張文慶 洪志剛 李勇

摘要：文章通過分析目前動態(tài)檢重秤存在的問題，提出一種應(yīng)用DSP和PLC的復(fù)合濾波技術(shù)的動態(tài)稱重系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)動態(tài)稱重系統(tǒng)測量精度低、所需時間長等缺點(diǎn)，通過實(shí)測表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，提高了檢測的精度和速度。

關(guān)鍵詞：動態(tài)稱重系統(tǒng)；復(fù)合濾波；DSP；PLC；PROFIBUS-DP 文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)現(xiàn)高速、高準(zhǔn)確度動態(tài)稱重已經(jīng)成為包裝行業(yè)的前沿研究課題，也是生產(chǎn)實(shí)踐中迫切需要解決的難題之一。應(yīng)用動態(tài)稱重有利于高效生產(chǎn)、質(zhì)量控制和確保消費(fèi)者利益。因此研究高速度的自動檢重選別機(jī)有廣闊的市場前景，在生產(chǎn)實(shí)踐中也具有相當(dāng)大的實(shí)用價值。國內(nèi)的重量選別機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單故精度不高，而國外的產(chǎn)品價格昂貴，一般企業(yè)難以接受。本文介紹一種基于復(fù)合濾波技術(shù)的動態(tài)檢重選別機(jī)，動態(tài)準(zhǔn)確度可達(dá)0.3克，在性能價格上達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，克服了國內(nèi)重量選別機(jī)測量精度低、選別速度慢等缺點(diǎn)。

2 檢重選別機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

檢重選別機(jī)是一種中低速度、高精度的包裝生產(chǎn)線的檢重設(shè)備，可與各種包裝生產(chǎn)線以及輸送系統(tǒng)集成，主要用于在線檢測產(chǎn)品重量是否合格，包裝內(nèi)是否缺少部件或產(chǎn)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(tài)地測出袋裝品的重量值，并由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將質(zhì)量不合格的物品剔除掉。

圖1 動態(tài)檢重選別機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)圖

檢重選別機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)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(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

2.1 稱重傳感器

稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y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(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號?？紤]到不同使用地點(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)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(shí)現(xiàn)精確的重量讀數(shù)，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(yīng)。當(dāng)負(fù)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(shè)備所處環(huán)境和稱重設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(wěn)定性好結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，四角偏差可調(diào)整，適用于電子天平、計(jì)數(shù)秤、包裝秤、食品、醫(yī)藥等工業(yè)稱重和生產(chǎn)過程稱重。

2.2 DMP300數(shù)字化測量模塊

DMP300-STD10數(shù)字化測量模塊，它可以通過總線方式組網(wǎng)工作并且對稱重傳感器的測量信號進(jìn)行數(shù)字化處理。內(nèi)含有DSP，可以對傳感器測量的模擬信號進(jìn)行直接的數(shù)字化處理并可將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)；測量輸出速率最高達(dá)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(nèi)設(shè)數(shù)字濾波IIR（特性可調(diào)節(jié)）。

2.3 主機(jī)

主機(jī)采用西門子S7-200PLC，CPU226型，具有13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)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(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，具有更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能可以進(jìn)行復(fù)合濾波計(jì)算和完成撿重機(jī)邏輯控制。通過現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP接口和DMP300數(shù)字化測量模塊相連，讀取其重量數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)合濾波。PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、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(shè)計(jì)有自我診斷功能，當(dāng)檢重選別機(jī)運(yùn)行出錯時會自動在觸摸屏上顯示故障信息。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

PLC通過D/A控制變頻器輸出頻率以此來控制設(shè)備運(yùn)行速度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的動作，控制電磁閥及時剔除質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的包裝產(chǎn)品。

2.5 觸摸屏

觸摸屏作為人機(jī)接口主要完成稱重顯示、數(shù)值標(biāo)定、動態(tài)檢重、參數(shù)設(shè)置和查詢記錄數(shù)據(jù)等功能，如圖3所示。圖4為參數(shù)設(shè)置界面，可設(shè)定需檢測產(chǎn)品的目標(biāo)重量、選別的上下偏差、采樣數(shù)據(jù)個數(shù)、選別的方式等。并設(shè)50組產(chǎn)品記憶，提高生產(chǎn)運(yùn)作效率。圖5為檢重界面，有產(chǎn)品通過選別機(jī)時顯示重量，在開機(jī)運(yùn)行時或運(yùn)行一段時間后手動置零。

3 檢重機(jī)濾波算法設(shè)計(jì)

檢重選別機(jī)的核心技術(shù)是如何及時準(zhǔn)確地獲取產(chǎn)品重量數(shù)據(jù)，對稱重信號進(jìn)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(fēng)扇、空調(diào)、風(fēng)吹等都會對重量選別機(jī)的精度都有影響。可通過給檢重選別機(jī)稱重部分設(shè)計(jì)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(jī)的精度。一般情況下，重量檢測機(jī)適合的工作環(huán)境是-5℃～45℃，相對濕度：95%（無凝露）；（3）靜電感應(yīng)，帶電的物體或者灰塵接近金屬物體時會產(chǎn)生靜電，當(dāng)然也會對敏感的重量選別機(jī)造成干擾甚至損壞，所以事先要準(zhǔn)備防靜電的措施，機(jī)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(jī)器頻繁運(yùn)作導(dǎo)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(jī)的精度，另一方面存在選別機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)振動。機(jī)械結(jié)構(gòu)振動是影響動態(tài)稱重性能的主要因素，主要有電機(jī)的振動、傳送帶的振動以及軸承的振動等，可通過對選別機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)及動態(tài)特性分析，對機(jī)械結(jié)構(gòu)振動大的主要部分更改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、保持PLC輸出頻率穩(wěn)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(tài)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(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的處理，主要是進(jìn)行濾波，濾除干擾信號。

3.1 IIR濾波器

DMP300-STD10中的DSP中設(shè)計(jì)4級級聯(lián)數(shù)字IIR濾波器，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)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(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計(jì)工作量比較小，對計(jì)算工具的要求不高，可提高測量速度。在設(shè)計(jì)一個IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標(biāo)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(zhuǎn)換成數(shù)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(jié)。分別是第k個基本節(jié)的分母、分子系數(shù)，它們只關(guān)系到濾波器的某一對零、極點(diǎn)。采用級聯(lián)型結(jié)構(gòu)主要是考慮到對濾波器性能的調(diào)整比較方便，調(diào)整系數(shù)，只單獨(dú)涉及到第k級零、極點(diǎn)，而不會影響到其他任一級的零、極點(diǎn)，因而可以獨(dú)立地控制濾波器的每一級的零、極點(diǎn)的分布，故該濾波針對性較強(qiáng)、應(yīng)用靈活，可對機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動頻率進(jìn)行濾波。通過編程的方式事先將濾波器各參數(shù)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(shù)值，采用“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。原理是連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和最小值再算出N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種復(fù)合濾波方式結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算量小、不需要做復(fù)雜的乘除法運(yùn)算，程序的執(zhí)行時間較短，對周期性干擾信號和偶然性干擾信號有較強(qiáng)的抑制作用。考慮到PLC除了完成濾波功能外，還要對整機(jī)進(jìn)行邏輯控制、完成與觸摸屏和DMP300數(shù)字化模塊的通訊，并按觸摸屏中設(shè)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(shí)時性，PLC的掃描周期越短越好。

4 結(jié)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(jī)的測量精度與工作速度。將該技術(shù)應(yīng)用于中山伙伴包裝器材有限公司的MD6030+CW-2000型自動選別機(jī)，達(dá)到了較高的控制效果。當(dāng)然提高自動選別機(jī)的精度也與其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有效消除振動有關(guān)系。

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基金項(xiàng)目：中山市科技規(guī)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：20114A179）。

作者簡介：張文慶（1970-），男，中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院副教授，研究方向：智能控制、系統(tǒng)集成。

（責(zé)任編輯：周 瓊）