在線動態(tài)稱重系統(tǒng)開發(fā)及質(zhì)量采集算法研究

陳銳鴻

(華南理工大學廣州學院機械工程學院，廣東 廣州 510800)

稱重是散裝食品包裝線上的重要一環(huán)，考慮到稱重的準確性、設備的導入周期、適用性、穩(wěn)定性等因素，在線動態(tài)稱重工作站未能在食品與包裝等行業(yè)內(nèi)完全普及，隨著制造業(yè)自動化的發(fā)展及人力成本的提升，現(xiàn)有人工稱重包裝分揀的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足當前食品包裝行業(yè)自動化生產(chǎn)的需要[1]。當前在線動態(tài)稱重研究成果已有，張潔平[2]使用單片機開發(fā)了在線稱重分選檢測系統(tǒng)，具備一定的在線稱重與分選功能。高艷雯[3]利用LabVIEW和專用設備開發(fā)了一套在線稱重系統(tǒng)，具備質(zhì)量采集、動態(tài)穩(wěn)定性控制等功能，現(xiàn)有的在線稱重系統(tǒng)在制造成本及通用性上仍有改善的空間?；诜Q重的穩(wěn)定性及制造成本綜合考慮，本設計提出基于可編程序控制器(PLC，Programmble Logic Controller)、稱重儀和工業(yè)觸摸屏(HMI，Human Machine Interface)技術開發(fā)的在線稱重系統(tǒng)，系統(tǒng)與生產(chǎn)線對接，能夠快速地對線上產(chǎn)品的質(zhì)量進行采集，加裝降低質(zhì)量動態(tài)波動的機構(gòu)，采用區(qū)間采樣和區(qū)間數(shù)值平均值的方法計算動態(tài)質(zhì)量，系統(tǒng)還具備分揀質(zhì)量不達標產(chǎn)品的功能，預留了外部輸入和輸出的接口，可為食品或飲料的罐裝、分裝、包裝提供擴展接口，實現(xiàn)快速二次開發(fā)。稱重工作站的組成見圖1。

1 稱重工作站的構(gòu)成與功能

稱重工作站(Online Weighing Station，OWS)具有在線稱重、產(chǎn)品分揀的功能。圖 1中的1是傳送帶，采用變頻器控制交流異步電動機方式，速度由變頻器控制。9是稱重傳感器，系統(tǒng)采用4組傳感器，傳送帶整體安裝在4個傳感器上。5是稱重儀，將傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳到主電控柜的AD模塊， PLC根據(jù)數(shù)字量進行對比、記錄、分揀或包裝等操作。4是系統(tǒng)的操作面板，可以顯示當前的稱重數(shù)據(jù)，并記錄保存相關的質(zhì)量數(shù)據(jù)，控制分揀機構(gòu)的執(zhí)行邏輯。

1. 傳送帶 2. 支撐氣缸 3. 傳送帶電機 4. 觸摸屏 5. 稱重儀表 6. 剔除機構(gòu) 7. 到位檢測傳感器 8. 電柜 9. 稱重傳感器 10. 工作站臺架

圖1 稱重工作站總體圖

Figure 1 Online Weighing Station overview

2 系統(tǒng)硬件選型

系統(tǒng)選用三菱FX3G-40MR型號的PLC，模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊選用FX3G-2AD-BD，具備2個通道的電壓或電流模擬量輸入[4]，這2個硬件性能穩(wěn)定。稱重儀根據(jù)生產(chǎn)線的質(zhì)量范圍需要選擇型號，其作用是將傳感器的信號轉(zhuǎn)化成模擬量，PLC通過讀取模擬量的數(shù)據(jù)對物品進行控制。顯示及操作系統(tǒng)選用工業(yè)觸摸屏，觸摸屏帶數(shù)據(jù)保存功能，可將質(zhì)量、種類、合格狀態(tài)記錄在系統(tǒng)中[5]，系統(tǒng)的控制框架如圖2 所示。

圖2 設備控制框架圖

3 電氣控制系統(tǒng)設計

3.1 稱重儀與傳感器電氣接線

稱重儀是采集傳感器信號，并將質(zhì)量值進行顯示的儀表，可以實現(xiàn)對質(zhì)量的采集、去皮、歸零等操作[6]。稱重系統(tǒng)采用4個稱重傳感器與機架連接，一個傳感器5條線，分別是輸入+和輸入-，輸出+和輸出-，以及屏蔽線。4個傳感器的線接入到稱重傳感器的接線盒內(nèi)，通過接線盒控制匯總成一總線接入到稱重儀，傳感器接線如圖3所示。

3.2 A/D模塊接線

FX3G-2AD-BD模塊，具備2路的模擬量輸入，可以輸入0～5 V電壓，也可以輸入4～20 mA電流，本系統(tǒng)的稱重儀選用能夠輸出4～20 mA電流的模塊，稱重儀可將質(zhì)量轉(zhuǎn)變成電流輸出到PLC的AD模塊，AD模塊將電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給PLC[7]。FX3G-2AD-BD模塊與稱重儀的接線方法如圖4所示。

圖3 傳感器接線端

圖4 模擬量輸入模塊與稱重儀表接線圖

3.3 電氣IO分配

在線稱重系統(tǒng)選用可編程序控制器作為主控制器，它的輸入信號主要由傳感器、按鈕和相關對接信號組成，輸出包括氣缸、電機及外部對接備用信號等。IO分配表如表1所示。

4 工作流程設計

在線稱重工作站可運用于多個場合，例如散裝食品的包裝稱重、生產(chǎn)線上的包裝防漏檢測、包裝的重量檢測等。可嵌入到現(xiàn)有生產(chǎn)線的系統(tǒng)中，根據(jù)程序設置記錄稱重的結(jié)果，分揀質(zhì)量不符合設定的產(chǎn)品。系統(tǒng)也可以與灌裝單元進行聯(lián)動控制，當達到設定的質(zhì)量時，灌裝停止，完成一個灌裝流程。該系統(tǒng)可運用于在線稱重的多個場合，現(xiàn)以食品包裝檢測為例，工作流程如圖5所示。上游生產(chǎn)線已經(jīng)分裝好的產(chǎn)品，經(jīng)過傳送帶進入到稱重工作站，工作站啟動質(zhì)量采集程序，質(zhì)量采集到位后，將數(shù)值與系統(tǒng)所設定的額定值進行比較，如果達到要求，則產(chǎn)品流入下一個封箱環(huán)節(jié)，如果達不到要求，則會啟動產(chǎn)品剔除等系統(tǒng)設定的工作。

5 控制程序和觸摸屏設計

5.1 控制系統(tǒng)設計

5.1.1 稱重儀模擬量數(shù)據(jù)采集 PLC讀取稱重儀模擬量的數(shù)據(jù)，讀取到的是0～2 000的數(shù)字量，將其與標準值在程序上進行標定，得到正確的測量值。系統(tǒng)初次投入使用前需要進行標定，如果設備重新安裝或者重新挪動位置也需要進行再次標定，以保證系統(tǒng)采集質(zhì)量的精度[8]。

表1 PLC IO分配表

圖5 在線動態(tài)稱重系統(tǒng)的工作流程圖

系統(tǒng)需要對PLC所采集到的質(zhì)量進行顯示和保存，觸摸屏作為數(shù)據(jù)顯示和保存的設備，需要對觸摸屏系統(tǒng)界面進行設計，工業(yè)觸摸屏的選用能夠快速根據(jù)功能開發(fā)出上位機，存儲稱重的各項數(shù)據(jù)[9]。

根據(jù)AD模塊的輸入特性，將電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，系統(tǒng)選用A/D模塊的通道2，根據(jù)表2中的軟件元件功能，PLC采集的數(shù)據(jù)是存儲在PLC的D8261寄存器中，讀取的數(shù)字量存儲在D101中，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到程序中，如圖6所示。

5.1.2 數(shù)字量與質(zhì)量之間的轉(zhuǎn)換計算 根據(jù)模擬量模塊的輸入特性(圖7)，數(shù)字量與電流呈正比，而電流的輸入與質(zhì)量呈正比，電流量程的最大值即是質(zhì)量量程的最大值。

表2 FX3G-2AD-BD模塊軟元件功能

圖6 模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量程序

圖7 FX3G-2AD模擬量輸入特性圖

W當前值=D讀取值×W量程÷2 000，

(1)

式中：

W當前值——質(zhì)量當前采樣值；

D讀取值——PLC通過AD模塊轉(zhuǎn)換讀取的數(shù)字量；

W量程——稱重儀設定的量程。

假如設定的稱重儀量程為12 kg，當前值讀取的數(shù)字量為1 000，依據(jù)式(1)計算，可得出稱重儀采集的信號對應的質(zhì)量為6 kg。

5.1.3 質(zhì)量比較程序設計 將當前質(zhì)量值與設定值進行比較，兩者之差如果大于正偏差或者小于負偏差，則認為質(zhì)量不達標，程序如圖8所示，采用三菱PLC的CMP比較指令將當前值與偏差進行比較。質(zhì)量不達標的工件將由分揀機構(gòu)執(zhí)行分揀動作。要求工作站將質(zhì)量符合和不符合的產(chǎn)品都需要記錄在存儲器內(nèi)，以方便后續(xù)的查詢和跟蹤。

圖8 質(zhì)量比較程序

5.2 觸摸屏程序設計

動態(tài)在線稱重系統(tǒng)是具備質(zhì)量采集、存儲、分揀物品的模塊化工作站，所以相關的功能和參數(shù)設置需要使用觸摸屏，根據(jù)圖5中工作流程的需要，觸摸屏的功能設計如下：

(1) 質(zhì)量顯示功能：將當前采集的實際質(zhì)量實時顯示出來，以便操作者查看。

(2) 額定質(zhì)量顯示：產(chǎn)品的額定質(zhì)量即產(chǎn)品出廠需要達到的質(zhì)量，根據(jù)產(chǎn)品的需求，允許有一定范圍的誤差，誤差的大小可由系統(tǒng)進行設置。只要產(chǎn)品的質(zhì)量在允許的范圍內(nèi)，則視為當前產(chǎn)品質(zhì)量達標，否則視為不合格。

(3) 履歷顯示：產(chǎn)品的當前質(zhì)量值和產(chǎn)品編號的信息以及質(zhì)量是否達標，可以通過產(chǎn)品履歷顯示出來，最新的產(chǎn)品檢測結(jié)果顯示在最前面。

(4) 額定質(zhì)量輸入：使用PLC自帶的斷電保持寄存器D200-D2000，存儲不同包裝規(guī)格產(chǎn)品的額定質(zhì)量，當切換產(chǎn)品時，系統(tǒng)可自動調(diào)用出當前產(chǎn)品的額定質(zhì)量，觸摸屏界面如圖9所示。

5.3 動態(tài)質(zhì)量采集穩(wěn)定性控制

由于生產(chǎn)線上的產(chǎn)品都是動態(tài)的，因此需要對數(shù)據(jù)進行濾波處理，將進和出時的質(zhì)量數(shù)據(jù)波動進行過濾，使測量的誤差不受生產(chǎn)線振動和沖擊的干擾[12]，系統(tǒng)的最大測量誤差需控制在5 g以內(nèi)。

圖10為稱重采樣動態(tài)圖從產(chǎn)品進入稱重工作站到離開工作站，質(zhì)量值是波動上升的，達到目標值時會保持一段時間。由于傳送帶的運行，質(zhì)量值會小幅度波動，質(zhì)量的有效值則在這小幅度波動區(qū)間內(nèi)進行采樣，這種方法叫區(qū)間估計采樣[13]。判斷有效值區(qū)間2的方法：

圖9 稱重觸摸屏界面

圖10 稱重采樣動態(tài)圖

建立區(qū)間1的經(jīng)驗公式如式(2)所示。

y=φ(t)+K，

(2)

式中：

y——采集質(zhì)量值，kg；

t——產(chǎn)品進入工作站的時間，s；

K——質(zhì)量的有效值，kg。

對式(2)進行求導，得：

(3)

通過對φ的分析，在區(qū)間2中，當質(zhì)量處在穩(wěn)定區(qū)間時，它的值趨向于0，此時可判斷為質(zhì)量的有效采樣區(qū)間，如圖10中的區(qū)間2所示。

在區(qū)間2中，在一定的時間內(nèi)快速采集質(zhì)量值，采用區(qū)間數(shù)值平均[14]的算法：

(4)

求得y為在線稱重的質(zhì)量值。

使用PLC的控制程序，當有效區(qū)間觸發(fā)時，將數(shù)據(jù)存儲在臨時數(shù)據(jù)寄存器D中，并進行平均值計算得出動態(tài)質(zhì)量的精確值y。

6 質(zhì)量誤差分析試驗

產(chǎn)品的在線質(zhì)量采集結(jié)果如表3所示，通過對數(shù)據(jù)的分析，分別對同一工件進行10次測量，根據(jù)試驗誤差的計算方法[15]，按式(5)計算每次的試驗誤差。

δ=(m1-m0)×1 000，

(5)

式中：

δ——質(zhì)量誤差，g；

m1——當前采集的動態(tài)質(zhì)量，kg；

m0——靜態(tài)質(zhì)量，kg。

通過對試驗誤差的分析，質(zhì)量平均誤差為2.5 g，無重大誤差(>5 g)，系統(tǒng)的誤差控制方法可行有效。

表3 質(zhì)量誤差試驗

7 結(jié)語

設計的在線稱重系統(tǒng)采用PLC和廣泛商用的稱重儀，工作穩(wěn)定，成本低，質(zhì)量的動態(tài)控制經(jīng)過區(qū)間采樣和區(qū)間平均值的算法后，動態(tài)值非常接近靜態(tài)值，系統(tǒng)可滿足眾多中小企業(yè)對在線動態(tài)稱重的需求，具備推廣價值。本研究的下一步工作將開展系統(tǒng)的模塊化、參數(shù)化設計，方便更多的生產(chǎn)線快速地導入。