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(lái)越精確的數(shù)據(jù)可以在無(wú)菌灌裝生產(chǎn)設(shè)備上實(shí)時(shí)采集，通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)上的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)一直是研究應(yīng)用的重要方向。各種故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)方法大都基于通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無(wú)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(cè)準(zhǔn)確性成為了重要研究課題。在無(wú)菌灌裝生產(chǎn)線(xiàn)裝備上噴嘴壓力的控制會(huì)直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，無(wú)菌灌裝生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的噴嘴壓力檢測(cè)是無(wú)菌灌裝生產(chǎn)線(xiàn)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(kāi)發(fā)了“高速無(wú)菌灌裝壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——噴嘴壓力智能傳感控制系統(tǒng)”，正是針對(duì)PET 瓶無(wú)菌吹灌旋生產(chǎn)線(xiàn)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。該研究設(shè)計(jì)成果，已應(yīng)用在國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題《現(xiàn)代飲料高速灌裝加工技術(shù)及成套裝備開(kāi)發(fā)——PET 瓶高速吹灌旋一體化無(wú)菌灌裝技術(shù)及裝備研發(fā)》項(xiàng)目的示范線(xiàn)上。

“高速無(wú)菌灌裝壓力監(jiān)測(cè)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(guó)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步擴(kuò)大了無(wú)菌灌裝技術(shù)在飲料行業(yè)的應(yīng)用，突破了國(guó)內(nèi)高速無(wú)菌吹灌旋技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)的瓶頸，也將“以點(diǎn)帶面”推動(dòng)國(guó)內(nèi)食品包裝機(jī)械行業(yè)在高速無(wú)菌灌裝裝備方面的快速發(fā)展?？杉涌焯嵘龂?guó)內(nèi)PET 瓶高速無(wú)菌灌裝裝備的國(guó)產(chǎn)化水平，替代進(jìn)口，減少飲料行業(yè)對(duì)進(jìn)口裝備的依賴(lài)，可顯著降低飲料生產(chǎn)企業(yè)裝備采購(gòu)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(shí)生產(chǎn)線(xiàn)壓力的檢測(cè)；

（2）實(shí)現(xiàn)壓力過(guò)高過(guò)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(jì)

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(gè)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(kāi)發(fā)。使用該軟件為后續(xù)人員的維護(hù)和升級(jí)提供了許多的便利，其中一個(gè)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(xiě)

對(duì)于業(yè)務(wù)邏輯，該智能傳感器采用Keil 來(lái)進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)，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(jì)

在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，傳感器機(jī)械安裝位置和機(jī)械碼盤(pán)的位置是固定，在不同運(yùn)行速度下，將會(huì)有同的信號(hào)特性。如信號(hào)的長(zhǎng)度，出現(xiàn)的時(shí)間都是不同的，如下圖所示。

▲圖4 STM32 軟件框架搭建

對(duì)比圖a 和圖b 可以明顯發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)速度和時(shí)間都是不同的，為了讓數(shù)據(jù)的檢測(cè)滿(mǎn)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(jì)了自適應(yīng)檢測(cè)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(cè)到每一個(gè)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(shí)間，減少了計(jì)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(jì)

▲圖5 智能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4.1硬件對(duì)比

▲圖6 實(shí)物對(duì)照?qǐng)D（左下電路板為本課題設(shè)計(jì)）

從國(guó)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(cè)我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)。

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

SMT32F103ZET6 計(jì)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(jià)格（32 元）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MC9S12A256（230 元）

▲圖7 主控芯片性能對(duì)比

▲圖8 主控芯片市場(chǎng)價(jià)格對(duì)比

1.4.2 不同公斤級(jí)性能測(cè)試

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

▲圖9 各公斤級(jí)別實(shí)測(cè)

▲圖10 實(shí)測(cè)結(jié)果放大圖

1.4.3誤檢率分析上圖是4 公斤級(jí)別進(jìn)行測(cè)試的局部放大圖，該實(shí)驗(yàn)做了三組每100-120 次左右測(cè)試，由于人工開(kāi)端壓力測(cè)試，所有存在了間隔有些不統(tǒng)一，但是從測(cè)試效果上來(lái)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(duì)比實(shí)驗(yàn)

▲圖11 兩款電路板壓力測(cè)試性能對(duì)比

圖A 是本課題設(shè)計(jì)的硬件測(cè)試效果圖，圖B 為國(guó)外電路板的測(cè)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(jì)的板子波形效果要平滑很多。這對(duì)我們碰嘴的壓力的檢測(cè)，以及碰嘴號(hào)的識(shí)別非常有利，大大降低了誤報(bào)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(jì)，從硬件上面得到了保障，其穩(wěn)定性相比國(guó)外電路板有顯著性的提升。

1.5測(cè)試效果

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

▲圖12 壓力檢測(cè)示意圖01-17 號(hào)碰嘴

▲圖13 壓力檢測(cè)示意圖18-34 號(hào)碰嘴

▲圖14 壓力檢測(cè)示意圖35-51 號(hào)碰嘴

▲圖15 壓力檢測(cè)示意圖52-68 號(hào)碰嘴

▲圖16 壓力檢測(cè)示意圖69-80 號(hào)碰嘴

從測(cè)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(cè)，并能實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。其中04，05，25 號(hào)碰嘴壓力值是0，因?yàn)閲娮焱耆伦×耍?4，64，65 號(hào)噴嘴壓力值達(dá)到了4 點(diǎn)多，因?yàn)榕鲎焱耆蔚袅耍渲行枰赋龅氖?3，63，66，72，四個(gè)噴嘴的值在此自適閾值時(shí)智能傳感器默認(rèn)為堵情況，該現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)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(cè)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(mǎn)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?hù)無(wú)菌灌裝裝備示范線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)了36000 瓶/時(shí)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(gè)方面都進(jìn)行了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)和升級(jí)，各方面的性能相對(duì)于國(guó)外壓力采集系統(tǒng)都有了顯著的提高。