基于STM32 的充絨機智能模糊稱重系統研究與設計*

嚴 惠，鄧小龍，李志遠

(江蘇信息職業技術學院集成電路制造裝備工程技術研究開發中心，江蘇 無錫 214153)

隨著人民對生活品質的要求日益提高，羽絨制品需求大幅增加，對其生產質量與效率也提出了更高的要求。傳統生產加工中由于人工稱絨及充絨有較大誤差、生產效率低下以及生產現場環境差等缺點，開發設計智能充絨機是現代羽絨制品生產的必然趨勢，智能充絨機的出現可有效地改善傳統人工生產的缺點，也是適應現代企業自動化生產的發展需求[1]。

國外，1911 年Johnr Sheldon[2]發明了棉被填充機，是最早與充絨相關的設備，其通過鼓風機產生鼓風，通過合適的噴嘴，將羽毛從盛絨容器充入需填充的 棉 被 與 枕 頭 中。1970 年，Nathan A.Eisner，Lawrence NY[3]發明了灌裝機，引入分離羽毛形狀裝置，將羽絨分離，輸送到測量站后，填充機按設定比例進絨至填充物。

國內，最初是中國計量院[4]采用自動控制技術，進行羽絨定量稱重，自由設定規格，充絨動力源采用氣動裝置。類似控制方式包括祝迎春等[5]發明的羽絨被充絨裝置，也實現了填充重量的自動控制。由曾惠玲等[6]研發的定量充絨機采用直立式結構，應用非接觸式的離心力攪拌方式實現羽絨分離，確保了羽絨無損與穩定輸絨。目前市場上充絨機大部分采用PLC 控制器，實現羽絨填充格數與填充重量的設定，連續充絨，達到較高充絨效率[7]。

但是上述國內外的充絨機在生產應用領域存在的主要問題有:不能根據生產指標參數要求，實現羽絨儲存、輸送、稱重、充絨等控制功能的集成，也未提出多通道分時調節出絨順序控制型智能充絨機，面對現代企業高效生產，多臺智能充絨機的網絡化工廠級實時監控生產更沒有呈現[8]。隨著組態控制與智能調度控制技術在智能制造領域的發展與應用[9-11]，結合生產企業的產品指標和技術工藝要求，設計了一款新型智能充絨機，并投入企業實際應用，獲得了良好的經濟效益。

1 機械結構與流程規劃

自動充絨機攪拌結構的主體是攪拌箱，分三個部分:上儲絨箱、下儲絨箱和控制箱，采用豎立封閉式箱體結構。上箱體主要由儲絨箱和攪拌裝置組成。聯軸器安裝在攪拌電機的輸出軸上，攪拌齒安裝在攪拌軸上，透明的亞克力板安裝在儲絨箱箱體上。上箱體右側有上絨和換絨電機。

下箱體用來存放羽絨原料并在周圍安裝磁鐵，原料中可能會含有少量金屬等雜質，由于攪拌電機分時攪拌，下箱體中羽絨蓬松，金屬等雜質與羽絨分離，分離后的雜質附著在箱體表面，達到除雜效果。

稱重是充絨機工作的核心，稱重容器由透明的亞克力板組成，內置在稱重箱體中。如圖1、圖2 分別為稱重箱體與稱重容器效果圖。其中，稱重容器的上半部分配有空氣過濾網，下端采用四棱臺結構。稱重容器的上半部分與主箱體體腔相通，通過管道將羽絨輸送進來，因重力因素羽絨定位在下方四棱臺的腔體內。稱重容器下部分與出絨管道相連，將羽絨輸送至待充物體中。

圖1 稱重箱

圖2 稱重容器

如圖3 所示:當系統啟動后，上絨電機工作，上絨至上箱體。當下儲絨箱上限位傳感器未檢測到信號，則表明下儲絨箱并未滿料，則下絨門板打開，當上限位傳感器檢測至滿絨時，下絨門板延時關閉。

圖3 充絨機工作示意圖

上絨電機繼續上料至上儲絨箱限位傳感器后，停止上絨。上吹氣、下吹氣、上攪拌器及下攪拌器均在上絨結束后工作，防止上下儲絨箱中羽絨粘合不夠蓬松，在上絨期間不參與工作，避免影響進絨以及傳感器檢測等。

接著，進絨電磁閥工作，羽絨通過進絨管道進入稱重盒，當達到稱量的重量時，進絨電磁閥關閉后出絨電磁閥工作，將相應規格重量的羽絨輸絨至套有被套的分隔箱中，出絨完畢，則出絨電磁閥關閉。

羽絨在輸送過程中會有少量粘合在器皿壁上，如果根據稱重顯示出絨量并未達到要求，則需要啟動輔助出絨，填補所缺羽絨后關閉。稱重器皿在長期工作中會有羽絨粘合或其他少量雜質產生，在系統未工作時，可以啟動清潔電磁閥進行清潔吹氣。

2 控制系統硬件搭建

如圖4 所示為充絨機控制系統硬件框圖。充絨機控制系統可實現本地監控與遠程監控。系統選用STM32F103ZET6 為主控制器，本控制器為Cortex m3架構，具有功耗低、性能高等優點，適合工控場合[12-13]。系統選用S29GL128PA 外擴內存，為系統后續的升級改造預留存儲空間。稱重芯片選擇HX711，接收基于電阻應變效應原理工作的稱重壓力傳感器的電壓信號，對不同羽絨重量規格進行稱重處理。DM9000A 芯片可實現以太網通信，實現了充絨機控制系統的遠程多終端監控。同時選用CH3761 芯片，實現U 盤直讀，為系統的維護調試帶來了一定的便利。

圖4 控制系統硬件框架

系統的本地監控選用了昆侖通態TPC1570GIHn，端口的協議為MODBUS/RTU，與STM32F103ZET6為主控制器信息交互。遠程上位機監控采用MCGS通網版軟件進行開發，通過DM9000A 實現與本地控制器信息交換。手機、筆記本等移動終端實現與本地觸摸屏同步控制，通過VNC 實現監控。各通信終端通過無線路由器進行連接。

3 系統通信實現

3.1 觸摸屏與STM32F103ZET6 單片機串行通信

觸摸屏通過RS485 轉換器與STM32F103ZET6單片機的UART 進行數據接收和發送。本系統中選用了MAX485 轉換器，其采用+5 V 電源工作，將TTL 電平轉換為RS485 電平。為提高RS485 抗干擾性能，在A 和B 引腳間接100 Ω 電阻。MAX485的1、4 腳分別與單片機RXD 和TXD 引腳連接。電路圖如圖5 所示。

圖5 MAX485 與觸摸屏串口電路圖

軟件部分設計主要關鍵點有:開總中斷EA＝1，配置定時器ConfigTimer0(unsigned int ms)，串口配置ConfigUART (unsigned int baud)，串 口 驅 動UartDriver()，接收到命令并執行相應動作。在UartDriver()函數中，主要執行以下函數串口數據讀取函數UartRead(unsigned char*buf，unsigned char len)、串口數據寫入函數UartWrite(unsigned char*buf，unsigned char len)。在寫入函數中需調用延時函數DelayX10us(unsigned char t)，延時時間(10×tμs)。主要用于等待最后停止位完成，延時時間由波特率決定。中斷程序主要包括UART 中斷服務函數InterruptUART()與T0 中斷服務函數Interrupt-Timer0()，T0 中斷服務函數中調用UartRxMonitor(unsigned char ms)進行串口接收監控。

3.2 STM32F103ZET6 單片機嵌入DM9000A 芯片與遠程終端通信

STM32F103ZET6 集成了FSMC 模塊，具有4 個片選輸出，支持PC 卡/CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND。STM32 單片機與DM9000A 芯片以及RJ45 接口硬件連接示意圖如圖6 所示。

圖6 STM32 單片機與DM9000A 芯片以及RJ45接口硬件接口示意圖

DM9000A 初始化后，按照協議進行數據封裝后寫入SRAM，再通過RJ45 發送數據給遠程終端。接收數據時則先讀取遠程數據，解析后存于緩存并發送中斷信號給單片機，STM32 單片機讀取DM9000A中緩存數據后進行數據解析，即可得到所需數據。

3.3 VNC 遠程監控系統搭建

通過VNC(Virtual Network Console，虛擬網絡控制臺)遠程監控可以實現VNC 客戶端與服務端連接，如此實現終端設備如筆記本、臺式機、手機等設備對本地觸摸屏畫面的同步監控。

通過U 盤將tpcbackup 拷貝至TPC1570GI 觸摸屏中，TPC 中VNC 服務器默認端口號為5900。如果遠程監控的為電腦，則需在電腦上在安裝使用VNCViewer 與TPC 進行VNC 連接；若監控終端為手機，則需要區分手機的操作系統，如果是蘋果操作系統，需下載安裝viewVNC，如果是安卓操作系統，則需下載DesktopVnc 或vmwVNC。進行網絡配置時需要確保觸摸屏與網絡終端處于同一個網段中并且觸摸屏上已開啟VNC 連接，終端在連接時需通過權限認證方可登錄。

4 稱重系統二維模糊控制器設計

充絨機工作過程中，從下儲絨箱中按照上位機界面配方設定的克重輸絨至稱重容器中，為確保輸絨精度，采用長動與點動兩種方式配合進行，點動方式通過脈沖觸發輸絨。由于各個廠家在設備安裝需求不盡相同，如儲絨箱和稱重箱體之間連接氣管的長度、粗細、氣壓大小各不相同，從而導致長動與點動的出絨速度各不相同。因此，為獲取長動與點動的出絨速度，需要進行各臺設備的自學習，自學習的長動點動速度分別為VL(g/s)，VS(g/s)。

常見的羽絨充絨采用按比例控制大小氣流工作時間去控制，但是受羽絨自身質量及充絨環境等影響，容易導致管道堵塞，且受氣流影響稱重傳感器工作不穩定，同時充絨規格不同，按照比例控制的方式對于質量較重的充絨規格時間較長[14-17]。為解決上述情況設計了羽絨稱重模糊控制器。

剩余待充絨質量為RE，管道狀態為PS，充絨方式為AF，將RE 與PS 作為二維羽絨模糊控制器輸入，AF 為控制器輸出，稱重閉環控制如圖7 所示。

圖7 稱重閉環控制

4.1 選擇輸入輸出變量的取值集

剩余待充絨質量RE 為連續變量，RE 分為三個區間:[0，VS)、[VS，VL]、(VL，+∞)，將其量化，取值范圍為{0，1，2}，量化表見表1。語言變量取值集為RE＝{EZO，EPS，EPB}，表示誤差為零，正小，正大(即表示與目標值相比，誤差值是正的，但比較小。相應的正大指誤差較大)。

表1 剩余待充絨質量RE 量化表

管道狀態PS 本身即為離散量，有阻塞、正常、空吸三種狀態，語言變量取值集為PS＝{PNS，PZO，PPS}，表示管道狀態值為負小，零，正小。充絨方式AF 有三種狀態:長動方式、停止工作、點動方式，取值集為AF＝{AZO，APS，APB}，表示輸出值為零，正小，正大。

4.2 稱重系統模糊控制器模糊規則

RE 與PS 各有三種狀態，則可得九條模糊推理規則，具體描述如下:

規則1:如果RE 為零，PS 為負小，則AF 為零；

規則2:如果RE 為零，PS 為零，則AF 為零；

規則3:如果RE 為零，PS 為正小，則AF 為零。

上述三條規則說明:只要PS 剩余待充絨數值為零，無論管道為何狀態，均須停止充絨。

規則4:如果RE 為正小，PS 為負小，則AF 為正小；

規則5:如果RE 為正小，PS 為零，則AF 為正小。

上述兩條規則說明:如果RE 為正小，PS 狀態為負小或者零時，均采用點動方式充絨，脈沖頻率與點動次數由點動充絨速度與剩余待充絨決定。

規則6:如果RE 為正小，PS 為正小，則AF 為正大。

規則6 說明:當RE 與PS 均為正小，此時管道處于阻塞狀態，須采用長動方式使管道暢通。

規則7:如果RE 為正大，PS 為負小，則AF 為正大；

規則8:如果RE 為正大，PS 為零，則AF 為正大；

規則9:如果RE 為正大，PS 為正小，則AF 為正大。

上述三條規則說明:只要PS 剩余待充絨數值為正大，無論管道為何狀態，均使用長動方式充絨，長動充絨時間由長動充絨速度和剩余待充絨決定。

上述規則控制如表2 所示。

表2 模糊控制表

4.3 稱重軟件控制要點

(1)壓力傳感器標定:數字量隨著稱重量在限值范圍內波動，若增大砝碼則數值減小，減小砝碼數值反而增大，則傳感器安裝與接線需調整；若輸入電壓信號溢出，減小砝碼值在范圍之內；控制測量，待穩定標志置ON 時，導通零點標定；置砝碼放于秤體，寫入砝碼重量，待穩定標志置ON 時，導通增益標定。稱重過程中，稱重模塊根據接收的壓力傳感器數值自動調整，獲取稱重重量。

(2)VS與VL值獲取:為獲取長動與點動的速度，首先進入學習模式，測試出充絨設備速度存入寄存器，作為模糊論域區間值。

(3)稱重去皮過程:由稱重模塊讀取稱重傳感器的模擬量信息并轉換為數字量信號，反饋回控制器，將稱重值存入寄存器。觸發去皮動作，當稱重量在去皮范圍內，將皮重值傳送至寄存器，則凈重值即為稱重值減去皮重值，即:凈重值＝稱重值-皮重值。

5 監控系統設計

5.1 本地觸摸屏畫面設計

本地監控主要實現充絨中稱重模塊設置與標定、控制配方參數設定、監視與操作等控制。運行界面如圖8 所示。

圖8 運行界面

5.2 遠程監控上位機界面設計

網絡化多機監控系統設計中，基于企業成本和生產工藝與技術要求，利用TPC1570GI 觸摸屏的網口通過交換機和上位計算機組態實現。該系統架構中觸摸屏和計算機之間數據傳輸采用MODBUS_TCP 通信協議，通過以太網在站點間傳送MODBUS報文，MODBUS_TCP 通信報文封裝于以太網TCP/IP 數據包中。

網絡化多機監控實現系統控制、系統狀態以及實時動畫監控、數據記錄等功能，實時提供各生產車間、各工位狀態、異常狀態報警信息、實時產量顯示和歷史數據對比等，部分界面如圖9 所示。

圖9 網絡化多機監控界面

6 結論

本文所研制智能充絨機已在企業投入實際應用，運行表明系統操作簡便且安全可靠；基于STM32 控制器的充絨控制系統，較PLC 研究成本低，控制更柔性；基于模糊控制器的閉環稱重系統，達到羽絨0.1 g的快速精確稱重；采用四棱臺從上到下依次變小的結構，有效改善了羽絨放絨時堵塞；采用多機協同生產，實現網絡化工廠級多機監控，提高了生產效率。