变压器、桥式整流、滤波电路、三端稳压块及运算放大器配接组成。
3.根据权利要求1所述的装包机包装控制器，其特征在于，称重信号回路(5)采用了由三个集成运放及外围元件组成的通用数据放大器、基准电压源、A/D转换器，其中，通用数据放大器包含两个放大级，第一级为对称的二个同相输入端放大级，第二级接有模拟开关的差动放大级，基准电压源采用了MAX675型号的集成块，A/D转换器采用MAX194型号的集成块及其外围元件电阻、电容组成，A/D转换器分别与通用数据放大器、基准电压源配接。
4.根据权利要求1所述的装包机包装控制器，其特征在于，数字信号输出回路由驱动模块、光电耦合模块、固态继电器组成。
5.根据权利要求1所述的装包机包装控制器，其特征在于，显示器由显示驱动器MAX7219集成块、数码管、发光二极管及外围元器件电阻、电容组成。
6.根据权利要求1所述的装包机包装控制器，其特征在于，操作面板上有一个数码管显示窗口(9)、电源指示窗口(10)、六个故障指示窗口(11)、二个标识(12)，数码管显示窗口(9)位于操作面板中央，四个薄膜键(6)平行排列在数码管显示窗口(9)的下方。
专利摘要本实用新型涉及装包机包装控制器,由供电电源、与称重传感器配接的称重信号回路、开关量输入输出单元、显示器、单片机控制器、薄膜键组成,供电电源分别与单片机控制器、薄膜键、显示器、开关量输入输出单元、称重信号回路配接,单片机控制器与称重信号回路、薄膜键、显示器、开关量输入输出单元相连,供电电源包括模拟、数字、激励和驱动电源四部分,且相互独立不共地。优点是,设计合理,自动控制程度高,性能稳定,精度高,具有自动清零,自动除皮,自动修正二转一包,能自动适应不同品种水泥的容重,自动跟踪处理,键盘可操作性,能实现智能控制水泥生产中装包机包装生产过程和灌装水泥的袋重重量。
文档编号B65B1/30GK2468902SQ0123960
公开日2002年1月2日 申请日期2001年3月28日 优先权日2001年3月28日
发明者陈晓萍, 杨振华, 祁耀斌, 张善功 申请人:华新水泥股份有限公司