基于復合濾波技術的動態檢重秤研究

張文慶 洪志剛 李勇

摘要：文章通過分析目前動態檢重秤存在的問題，提出一種應用DSP和PLC的復合濾波技術的動態稱重系統。該系統克服了傳統動態稱重系統測量精度低、所需時間長等缺點，通過實測表明該系統運行良好，提高了檢測的精度和速度。

關鍵詞：動態稱重系統；復合濾波；DSP；PLC；PROFIBUS-DP 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP274 文章編號：1009-2374（2016）05-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.005

1 概述

隨著自動化程度的提高，如何實現高速、高準確度動態稱重已經成為包裝行業的前沿研究課題，也是生產實踐中迫切需要解決的難題之一。應用動態稱重有利于高效生產、質量控制和確保消費者利益。因此研究高速度的自動檢重選別機有廣闊的市場前景，在生產實踐中也具有相當大的實用價值。國內的重量選別機由于結構簡單故精度不高，而國外的產品價格昂貴，一般企業難以接受。本文介紹一種基于復合濾波技術的動態檢重選別機，動態準確度可達0.3克，在性能價格上達到國內領先水平，克服了國內重量選別機測量精度低、選別速度慢等缺點。

2 檢重選別機控制電路設計

檢重選別機是一種中低速度、高精度的包裝生產線的檢重設備，可與各種包裝生產線以及輸送系統集成，主要用于在線檢測產品重量是否合格，包裝內是否缺少部件或產品重量存檔。其原理是讓袋裝物品以一定的速度通過稱重平臺，在這一過程中動態地測出袋裝品的重量值，并由執行機構將質量不合格的物品剔除掉。

圖1 動態檢重選別機控制電路結構圖

檢重選別機控制電路結構如圖1所示，由稱重傳感器、DMP300模塊、西門子S7-200PLC、變頻器、觸摸屏和執行機構構成。

2.1 稱重傳感器

稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置，它能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉換成可計量的輸出信號。考慮到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉換的影響，稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。典型的稱重傳感器的行為類似于硬彈簧振蕩，從而實現精確的重量讀數，稱重傳感器必須解決的是在所需的稱量時間段中以更短的時間停止振蕩。高速檢重需要快速的稱重傳感器響應。當負載施加到傳感器上時，稱重傳感器抑制了自然振蕩頻率。然而，稱重傳感器不排斥外界施加的振動，如稱重設備所處環境和稱重設備機械結構產生的振蕩，所以仍然需要從振動源隔離稱重傳感器。這里采用LC7012，綜合精度高，長期穩定性好結構簡單，安裝容易，四角偏差可調整，適用于電子天平、計數秤、包裝秤、食品、醫藥等工業稱重和生產過程稱重。

2.2 DMP300數字化測量模塊

DMP300-STD10數字化測量模塊，它可以通過總線方式組網工作并且對稱重傳感器的測量信號進行數字化處理。內含有DSP，可以對傳感器測量的模擬信號進行直接的數字化處理并可將得到的數據進行濾波。對外輸出采用RS-485或RS-232串行通訊方式，通過串行界面操作數據；測量輸出速率最高達600次/秒，具有毛重/凈重輸出選擇，并采用曲線擬合法修正非線性誤差，內設數字濾波IIR（特性可調節）。

2.3 主機

主機采用西門子S7-200PLC，CPU226型，具有13K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力，具有更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能可以進行復合濾波計算和完成撿重機邏輯控制。通過現場總線PROFIBUS-DP接口和DMP300數字化測量模塊相連，讀取其重量數據并進行復合濾波。PROFIBUS-DP用于現場設備級的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。PROFIBUS-DP可采用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜傳輸，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps。同時程序設計有自我診斷功能，當檢重選別機運行出錯時會自動在觸摸屏上顯示故障信息。

2.4 執行機構

PLC通過D/A控制變頻器輸出頻率以此來控制設備運行速度，執行機構根據控制結果進行相應的動作，控制電磁閥及時剔除質量不達標的包裝產品。

2.5 觸摸屏

觸摸屏作為人機接口主要完成稱重顯示、數值標定、動態檢重、參數設置和查詢記錄數據等功能，如圖3所示。圖4為參數設置界面，可設定需檢測產品的目標重量、選別的上下偏差、采樣數據個數、選別的方式等。并設50組產品記憶，提高生產運作效率。圖5為檢重界面，有產品通過選別機時顯示重量，在開機運行時或運行一段時間后手動置零。

3 檢重機濾波算法設計

檢重選別機的核心技術是如何及時準確地獲取產品重量數據，對稱重信號進行采集時不可避免地會有其他干擾信號的存在，這些干擾影響測量的精度主要來源于：（1）空氣流動，例如車間的風扇、空調、風吹等都會對重量選別機的精度都有影響。可通過給檢重選別機稱重部分設計鋼化玻璃外罩方式減少空氣流動的干擾；（2）溫度，一般高溫、低溫、潮濕也會影響重量選別機的精度。一般情況下，重量檢測機適合的工作環境是-5℃～45℃，相對濕度：95%（無凝露）；（3）靜電感應，帶電的物體或者灰塵接近金屬物體時會產生靜電，當然也會對敏感的重量選別機造成干擾甚至損壞，所以事先要準備防靜電的措施，機器外殼要良好接地；（4）振動的影響，一方面由于車間噪音大，機器頻繁運作導致地面震動，甚至有些車間的地面不平也會影響重量選別機的精度，另一方面存在選別機的機械結構振動。機械結構振動是影響動態稱重性能的主要因素，主要有電機的振動、傳送帶的振動以及軸承的振動等，可通過對選別機的機械系統及動態特性分析，對機械結構振動大的主要部分更改設計結構、保持PLC輸出頻率穩定和利用空氣軸承等減少振動對稱重信號的影響，并通過增加阻尼等方法改善動態特性，使振動信號快速衰減。在電子線路和程序中對檢測到的重量數據進行一些必要的處理，主要是進行濾波，濾除干擾信號。

3.1 IIR濾波器

DMP300-STD10中的DSP中設計4級級聯數字IIR濾波器，IIR數字濾波器在設計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現成的設計數據或圖表可查，其設計工作量比較小，對計算工具的要求不高，可提高測量速度。在設計一個IIR數字濾波器時，我們根據指標先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉換成數字濾波器的公式，如式（1）所示：

式（2）中為濾波器的二階基本節。分別是第k個基本節的分母、分子系數，它們只關系到濾波器的某一對零、極點。采用級聯型結構主要是考慮到對濾波器性能的調整比較方便，調整系數，只單獨涉及到第k級零、極點，而不會影響到其他任一級的零、極點，因而可以獨立地控制濾波器的每一級的零、極點的分布，故該濾波針對性較強、應用靈活，可對機械結構的固有振動頻率進行濾波。通過編程的方式事先將濾波器各參數寫入DMP300-STD10中的DSP中。

3.2 中位值平均濾波法

PLC通過RS232口接收來自DMP300-STD10濾波后的數值，采用“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”。原理是連續采樣N個數據，去掉一個最大值和最小值再算出N-2個數據的算術平均值。這種復合濾波方式結構簡單、運算量小、不需要做復雜的乘除法運算，程序的執行時間較短，對周期性干擾信號和偶然性干擾信號有較強的抑制作用。考慮到PLC除了完成濾波功能外，還要對整機進行邏輯控制、完成與觸摸屏和DMP300數字化模塊的通訊，并按觸摸屏中設定的分揀速度輸出到D/A模塊以模擬電壓的方式控制變頻器的輸出頻率，為了提高控制的實時性，PLC的掃描周期越短越好。

4 結語

DSP中采用的IIR濾波加上PLC中采用中位值平均濾波法，可以有效地提高自動選別機的測量精度與工作速度。將該技術應用于中山伙伴包裝器材有限公司的MD6030+CW-2000型自動選別機，達到了較高的控制效果。當然提高自動選別機的精度也與其機械結構設計能否有效消除振動有關系。

參考文獻

[1] 宋愛娟，閆冬梅.基于DSP的動態稱重系統的設計[J].儀器儀表學報，2003，（S1）.

[2] 潘若禹.基于DSP的動態稱重系統設計[J].現代電子技術，2010，（13）.

[3] 邢培育，崔克清.一種基于TMS320C5402的數字IIR濾波器設計[J].數據采集與處理，2002，（2）.

基金項目：中山市科技規劃項目（項目編號：20114A179）。

作者簡介：張文慶（1970-），男，中山職業技術學院機電學院副教授，研究方向：智能控制、系統集成。

（責任編輯：周 瓊）