昆山市拓恒機電有限公司
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1 序言
檢重秤, 全程在線檢重秤, 又名自動檢重秤、重量分選秤/分揀秤。屬于動態高精度在線稱重自動化設備, 可與各種包裝生產線以及輸送系統集成配套, 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。在線檢重設備在現代工業生產, 特別是食品、醫藥行業的生產過程中已逐步成為一個不可缺少的環節。
在線檢重秤, 在產品的輸送過程中就完成對產品重量的測量, 并將測量重量和預先設定的范圍相比較, 由控制器發出指令, 將重量不合格產品剔除, 或把不同重量范圍的產品分送到指定區域。從上述檢重秤工作流程的描述中, 我們可以看出, 如果將檢重秤的機械部分比喻成“骨架肌肉”, 那么控制器就是它的“大腦”, 所以在電氣控制系統中, 檢重控制儀表這個“大腦”是足夠否聰明可靠, 直接決定了檢重秤工作的效率和穩定性。
2 檢重秤的電氣控制系統架構和選型
檢重秤的電氣控制系統可大體分成, 控制部分、傳感器部分和執行部分。根據控制部分常見分類方式, 我們可以將檢重秤的電氣控制系統架構歸成三類:
2.1 變送器+PLC
這種變送器+PLC的組合, 由于其結構簡單, 體積緊湊, 成本較低。常用于精度要求不高, 速度較低的場合。根據變送器輸出的信號類型, 可將變送器分為模擬量變送器和數字量變送器。
模擬量變送器, 是利用標準模擬量信號進行數據傳輸 (如4mA～20mA、0V～10V等) , 具有反應靈敏, 傳輸速度較快, 應用技術難度低, 產品型號豐富等優點。此類產品有德國BAYKON的TX12、TX11, 德國AST的BA660/661, 日本unipulse的LC1111、LC240等型號。
但是由于模擬量存在先天缺陷, 其信號傳輸信息少, 距離短, 易衰減, 抗干擾性差等缺點。尤其在變頻技術普及的今天, 無法消除電磁磁場的干擾, 信號穩定性很差。另外, 由于本身是動態過程, 也無法有效濾其雜音信號。隨著電子信息技術, 通訊總線技術的發展, 數字量變送器開始逐步替代模擬量變送器。
數字量變送器具有傳輸信息量大, 距離遠, 抗干擾性強的特點。尤其是隨著以太網、Profibus、CANbus、CC-LINK、Device Net等高速總線的加入, 使得數字量變送器通訊速度較慢的瓶頸被打破 (以太網通訊速率可達100M/S) 。尤其是在數字生產線, 智能工廠等現代化生產場景中, 數字變送器便利的組網能力, 使其更具活力。德國BAYKON的TX2系列的TX2-PN、TX2-EN, 日本unipulse的F156、F160等型號都是數字量變送器的典型代表。
2.2 通用控制儀表+觸摸屏+PLC
通用控制儀表 (controller) 相對于變送器而言, 價格適中, 擁有功能更完善的信號處理硬件, 可以提供更多的參數, 來抑制和消除現場的各種干擾因素, 數據的運算處理能力也相較于變送器有大幅提高, 這大大減輕了技術人員編寫程序時的負擔, 在提高項目效率的同時, 也提高了系統的穩定性可靠性。另外某些高檔通用儀表支持“貨號”功能, 這樣可以靈活的實現“一線多產品”的方案, 大大減少了用戶的重復性投入, 對于組建柔性自動化生產線 (flexible manufacturing system) 具有重要意義。如日本unipulse的F701-P、F701-C、F741-C、F820等稱重控制器儀表。
觸摸屏 (touch screen) 的應用, 大大增強了人機的交互性, 極大的提高操作人員的操作便利性, 并且為進一步強化設備系統數據的統計管理提供了支持, 這對于現在“大數據”背景下的現代化生產時極為重要的。
但是這種架構也有其自身的一些缺陷, 由于采用的是通用型控制儀表, 所以從先天設計上就不是為了動態檢重作為第一目標, 所以在硬件和軟件并有進行有針對性的系統優化, 故在一般檢重場景下還能勉強勝任, 一旦涉及高速、高精度的檢重任務時就會力不從心。所以推薦下面第3種專業電氣系統架構方案。
2.3 專用檢重控制儀表+觸摸屏+PLC
專用檢重秤儀表, 從研發開始就是立足于針對動態檢重這種專業應用, 所以在先天上就具有優勢, 尤其是在算法和硬件上更是進行了專業專門的優化, 反應迅速, 準確, 可靠。尤為擅長高速, 高精度的檢重場合。而這一類儀表又分為基本型和高檔型。
基本型檢重儀表, 如日本unipulse的F741-C和F701-P都屬于此類。該類型儀表, 價格適中, 具備簡單的控制IO端口, 帶有基本的通訊功能, 如F701-P標配485端口支持MODBUS協議, F741-C可配置西門子PLC高速Profibus-DP接口, 還可以根據需要選配其他通訊端口, 足夠應對一般檢重場景。
高檔型檢重控制儀表, 如日本unipulse的F805AT-CK和F650-CK。相對于基本型, 此類儀表功能更為強大, 通訊接口豐富。在高速度, 高精度檢重時, 可以憑借其專用儀表的特點, 使得設備效率更高, 更穩定。由于高檔型專用檢重是專業型儀表, 其功能設計上幾乎可以覆蓋絕大多數的應用場景, 所以這極大的減少了設計人員和技術人員的工作量, 降低了技術難度, 大大縮短了新設備的研發和調試周期。關鍵憑借自身專業的處理算法和相關硬件, 大幅提升了系統的效率和準確性, 這是一般技術人員技術能力所不及的。
對于高級型檢重專用儀表, 下面以日本unipulse的F650-CK為例對高檔型檢重專業控制器進行分析。
3 專業檢重專家F650-CK的特點
3.1 信號處理能力
一臺檢重秤只有能夠快速采集到大量的數據, 并且能從各種數據中找出有效數據并剔除干擾數據, 才能夠為后續的數據處理運算控制提供堅實的基礎。俗話說“巧婦難為無米之炊”, 再強大的控制系統, 如果沒有可靠的數據采集處理能力, 那也是花架子。信號的處理能力可從兩個方面分析, 采樣能力和濾波處理。
3.1.1 采樣能力
在高速檢重時, 只有保證采集到足夠多的數據信息, 才能有效的減少了漏判和誤判的情況。
如果信號數據只有單純的高速采樣, 沒有與之配套的高速處理輸出能力, 這樣就會形成“茶壺煮餃子, 有嘴倒不出”的尷尬局面, 這樣的能力只能說是“偽高速采樣能力”。無論技術參數標稱有多少, 都是忽悠。
F650-CK采樣速度高達1000次/秒, 通過其TFT彩色觸摸屏, 可以將檢重過程的重量數據以平滑波形的形式表現出來, 由于波形的繪制是需要大量的數據點和高速運算來支持的, 更何況是在極短的時間內 (幾乎是實時繪制波形圖) 完成采集運算處理到繪制波形的整個過程, 這足以證明F650-CK要比某些單純顯示數值的檢重儀表在采樣能力方面要強悍的多。這是其他品牌的儀表目前都無法超越的。
此外憑借優異的高速數據處理能力, F650-CK儀表在某些模式下, 根據現場檢測物體、皮帶速度等情況, 儀表還支持對讀取區間采樣速率的切換, 以實現更好的精準檢重。
3.1.2 濾波處理
濾波處理, 簡單點說就是對信號“去偽存真”。由于在線檢重秤, 總是在一個不停運動的動態平臺上進行檢重的, 所以不可避免的會受到振動、沖擊, 環境及電磁干擾等各種因素的干擾, 這在高速、高精度、小量程的動態檢重秤臺表現的尤為突出。所以濾波能力的強弱, 直接會影響動態檢重的準確性和可靠性。
現有的濾波方式可根據實現方式分為硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波, 優點是效率高, 濾波效果相對容易實現, 但是缺點是成本高。軟件濾波, 優點是成本低, 方便靈活, 缺點時濾波效果較依賴于技術人員算法水平高低。
F650-CK有豐富可靠的軟硬件濾波設計, 濾波設置范圍較廣, 在動態檢重時可以有效濾除抑制振動等干擾因素, 實現快速準確的稱量。由于現行儀表濾波的工作機制的限制, 效率和穩定性之間是存在矛盾的 (比如數字濾波, 濾波越強, 顯示值越穩定, 但反應越慢) 。濾波參數細化為數字低通濾波和移動平均濾波兩個獨立參數, 相較于提供一個籠統的濾波參數, 可以更具針對性的濾除干擾因素, 更好的平衡穩定和效率之間的關系。并且通過“濾波前顯示”功能 (如圖1所示) , 現場操作人員可以很方便的觀察濾波設置前后, 波形的變化, 方便對于濾波效果的可視化確認, 降低調試難度, 提高設備檢測效果。
圖1 下載原圖
圖中曲折線是濾波前的波形圖中平滑線是濾波后的波形現場人員, 可以很方便的看到設備濾波前后的波形變化, 從而確認最優參數和設備運行情況。
3.2 應用能力
以皮帶檢重秤的為例, 產品經由傳送帶整齊等間距地進入重量檢測傳送帶, 重量檢測機便開始檢測該產品的重量, 并把數據顯示到顯示器上, 并與預先設定好的標準重量值、上下限值等產品參數進行比較, 并進行合格的產品、超重的產品、欠重的產品的辨別及分選。從上述工作流程中可見, 產品的重量值是一個由0爬升到一個相對穩定的重量值再下降到0的過程 (如圖2所示) 。
由于動態檢重秤的特性決定, 并不是所有的重量數據都是有效的, 只有物體全部在秤臺上那短暫時間內的重量數據才是有效的, 所以如何準確的剔除無效數據, 同時又要盡量多的獲取有效數據, 對現場操作人員來說無疑是個挑戰。
傳統的解決方案, 是通過各種延時參數通過時間設定, 來保留有效重量數據, 這種方式從根本上就存在剔除無效數據不夠準確的問題, 尤其是高速檢重, 僅有短短的幾十毫秒甚至幾毫秒的有效數據采集時間, 根本無法做出準確判斷。這樣就導致容易漏檢或錯檢。本質上, 也是忽悠的障眼法的假精度, 需要再進行抽樣稱重核實其有效性。
F650-CK解決方案, 是通過繪制真實數據波形圖來進行分析, 利用不同顏色來區別 (如圖3、圖4所示) 哪些數據是有效的哪些數據是無效的, 這樣使得操作人員一目了然, 大大縮減了設備調試的時間, 提高了設備的運行準確度。 (F650-CK的時間軸最短可以設置為0.2S)
圖2 下載原圖
圖3 下載原圖
3.3 高級功能
3.3.1 裝載兩個工件間隙小于秤臺長度時
有時會因為要提高生產效率或是節拍錯亂, 導致一個工件尚未完全離開檢重秤臺, 下個工件已經開始上來了, 這種情況往往會因為兩個工件同時在秤臺上, 導致錯檢或是漏檢。
但是F650-CK憑借其強大的算法和豐富的參數設置, 可以分別準確的判斷兩個產品的重量, 減少誤判情況。同時這還有利于提高工件之間的最小間距, 大大提高檢重效率。這是目前沒有其他品牌有相同能力做到的。
圖4 下載原圖
3.3.2 強大的輸入輸出I/O功能
隨著現代化生產對于精確性的追求越來越高, 在檢測工件時, 僅僅依靠計時的方法, 已經無法滿足高速高精度的檢重需求, 此時就需要引入一些輔助傳感器 (如光電檢測傳感器) , 或者是需要提供檢重過程中的一些相關節點信號, 以期來完成更為精確的檢重狀態控制。
F650-CK的I/O擁有10進10出, 且支持自定義功能的, 這極大的方便了技術人員對設備的靈活設計, 同時節約了項目的硬件投入 (可減少PLC的點數) , 外圍輔助設備和儀表直接連接, 減少了中間環節, 有利于提高設備的工作效率和可靠性。
3.3.3 稱量代碼功能
現代化生產越來越追求低耗能、智能化、柔性化, 在線檢重也提出了能一表多用, 一線多用的需求。F650-CK自身可內置8種稱量代碼 (貨號功能) , 通過通訊或是參數可以很方便的而完成不同工件檢測參數的切換調用, 大大提高了檢測系統的靈活性, 為用戶在提升檢重線的智能化, 多樣化方面提供了基礎。
3.3.4 豐富的工作模式
在線動態檢重, 由于工件和檢測方式的多樣性, 導致其面臨的工作挑戰極其復雜多變, 干擾因素又多, 所以需要檢重控制儀表要有很強的靈活性和穩定性, 來適應不同的工作場景。
F650-CK擁有[SAMPLE][PEAK][ARITHMETIC][REMOVAL][STABILITY]共5種的檢重讀取模式, 使用戶可以根據現場情況更具針對性的靈活選取相關模式, 減輕了現場調試的負擔, 節約了時間, 同時還能獲得更好的系統穩定性和準確性。
3.4 多功能性
F650-CK除了可以作為一款強大的檢重控制儀表使用外, 還可以做多級分選秤儀表使用, 支持進行多達11級分選分揀。憑借良好的軟硬件基礎, 可以應付高要求高速度的多級分選。通過棒狀圖和統計功能, 用戶可以對各分選物的分布趨勢, 做到一目了然。
3.5 數據管理和通訊能力
伴隨著產業升級, 智能工廠, 工業4.0的興起, 現代化的生產對于生產數據的需求也達到了一個新的高度。不管是生產工藝的精益化, 還是質量都離不開對數據的采集和管理。而這又往往需要用一個網絡, 將分布于各處的生產節點給聯合起來, 伴隨著工控通訊技術的發展, 通訊組網的方式應時而生。
F650-CK控制儀表, 自帶數據統計功能。方便操作人員查閱的同時, 也提高了對于生產線上產品品質的把控能力。
F650-CK還可選配豐富的外部接口:模擬量輸出、RS232C、485、BCD、CC-link、Device Net。此外除自己開發的多種通訊協議格式外, 還支持Modbus-RTU等常用的標準通訊協議。為組網通訊和與其他設備進行交互提供了可靠地基礎。
4 其他靈活應用
除了上述常規用法, 由于F650-CK自身的強大功能, 可以將其作為一臺檢測設備系統功能性的檢測儀表來使用, 如同設備制造質量的審核員。
利用其可以查看“濾波前顯示”功能, 我們就可以對檢重設備的運行狀態過程進行分析。
例如:
A.如果被檢物體, 通過檢重臺的時間總是有差別, 那就有可能存在皮帶速度不均勻, 整理裝置設計不合理等因素。這樣我們可以通過F650-CK儀表進行分析, 憑借分析結果, 進一步的改進和完善檢重設備。
B.如果濾波前的波形波動很多, 波形趨勢很亂, 這就說明采集來的信息存在較多的干擾, 需要我們對設備進行檢查, 找出干擾源, 并進一步優化設計。
這樣的靈活應用很多, 歡迎感興趣的技術人員交流合作。
檢重技術, 是最為典型的連續動態檢測技術。我國大都還停留在靜態檢測技術的改良階段, 與國外先進技術還存在著較大的距離, 不僅是硬件的差距, 而且軟件的數學建模及處理也存在較大差距。我們希望國內技術人員能通過了解先進技術, 將我國的高速動態稱重測量技術上升到國際水平。
