高速無菌灌裝壓力監(jiān)測系統(tǒng)
——智能傳感器SMARTSENSOR 控制系統(tǒng)

馬香芹 彭 力 顧 勝 何子琎

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)的日益完善，越來越精確的數(shù)據(jù)可以在無菌灌裝生產(chǎn)設(shè)備上實(shí)時采集，通過生產(chǎn)線上的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測一直是研究應(yīng)用的重要方向。各種故障檢測和預(yù)測方法大都基于通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無菌灌裝生產(chǎn)裝備上采集到的數(shù)據(jù)，而又如何利用這些數(shù)據(jù)提高異常檢測準(zhǔn)確性成為了重要研究課題。在無菌灌裝生產(chǎn)線裝備上噴嘴壓力的控制會直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，無菌灌裝生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的噴嘴壓力檢測是無菌灌裝生產(chǎn)線上一項(xiàng)重要研究課題。

廊坊百冠包裝機(jī)械有限公司與江南大學(xué)合作開發(fā)了“高速無菌灌裝壓力監(jiān)測系統(tǒng)——噴嘴壓力智能傳感控制系統(tǒng)”，正是針對PET 瓶無菌吹灌旋生產(chǎn)線遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)的研制與示范應(yīng)用，而建立的故障數(shù)據(jù)采集、故障數(shù)據(jù)模型，該系統(tǒng)目前國內(nèi)還沒有相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。該研究設(shè)計成果，已應(yīng)用在國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計劃課題《現(xiàn)代飲料高速灌裝加工技術(shù)及成套裝備開發(fā)——PET 瓶高速吹灌旋一體化無菌灌裝技術(shù)及裝備研發(fā)》項(xiàng)目的示范線上。

“高速無菌灌裝壓力監(jiān)測系統(tǒng)——噴嘴壓力智能傳感控制系統(tǒng)”的研發(fā)實(shí)施，提高了我國飲料裝備制造業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力和技術(shù)含量，增強(qiáng)產(chǎn)品國際競爭力，進(jìn)一步擴(kuò)大了無菌灌裝技術(shù)在飲料行業(yè)的應(yīng)用，突破了國內(nèi)高速無菌吹灌旋技術(shù)研發(fā)設(shè)計的瓶頸，也將“以點(diǎn)帶面”推動國內(nèi)食品包裝機(jī)械行業(yè)在高速無菌灌裝裝備方面的快速發(fā)展?？杉涌焯嵘龂鴥?nèi)PET 瓶高速無菌灌裝裝備的國產(chǎn)化水平，替代進(jìn)口，減少飲料行業(yè)對進(jìn)口裝備的依賴，可顯著降低飲料生產(chǎn)企業(yè)裝備采購成本。

1 噴嘴壓力智能傳感控制系統(tǒng)

1.1項(xiàng)目目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)36000 瓶/時生產(chǎn)線壓力的檢測；

（2）實(shí)現(xiàn)壓力過高過低等故障預(yù)警；

（3）實(shí)現(xiàn)LCD 屏幕顯示。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

▲圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.3軟件設(shè)計

1.3.1編譯軟件

▲圖2 STM32 軟件框架搭建

STM32CubeMx 是一款STM32 公司主打的軟件框架編輯軟件，該軟件是一個STM32 單片機(jī)原生態(tài)的圖形化編譯軟件，該軟件搭配了官方的Hal 進(jìn)行開發(fā)。使用該軟件為后續(xù)人員的維護(hù)和升級提供了許多的便利，其中一個非常顯著的優(yōu)點(diǎn)是，程序員很快就能讀懂和修改該款軟件搭建的程序框架。

▲圖3 軟件邏輯編寫

對于業(yè)務(wù)邏輯，該智能傳感器采用Keil 來進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計，該軟件是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的優(yōu)秀調(diào)試與編譯軟件。此外，該款軟件可以和STM32CubeMx 有著非常好的兼容性，因?yàn)槎汲鲎酝患夜尽?/p>

1.3.2自適應(yīng)跟蹤算法設(shè)計

在測試過程中發(fā)現(xiàn)，傳感器機(jī)械安裝位置和機(jī)械碼盤的位置是固定，在不同運(yùn)行速度下，將會有同的信號特性。如信號的長度，出現(xiàn)的時間都是不同的，如下圖所示。

▲圖4 STM32 軟件框架搭建

對比圖a 和圖b 可以明顯發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)速度和時間都是不同的，為了讓數(shù)據(jù)的檢測滿足各種轉(zhuǎn)速，精確的獲取啟始采樣點(diǎn)。在AD采樣算法中設(shè)計了自適應(yīng)檢測算法，該算法能讓傳感器在機(jī)器不同的轉(zhuǎn)速下同樣能精確的檢測到每一個具體的壓力值。該算法有效的避免了漏檢和誤檢情況的發(fā)生，同樣該算法有效的減少了采樣時間，減少了計算資源，大大的提高了智能傳感器的響應(yīng)速度。

1.4硬件設(shè)計

▲圖5 智能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4.1硬件對比

▲圖6 實(shí)物對照圖（左下電路板為本課題設(shè)計）

從國外的電路板主控芯片是MC9S12A256，本課題采用的主控芯片是SMT32F103ZET6，根據(jù)芯片手冊我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)如下幾個特點(diǎn)。

SMT32F103ZET6 的主頻（72MHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MC9S12A256（25MHz）

SMT32F103ZET6 計算位數(shù)（32 位）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MC9S12A256（16 位）

SMT32F103ZET6 模數(shù)轉(zhuǎn)換精度（212）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MC9S12A256（210）

SMT32F103ZET6 零售價格（32 元）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MC9S12A256（230 元）

▲圖7 主控芯片性能對比

▲圖8 主控芯片市場價格對比

1.4.2 不同公斤級性能測試

注1：下面由版面問題，圖的大小有所縮放，具體分析請看圖上面的坐標(biāo)。

▲圖9 各公斤級別實(shí)測

▲圖10 實(shí)測結(jié)果放大圖

1.4.3誤檢率分析上圖是4 公斤級別進(jìn)行測試的局部放大圖，該實(shí)驗(yàn)做了三組每100-120 次左右測試，由于人工開端壓力測試，所有存在了間隔有些不統(tǒng)一，但是從測試效果上來分析，三組的誤檢次數(shù)分別是3,1,4.因此，本智能傳感器的平均誤差率為3/110+1/110+4/110=0.024。

1.4.4對比實(shí)驗(yàn)

▲圖11 兩款電路板壓力測試性能對比

圖A 是本課題設(shè)計的硬件測試效果圖，圖B 為國外電路板的測試效果，在相同情況下我們可以明顯發(fā)現(xiàn)，本課題設(shè)計的板子波形效果要平滑很多。這對我們碰嘴的壓力的檢測，以及碰嘴號的識別非常有利，大大降低了誤報率，提高了精度，尤其可以有利的規(guī)避數(shù)據(jù)丟包所的數(shù)據(jù)混亂。為軟件算法設(shè)計，從硬件上面得到了保障，其穩(wěn)定性相比國外電路板有顯著性的提升。

1.5測試效果

設(shè)備的驗(yàn)證環(huán)節(jié)在元?dú)馍秩柧€進(jìn)行了測試，測試過程中，機(jī)械工程師堵住了04，05， 25，號碰嘴，拔掉了24,64,65 號噴嘴，運(yùn)行在3600 瓶/小時的轉(zhuǎn)速下，自適閾值設(shè)定0x046b,測試30 分鐘其穩(wěn)定值如下圖所示

▲圖12 壓力檢測示意圖01-17 號碰嘴

▲圖13 壓力檢測示意圖18-34 號碰嘴

▲圖14 壓力檢測示意圖35-51 號碰嘴

▲圖15 壓力檢測示意圖52-68 號碰嘴

▲圖16 壓力檢測示意圖69-80 號碰嘴

從測試結(jié)果可以看出在該轉(zhuǎn)速下可以進(jìn)行碰嘴壓力數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測，并能實(shí)時將數(shù)據(jù)顯示出來。其中04，05，25 號碰嘴壓力值是0，因?yàn)閲娮焱耆伦×耍?4，64，65 號噴嘴壓力值達(dá)到了4 點(diǎn)多，因?yàn)榕鲎焱耆蔚袅?，其中需要指出的?3，63，66，72，四個噴嘴的值在此自適閾值時智能傳感器默認(rèn)為堵情況，該現(xiàn)象進(jìn)一步說明了我們程序中的自適閾值是有效的，該閾的設(shè)置，工作人員可以根據(jù)具體的情況進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到理想的測試結(jié)果。

綜上可得，該智能傳感器，在靈敏度，準(zhǔn)確度，穩(wěn)定性等各方面性能上完全滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

2 結(jié)論

綜上所述，該智能傳感器系統(tǒng)，從功能方面在元?dú)馍挚蛻魺o菌灌裝裝備示范線上，實(shí)現(xiàn)了36000 瓶/時產(chǎn)量需求，其硬件方面，軟件算法方面，通訊協(xié)議，以及人機(jī)交互等各個方面都進(jìn)行了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計和升級，各方面的性能相對于國外壓力采集系統(tǒng)都有了顯著的提高。