在線動態稱重系統開發及質量采集算法研究

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，考慮到稱重的準確性、設備的導入周期、適用性、穩定性等因素，在線動態稱重工作站未能在食品與包裝等行業內完全普及，隨著制造業自動化的發展及人力成本的提升，現有人工稱重包裝分揀的生產模式已經不能滿足當前食品包裝行業自動化生產的需要[1]。當前在線動態稱重研究成果已有，張潔平[2]使用單片機開發了在線稱重分選檢測系統，具備一定的在線稱重與分選功能。高艷雯[3]利用LabVIEW和專用設備開發了一套在線稱重系統，具備質量采集、動態穩定性控制等功能，現有的在線稱重系統在制造成本及通用性上仍有改善的空間。基于稱重的穩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)、稱重儀和工業觸摸屏(HMI，Human Machine Interface)技術開發的在線稱重系統，系統與生產線對接，能夠快速地對線上產品的質量進行采集，加裝降低質量動態波動的機構，采用區間采樣和區間數值平均值的方法計算動態質量，系統還具備分揀質量不達標產品的功能，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，實現快速二次開發。稱重工作站的組成見圖1。

1 稱重工作站的構成與功能

稱重工作站(Online Weighing Station，OWS)具有在線稱重、產品分揀的功能。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換成電流信號傳到主電控柜的AD模塊， PLC根據數字量進行對比、記錄、分揀或包裝等操作。4是系統的操作面板，可以顯示當前的稱重數據，并記錄保存相關的質量數據，控制分揀機構的執行邏輯。

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 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 系統硬件選型

系統選用三菱FX3G-40MR型號的PLC，模擬量和數字量轉換模塊選用FX3G-2AD-BD，具備2個通道的電壓或電流模擬量輸入[4]，這2個硬件性能穩定。稱重儀根據生產線的質量范圍需要選擇型號，其作用是將傳感器的信號轉化成模擬量，PLC通過讀取模擬量的數據對物品進行控制。顯示及操作系統選用工業觸摸屏，觸摸屏帶數據保存功能，可將質量、種類、合格狀態記錄在系統中[5]，系統的控制框架如圖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，并將質量值進行顯示的儀表，可以實現對質量的采集、去皮、歸零等操作[6]。稱重系統采用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，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，本系統的稱重儀選用能夠輸出4～20 mA電流的模塊，稱重儀可將質量轉變成電流輸出到PLC的AD模塊，AD模塊將電流轉換成數字量提供給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、生產線上的包裝防漏檢測、包裝的重量檢測等。可嵌入到現有生產線的系統中，根據程序設置記錄稱重的結果，分揀質量不符合設定的產品。系統也可以與灌裝單元進行聯動控制，當達到設定的質量時，灌裝停止，完成一個灌裝流程。該系統可運用于在線稱重的多個場合，現以食品包裝檢測為例，工作流程如圖5所示。上游生產線已經分裝好的產品，經過傳送帶進入到稱重工作站，工作站啟動質量采集程序，質量采集到位后，將數值與系統所設定的額定值進行比較，如果達到要求，則產品流入下一個封箱環節，如果達不到要求，則會啟動產品剔除等系統設定的工作。

5 控制程序和觸摸屏設計

5.1 控制系統設計

5.1.1 稱重儀模擬量數據采集 PLC讀取稱重儀模擬量的數據，讀取到的是0～2 000的數字量，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，以保證系統采集質量的精度[8]。

表1 PLC IO分配表

圖5 在線動態稱重系統的工作流程圖

系統需要對PLC所采集到的質量進行顯示和保存，觸摸屏作為數據顯示和保存的設備，需要對觸摸屏系統界面進行設計，工業觸摸屏的選用能夠快速根據功能開發出上位機，存儲稱重的各項數據[9]。

根據AD模塊的輸入特性，將電流值轉換成數字量，系統選用A/D模塊的通道2，根據表2中的軟件元件功能，PLC采集的數據是存儲在PLC的D8261寄存器中，讀取的數字量存儲在D101中，將數據轉換到程序中，如圖6所示。

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

表2 FX3G-2AD-BD模塊軟元件功能

圖6 模擬量轉換成數字量程序

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——質量當前采樣值；

D讀取值——PLC通過AD模塊轉換讀取的數字量；

W量程——稱重儀設定的量程。

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

5.1.3 質量比較程序設計 將當前質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。質量不達標的工件將由分揀機構執行分揀動作。要求工作站將質量符合和不符合的產品都需要記錄在存儲器內，以方便后續的查詢和跟蹤。

圖8 質量比較程序

5.2 觸摸屏程序設計

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

(1) 質量顯示功能：將當前采集的實際質量實時顯示出來，以便操作者查看。

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

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

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

5.3 動態質量采集穩定性控制

由于生產線上的產品都是動態的，因此需要對數據進行濾波處理，將進和出時的質量數據波動進行過濾，使測量的誤差不受生產線振動和沖擊的干擾[12]，系統的最大測量誤差需控制在5 g以內。

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

圖9 稱重觸摸屏界面

圖10 稱重采樣動態圖

建立區間1的經驗公式如式(2)所示。

y=φ(t)+K，

(2)

式中：

y——采集質量值，kg；

t——產品進入工作站的時間，s；

K——質量的有效值，kg。

對式(2)進行求導，得：

(3)

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

在區間2中，在一定的時間內快速采集質量值，采用區間數值平均[14]的算法：

(4)

求得y為在線稱重的質量值。

使用PLC的控制程序，當有效區間觸發時，將數據存儲在臨時數據寄存器D中，并進行平均值計算得出動態質量的精確值y。

6 質量誤差分析試驗

產品的在線質量采集結果如表3所示，通過對數據的分析，分別對同一工件進行10次測量，根據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——質量誤差，g；

m1——當前采集的動態質量，kg；

m0——靜態質量，kg。

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

表3 質量誤差試驗

7 結語

設計的在線稱重系統采用PLC和廣泛商用的稱重儀，工作穩定，成本低，質量的動態控制經過區間采樣和區間平均值的算法后，動態值非常接近靜態值，系統可滿足眾多中小企業對在線動態稱重的需求，具備推廣價值。本研究的下一步工作將開展系統的模塊化、參數化設計，方便更多的生產線快速地導入。