集中式濾膜批量自動稱重及取證分析系統(tǒng)研究

吳付祥

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

粉塵采樣法是粉塵濃度檢測的國際標(biāo)準(zhǔn)方法[1-2]，在國內(nèi)外粉塵檢測行業(yè)一直被重視和沿用。但目前仍使用手工方式對采樣濾膜進(jìn)行稱重，這種方式會帶來外界干擾，產(chǎn)生新的誤差[3-4]；同時(shí)在進(jìn)行大批量采樣稱重過程中，手工方式將花費(fèi)大量的人力和物力，操作不當(dāng)還會影響粉塵濃度檢測結(jié)果，甚至造成檢測結(jié)果無效[5-6]。

為了避免手工方式給粉塵采樣稱重帶來的干擾，提高稱重速度和效率。國內(nèi)外已有部分學(xué)者對自動稱重技術(shù)開展了相關(guān)研究。聶秀珍[7]等設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的煙塵濃度自動監(jiān)測裝置實(shí)時(shí)采集并處理數(shù)據(jù)，同時(shí)采用WINCC 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；馮健兒[8]等研制了基于濾膜稱重法測量顆粒物濃度的自動監(jiān)測儀，對采集得到的顆粒物進(jìn)行分析處理，結(jié)果表明儀器切割頭切割效果良好；豈峰利[9]主要對煙塵濾膜自動加載裝置中各工位的機(jī)械結(jié)構(gòu)、各元件選型以及裝置中的電氣控制和軟件控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，完成了基于稱重法的煙塵濾膜自動加載裝置。

雖然，已有學(xué)者對濾膜自動稱重技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。但是，該類研究沒有涉及到批量濾膜處理和環(huán)境參數(shù)對稱重的影響。而該文將從環(huán)境、自動稱重和系統(tǒng)控制等關(guān)鍵單元對濾膜自動批量稱重系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 技術(shù)方案及設(shè)計(jì)

集中式批量濾膜自動稱重及取證分析系統(tǒng)由3部分組成：環(huán)境控制單元、自動稱重單元、系統(tǒng)控制單元。采取分體式設(shè)計(jì)、便于拆卸與移動，提高系統(tǒng)靈活性。其中，環(huán)境控制單元、自動稱重單元實(shí)行軟性連接，隔絕機(jī)組震動的相互傳遞。同時(shí)配置UPS和示波器等設(shè)備，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行和便于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。

1.1 環(huán)境控制單元方案

受控環(huán)境包括：振動、風(fēng)速、潔凈度、溫度、濕度等參數(shù)。使用航空插頭和保溫風(fēng)管等軟性連接材料，隔離環(huán)境控制單元和自動稱重單元，阻止振動的相互傳遞。為保證箱內(nèi)風(fēng)速小于0.2 m/s，風(fēng)機(jī)選型為可調(diào)風(fēng)量風(fēng)機(jī)，同時(shí)在風(fēng)道上設(shè)置G4 和H13 兩級過濾器，實(shí)現(xiàn)稱重單元的千級潔凈度。

溫濕度的控制系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、風(fēng)道系統(tǒng)、制冷/除濕系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成。基本原理為通風(fēng)內(nèi)循環(huán)，PID 控制調(diào)溫調(diào)濕。在制冷/除濕系統(tǒng)連續(xù)工作的情況下，控制系統(tǒng)根據(jù)所采集到的箱內(nèi)溫度/濕度信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出的偏差信號經(jīng)PID 運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號，自動控制加熱器及加濕器的輸出功率，最終使箱內(nèi)的溫度和濕度達(dá)到一種動態(tài)平衡[10-11]。其原理圖如圖1 所示。

圖1 環(huán)境控制單元溫濕度調(diào)控原理圖

1.1.1 制冷量設(shè)計(jì)

熱負(fù)荷計(jì)算中，主要考察35 ℃環(huán)境溫度下，艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)20 ℃溫度的制冷需求。箱體結(jié)構(gòu)尺寸700 mm×1 200 mm×600 mm，傳熱面積計(jì)算如表1 所示，熱傳導(dǎo)計(jì)算如表2 所示。

表1 傳熱面積

表2 熱傳導(dǎo)計(jì)算

408 W 制冷量需求，考慮部分冗余負(fù)荷，設(shè)計(jì)使用500～600 W 制冷量。

通過型號選型，選擇BSA586 壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的核心。配置蒸發(fā)器和冷凝器，組成制冷系統(tǒng)。

1.1.2 流場設(shè)計(jì)

稱重環(huán)境采用靜壓均流箱采用孔板送風(fēng)原理，孔板送風(fēng)由孔口送出的氣流速度v0，不僅直接影響工作區(qū)氣流速度的大小，也影響到送風(fēng)氣流分布的均勻程度。如采用較大的送風(fēng)速度v0，就需要穩(wěn)壓層中有較高的靜壓。這樣，穩(wěn)壓層中靜壓的變化對送風(fēng)速度的影響較小，使孔板送出的氣流得以保持均勻。而且由于孔口送風(fēng)速度比穩(wěn)壓層中氣流速度大，在孔口處送風(fēng)射流的軸線就接近于垂直向下。當(dāng)送風(fēng)溫度高于室溫時(shí)，熱空氣減弱了向下的流動，所以應(yīng)采用較大的送風(fēng)速度。但是，如果送風(fēng)溫度低于30 ℃，這種影響并不顯著，可以不予考慮。然而，由于穩(wěn)壓層中靜壓提高，增加了結(jié)構(gòu)不嚴(yán)密處的漏風(fēng)量，且當(dāng)送風(fēng)速度超過7～8 m/s 時(shí)，孔口會產(chǎn)生噪聲。因此，一般采用v0為2～5 m/s。

采用全面孔板送風(fēng)方式，送風(fēng)口的風(fēng)速v0取1 m/s；送風(fēng)量L取較大值400 m3/h；孔口流量系數(shù)α取值為0.78，則所需的孔口總面積[12]計(jì)算如式（1）所示。

送風(fēng)孔板的尺寸為0.6 m×0.5 m，面積為0.3 m2，則凈孔面積比計(jì)算如式（2）所示[13]。

取孔口直徑d0為10 mm，孔口與孔口中心間距l(xiāng)如式（3）所示[14]。

孔口排列如圖2 所示。

圖2 孔口排列圖

1.2 自動稱重單元方案

自動稱重單元中，濾膜處于濾膜架上，通過XYZ機(jī)器人負(fù)責(zé)搬運(yùn)濾膜到天平稱量位。

工業(yè)機(jī)器人按照臂部的運(yùn)動形式可以分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)機(jī)器人。項(xiàng)目中采用直角坐標(biāo)機(jī)器人。直角坐標(biāo)機(jī)器人又稱單軸機(jī)械手，是以XYZ直角坐標(biāo)系為基本的數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動的單軸機(jī)械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶為常用的傳動方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系統(tǒng)，可以完成在XYZ三維坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的到達(dá)和遵循可控的運(yùn)動軌跡。機(jī)器人示意圖如圖3 所示。

圖3 XYZ直角坐標(biāo)機(jī)器人示意圖

該文使用工控機(jī)（IPC）+可編程邏輯控制器（PLC）的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。PLC 用于各種運(yùn)動控制場合，其控制方式包括位置方式、速度方式、力矩方式等。該控制方案使用工控機(jī)和上位機(jī)開發(fā)軟件來共同完成控制應(yīng)用程序的開發(fā)，具有控制系統(tǒng)定制的對外開放性。IPC 主機(jī)主要進(jìn)行人機(jī)交互管理、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)送運(yùn)動指令、監(jiān)控反饋信號等，而運(yùn)動控制卡則負(fù)責(zé)控制工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動。工控機(jī)將指令通過 PC 總線傳送運(yùn)動控制卡，運(yùn)動控制卡根據(jù)來自IPC 機(jī)的應(yīng)用程序命令，按照設(shè)定的運(yùn)動模式，向伺服驅(qū)動器發(fā)出指令，完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制。目前，世界上大多數(shù)知名的運(yùn)動控制領(lǐng)域的公司都有自己獨(dú)立開發(fā)的、具有各種功能的運(yùn)動控制器。基于IPC 開發(fā)的機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)兼容性好、可靠性強(qiáng)、計(jì)算能力優(yōu)勢明顯。

系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，驅(qū)動器和編碼器為閉環(huán)控制元件。而其編碼器用來組成位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制，其位置環(huán)的輸入量是期望位置與反饋位置的差值，而速度環(huán)是期望速度與反饋速度的差值。

1.3 系統(tǒng)控制單元方案

以工控機(jī)作為控制平臺，通過PLC 與XYZ機(jī)器人通訊進(jìn)行控制，通過USB 或者RS232 接口與天平、條碼掃描單元通訊、靜電測量和消除設(shè)備通訊，通過TCP/IP Modbus 協(xié)議與環(huán)境控制單元通訊，完成各種控制指令，獲取數(shù)據(jù)，形成報(bào)表輸出[15-16]。控制單元架構(gòu)圖如圖4 所示。

2 關(guān)鍵單元研究

2.1 環(huán)境控制單元

環(huán)境控制單元由電控系統(tǒng)、風(fēng)道系統(tǒng)、制冷/除濕系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成(如圖5)。基本原理為通風(fēng)內(nèi)循環(huán)，PID 控制調(diào)溫調(diào)濕。在制冷/除濕系統(tǒng)連續(xù)工作的情況下，控制系統(tǒng)根據(jù)所采集到的箱內(nèi)溫度/濕度信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出的偏差信號經(jīng)PID 運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號，自動控制加熱器及加濕器的輸出功率，最終使箱內(nèi)的溫度和濕度達(dá)到一種動態(tài)平衡。

為保證箱內(nèi)風(fēng)速0.2 m/s，風(fēng)機(jī)選型為可變風(fēng)量風(fēng)機(jī)；空氣加熱方式為優(yōu)質(zhì)鎳鉻合金電加熱器；空氣制冷/除濕方式：親水膜翅片管式換熱器；加濕方式：電熱式蒸汽加濕；除濕方式：冷凍除濕，光管表面式除濕器。

2.2 自動稱重單元

圖4 系統(tǒng)控制單元架構(gòu)圖

圖5 環(huán)境控制單元組成示意圖

自動稱重單元基于獨(dú)立的工作艙設(shè)計(jì)，工作艙具有保溫結(jié)構(gòu)，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，降低系統(tǒng)功率。同時(shí)觀察窗可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)境隔絕。XYZ機(jī)器人及濾膜存儲單元位于工作艙臺面上。(如圖6)工作艙內(nèi)設(shè)計(jì)靜壓箱和均流孔板，保證環(huán)境控制單元的送風(fēng)可以均勻低速地流過從操作倉。

圖6 自動稱重單元內(nèi)部元件3D示意圖

直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)就是所占空間較小，機(jī)器人布置比較靈活，在對工作空間有嚴(yán)格要求的場合比較適用。

圖7 濾膜架和天平圖

濾膜架的設(shè)計(jì)采用層疊結(jié)構(gòu)，每層可容納10 張47 mm 濾膜，共20 層，總共容納200 張濾膜，濾膜架和天平實(shí)物如圖7 所示。使用快速拆卸元件來實(shí)現(xiàn)濾膜架的快速更換，更換示意圖如圖8 所示。

圖8 可更換式濾膜架示意圖

從濾膜下方使用平面工具進(jìn)行濾膜的抬取，同時(shí)對該抬取平面進(jìn)行特別形狀的加工，一方面與濾膜架耦合，另一方面阻止濾膜在搬運(yùn)的過程中從平板上落下。

2.3 系統(tǒng)控制單元

集中式批量濾膜自動稱重及取證分析系統(tǒng)的控制系統(tǒng)共分為6 個(gè)子模塊，分別是樣品出入庫模塊、稱重模塊、自動控制模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、視頻監(jiān)測模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。

1）樣品入庫出庫

預(yù)處理分為樣品入庫與樣品出庫兩部分內(nèi)容，其流程如圖9 所示。

圖9 樣品出入庫流程圖

樣品入庫是新濾膜使用的第一步。在系統(tǒng)界面里點(diǎn)擊濾膜注冊按鈕，彈出樣品入庫界面。將模盒上的條形碼在系統(tǒng)掃描槍下掃描，系統(tǒng)自動規(guī)劃該濾膜應(yīng)該放在某個(gè)稱量工號位，人工按系統(tǒng)提示放入該工號位，所有新濾膜放置完畢后，系統(tǒng)自動對新濾膜進(jìn)行采樣前的稱重，并記錄對應(yīng)條形碼和采樣前的重量。采樣前稱重結(jié)束后，人工將模盒上的條形碼在掃描槍前掃描，系統(tǒng)自動彈出該模盒對應(yīng)的濾膜所在的工號位，人工將已稱重的濾膜放入對應(yīng)的模盒。

樣品出庫是注冊后的新濾膜在收集樣品后，放入樣品架的過程。在系統(tǒng)界面點(diǎn)擊樣品出庫的按鈕后彈出放樣品界面。將模盒上的條形碼在系統(tǒng)掃描槍下掃描，系統(tǒng)自動規(guī)劃該濾膜應(yīng)該放置的工號位，人工按系統(tǒng)提示將樣品放入該工號位，稱重過程中系統(tǒng)按工位號將對應(yīng)的稱量數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的樣品編號，并自動地將該樣品編號、稱重?cái)?shù)據(jù)、采樣前數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配。

2）稱重模塊

稱重模塊主要負(fù)責(zé)電子天平的管理及稱重?cái)?shù)據(jù)的獲取。

在稱重前，首先，需要對電子天平進(jìn)行校正調(diào)零。天平內(nèi)校是在用戶的操作下發(fā)送天平內(nèi)校指令，對天平進(jìn)行校正，同時(shí)，天平也具有外部校準(zhǔn)功能，并且外部校準(zhǔn)砝碼不少于2 個(gè)；天平調(diào)零是在用戶的操作下發(fā)送天平調(diào)零指令，將天平自動調(diào)零。

稱重模式共分為單張和批量稱重兩種模式，用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。在單張稱重模式下，用戶通過窗口選擇需要稱重的濾膜所在的工位號后，系統(tǒng)自動將該工位號的濾膜送到電子天平進(jìn)行稱量。在批量稱重模式下，用戶通過窗口選擇所需要稱重的濾膜工位號范圍，確定后系統(tǒng)自動將設(shè)置工位號范圍內(nèi)的濾膜自動稱量，并顯示稱完該批樣品所需要的時(shí)間，批量稱樣流程如圖10 所示。

圖10 稱樣流程圖

數(shù)據(jù)讀取是將濾膜工號、稱重重量等傳送到天平上后，系統(tǒng)通過R232 通訊，自動獲取樣品的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)可以設(shè)置是否連續(xù)稱重。在連續(xù)稱重的條件下，用戶自動設(shè)置連續(xù)稱重的時(shí)間間隔，在設(shè)置的時(shí)間間隔后，系統(tǒng)自動把設(shè)置稱量范圍工號內(nèi)的濾膜自動稱重一次，如果差值超過標(biāo)準(zhǔn)閾值，則自動進(jìn)入下一次循環(huán)。

3）自動控制模塊

自動控制模塊分為濾膜傳輸和故障報(bào)警。

濾膜傳輸是在濾膜傳輸機(jī)器人的自動操作下，將濾膜樣品盤上的濾膜按要求正確無誤地傳輸?shù)教炱缴希怨┨炱椒Q重。

故障報(bào)警是在濾膜傳輸?shù)倪^程中或前后由于機(jī)械或其他故障所導(dǎo)致的濾膜機(jī)器人不能按要求將濾膜傳送到天平上所發(fā)起的報(bào)警，并停止濾膜機(jī)器人的動作。報(bào)警方式可以選擇該設(shè)備所在工作環(huán)境安全報(bào)警方式，具體可分為聲音報(bào)警、發(fā)光閃爍報(bào)警、短信報(bào)警等單個(gè)或多個(gè)組合方式，用戶可以設(shè)置選擇報(bào)警方式。

4）環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊分為溫度和濕度監(jiān)測。溫度控制范圍在15～30 ℃，溫度控制精度為±0.2 ℃，濕度控制范圍在40%～70%RH，濕度誤差控制在±2%RH。環(huán)境監(jiān)測模塊使用PID 控制模塊，使用效果良好。該系統(tǒng)通過Modbus 協(xié)議與環(huán)境控制子系統(tǒng)通訊，用戶根據(jù)需求在系統(tǒng)界面設(shè)置溫度和濕度值后系統(tǒng)按要求控制溫濕度。當(dāng)環(huán)境超過所設(shè)定的環(huán)境參數(shù)時(shí)，進(jìn)行安全報(bào)警，報(bào)警方式可以選擇本設(shè)備所在工作環(huán)境安全報(bào)警方式，具體可分為聲音報(bào)警、發(fā)光閃爍報(bào)警、短信報(bào)警等單個(gè)或多個(gè)組合方式，用戶可以設(shè)置選擇報(bào)警方式。

5）視頻監(jiān)測模塊

視頻監(jiān)測模塊分為稱重動態(tài)監(jiān)測和濾膜靜態(tài)圖片拍攝。動態(tài)監(jiān)測全程記錄稱重過程，視頻分辨率不低于1 920*1 080；濾膜靜態(tài)圖像分辨率不低于2 048*1 536。動態(tài)視頻監(jiān)測采用海康威視商用的監(jiān)測探頭進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，記錄系統(tǒng)完整的稱重過程，視頻監(jiān)控不僅是保留儀器運(yùn)行過程的資料，更是進(jìn)行故障診斷的數(shù)據(jù)源，通過機(jī)器視覺成熟的算法，檢測機(jī)器人在運(yùn)動過程中的碰撞、掉濾膜、運(yùn)行中斷等故障并發(fā)起相應(yīng)的故障報(bào)警。濾膜靜態(tài)拍攝在濾膜機(jī)器人取出待稱重的樣品后，在拍照工位停頓拍照，濾膜圖片是濾膜狀態(tài)的重要資料，也是濾膜出現(xiàn)故障引起報(bào)警的數(shù)據(jù)源，通過圖片處理，對濾膜樣品所存在的缺陷或錯(cuò)誤進(jìn)行診斷并報(bào)警。

6）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊分為環(huán)境數(shù)據(jù)、濾膜數(shù)據(jù)和顆粒物濃度數(shù)據(jù)。主要負(fù)責(zé)這些數(shù)據(jù)的讀取、存儲、顯示、導(dǎo)出及維護(hù)。環(huán)境數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)查看環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)曲線，存儲歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)要求導(dǎo)出數(shù)據(jù)；濾膜數(shù)據(jù)庫模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的寫入、存儲、查看、導(dǎo)出詳細(xì)數(shù)據(jù)及圖像視頻；顆粒物濃度數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)自動或手工錄入采樣數(shù)據(jù)，獲取顆粒物濃度，形成樣品濃度報(bào)表。

3 實(shí) 驗(yàn)

通過研究完成樣機(jī)，將集中式濾膜批量自動稱重及取證分析系統(tǒng)進(jìn)行濾膜自動稱重驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其能夠全自動快速準(zhǔn)確地完成批量采樣濾膜的稱重，實(shí)用性好。

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種集中式批量濾膜自動稱重及取證分析系統(tǒng)，能夠全自動精確稱量粉塵濾膜質(zhì)量，并自動編號、記錄粉塵濾膜、采樣點(diǎn)聲音、視頻記錄。