差值補償法在電子皮帶秤流量曲線平滑中的應(yīng)用

馮海 邵堅銘 吳冰

摘 要：煙草行業(yè)生產(chǎn)中電子皮帶秤是重要的計量和控制設(shè)備，不僅要實現(xiàn)精確計量，還要能夠滿足流量的穩(wěn)定要求。針對現(xiàn)有設(shè)備的不足，創(chuàng)新出差值補償法，并在電子皮帶秤流量曲線平滑方法中得到應(yīng)用，介紹了其數(shù)學(xué)建模過程和程序設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：電子皮帶秤；流量平滑；差值補償法；數(shù)學(xué)模型；煙草企業(yè)

差值補償法，是技術(shù)人員根據(jù)實際創(chuàng)新出的一種新型曲線濾波方法，具體做法是把原有曲線與設(shè)定值之間的差值進行累計封裝，并按一定比例補償?shù)叫碌那€中去。本文討論差值補償法在電子皮帶秤流量曲線平滑中的實際應(yīng)用，滿足電子皮帶秤輸送到下一道相關(guān)設(shè)備的瞬時流量信號穩(wěn)定性的要求，實現(xiàn)精確計量基礎(chǔ)上的加料穩(wěn)定控制。

1 現(xiàn)狀分析

在煙草行業(yè)大量使用以葉片和在葉片基礎(chǔ)上加工的葉絲、梗絲、膨脹絲、薄片絲為稱量對象的電子皮帶秤。在動態(tài)連續(xù)計量和配料系統(tǒng)中，由于被檢測的物料為輕質(zhì)物料，物料形狀為非粉狀、非顆粒狀、非塊狀，而且呈纖維狀、片狀，堆比重小，體積大，按照流量計算公式Q=PV*C（P為重壓值，V為皮帶速度，C為流量校準(zhǔn)系數(shù)）因為重壓值的變化較快，而皮帶的響應(yīng)速度較慢，所以其流量呈現(xiàn)一定的波動性。其流量的波動性會對下一道工序的加料精度產(chǎn)生影響。

車間采用的電子皮帶秤主要有九五技改引進的COMAS十字簧片式電子秤和十五技改引進的707所YT8P系列PC電子皮帶秤。兩者比較，原有的COMAS電子皮帶秤的瞬時流量輸出信號波動性較大，技術(shù)人員考慮能否對其瞬時流量曲線做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

1.1 流量曲線波動對加料的影響

以制絲加料工段為例，分析得到相同累計精度前提下，波動較小的流量曲線能得到更高的加料精度和更好的加料效果。

1.1.1 延時的誤差性

煙葉從電子皮帶秤流向加料滾筒，在電子皮帶秤處對煙葉流量進行測量，然后根據(jù)測量的瞬時流量延時后按加料比例在加料滾筒處對煙葉進行加料。

物料從電子皮帶秤處到加料滾筒處存在一定的延時△T，物料流量曲線對加料的影響在曲線波峰、波谷處最為明顯，以此來說明。

由于電子皮帶秤電機速度的調(diào)節(jié)，其延時的時間與控制系統(tǒng)設(shè)定的加料延時△T是存在誤差的。當(dāng)在測得瞬時流量在波峰處，由于延時的誤差性，延時時間到后在加料滾筒處卻不一定在波峰處，而按照波峰的物料流量來進行加料，必定造成瞬時加料精度的誤差，而且波峰波谷的落差越大，其誤差也越大。因此選擇波動較小流量曲線能得到更高的加料精度。

1.1.2 物料的混合

在電子皮帶秤以及輸送振槽上，物料水平輸送；在滾筒內(nèi)，由于筒體的旋轉(zhuǎn)，物料沿著筒內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)輸送，起到對物料的混合和分勻作用。如果按照波動較大的曲線進行加料，加料的波動也會比較大，相對于比較均勻的物料來說，其局部含料量差異性會更為明顯。因此選擇波動比較小的流量曲線效果會更加好。

1.2 瞬時精度與累計精度的取舍

電子秤的流量曲線能不能修改，其中涉及到一個重要的問題：瞬時精度和累計精度的取舍。COMAS電子秤流量曲線波動較大，是真實的物料流量的反映。由于煙葉形狀、堆積厚度和堆積密度的差異性，真實物料不可避免的產(chǎn)生波動性。流量曲線的修改是以損失流量的瞬時精度為代價的。

累計精度是瞬時精度在一定時間內(nèi)的積分。在加料過程中，雖然加料的控制是以瞬時流量信號來實現(xiàn)的，但在工藝上要求的是在一定時間內(nèi)累計精度的準(zhǔn)確性。由此，可以在保證生產(chǎn)一個批次結(jié)束時物料累計精度與原曲線累計精度基本一致的情況下，對瞬時流量做出適當(dāng)?shù)男薷模赃_(dá)到更高的瞬時加料精度和加料效果。

事實上，YT8P系列電子皮帶秤采用PLC為系統(tǒng)主機，其內(nèi)部對電子皮帶秤的瞬時流量輸出進行II級處理，產(chǎn)生比較平穩(wěn)的瞬時流量信號輸出參與到下道工序中進行加料的控制，而COMAS電子皮帶秤采用單片機為系統(tǒng)主機，未對電子皮帶秤的瞬時流量輸出進行再計算，直接參與到加料控制中去。

2 改進過程

2.1 硬件配置

如圖一所示，本例中COMAS電子秤本身采用單片機為主機系統(tǒng)，缺少PLC主機系統(tǒng)可擴展性，不能針對用戶提出的修改意見在現(xiàn)場進行修改和調(diào)試，技術(shù)人員利用生產(chǎn)線的控制PLC對電子秤本身的原始輸出流量進行修正改進，滿足生產(chǎn)控制的新要求。

2.2 算法設(shè)計與比較

當(dāng)前通用的算法有平均濾波法和TY8P系列電子皮帶秤采用的遞歸算法。下面對這兩種方法與本例采用的差值補償法進行研究對比。

2.2.1 平均濾波法

在固定時間T內(nèi)，把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)（先進先出原則）。把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，就可獲得新的輸出結(jié)果。即XN'=（x1+x2+…+xN）/N，該算法中T取的時間越長，N取的越大則所得曲線平滑度越高。但是該算法是根據(jù)當(dāng)前時間之前的T時間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)算術(shù)平均作為當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出，T時間取的太短則平滑性不好，T取的時間過大，數(shù)據(jù)的實時性不高。

2.2.2 TY8P系列采用的遞歸算法

該算法以當(dāng)前時間的采樣數(shù)據(jù)和上一個采樣數(shù)據(jù)進行加權(quán)運算作為當(dāng)前的輸出結(jié)果，即XN'=XN*k+XN-1*（1-k），（k為加權(quán)系數(shù)，取0～1之間）。K取0則當(dāng)前輸出結(jié)果為上一次采樣數(shù)據(jù)，k取1則當(dāng)前輸出結(jié)果為當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)。K值取定后不能改變，否則累計量S'=∑XN'與原始累計量S=∑XN差異性較大。該算法數(shù)據(jù)實時性高，但是對電子皮帶秤本身的要求也比較高，對當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)和上一個采樣數(shù)據(jù)的要求比較高，否則平滑效果不理想。

本例中，技術(shù)人員設(shè)計出適合實際的數(shù)學(xué)模型，采用差值補償?shù)姆椒▽OMAS電子皮帶秤的原始采樣數(shù)據(jù)進行平滑。

2.2.3 差值補償法

如圖二曲線數(shù)學(xué)模型所示：

本模型中，曲線A為電子秤設(shè)定流量，XN為當(dāng)前原始采樣數(shù)據(jù)，XN'為平滑后當(dāng)前輸出，k為差值補償系數(shù)。C為原始采樣數(shù)據(jù)與電子秤設(shè)定流量的差值，D為差值累計量，E為補償變化量。原始流量曲線B的采樣數(shù)據(jù)為XN，計算后曲線X的采樣數(shù)據(jù)為XN'。

模型解釋：計算后曲線X相當(dāng)于擋板Y對原始流量曲線B進行加權(quán)推平后得到的曲線。把原始流量B與電子秤設(shè)定流量A進行比較得出差值C，對差值C進行實時累計存放并減去提取的變化量E得到累計差值D，其中提取的變化量E由累計差值D乘以變化系數(shù)K得到并把變化量E補償回設(shè)定流量A得到計算曲線X。

具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)如下：

（式1）、差值C為曲線B的采樣數(shù)據(jù)XN減去設(shè)定流量A，即 C=XN-A

（式2）、累計差值D為差值E累加后減去提取的變化量，即D =∑C-E

（式3）、提取的變化量E為累計差值乘以變化系數(shù)K，即E =D*k

把（式1）（式3）代入（式2）得到（式4），即D=∑C/（1+k） =∑（XN-A）/（1+k）

（式5）計算后曲線X的采樣值XN'為設(shè)定流量A加上補償?shù)淖兓考碭N'=A+E

把（式3）（式4）代入（式5）可以得到XN'= A+∑（XN-A）/（1+k）*K

本模型相比較上面所述的兩種方法，不需要考慮時間T的概念，實時性高；同時也一定程度上降低了電子皮帶秤本身瞬時采樣的數(shù)據(jù)要求，只要求電子皮帶秤原始累計精度達(dá)到要求。

為了驗證計算曲線的正確性，技術(shù)人員在假定電子秤原始輸出累計精度S1正確的基礎(chǔ)上，計算后曲線X積分后得到的累計精度S2=∑XN'=∑[XN+∑（XN-A）/（1+k）*K]與S1進行比較，通過對變化系數(shù)k的調(diào)節(jié)，要求累計誤差達(dá)到千分之五以內(nèi)。

2.3 程序流程圖

本例中的模型，只在批次正常生產(chǎn)中使用?？紤]到可能有偶然因素引起電子秤流量曲線的無效輸出，在本例的程序設(shè)計中加入了限幅濾波法。根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定流量輸出的上下限幅。

3 結(jié)束語

本例中電子秤流量平滑方法在制絲車間烘絲加料段已應(yīng)用，取得良好效果。運行過程中，計算后累計精度在千分之二左右，在精確計量的基礎(chǔ)上，6000KG/H流量設(shè)定中達(dá)到曲線絕對偏差1%以內(nèi)，滿足了更高的控制要求。

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