水泥包裝機檢重秤閉環(huán)反饋調(diào)整系統(tǒng)技術(shù)特點及應用

隨著工控技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及市場需求的不斷增加，水泥包裝生產(chǎn)線設(shè)備的自動化程度逐步提高，但在精細化管理、微量化監(jiān)控方面還有待提升。目前，國內(nèi)水泥包裝生產(chǎn)線中，受制于水泥包裝機自身存在的機械振動，以及水泥倉倉壓不同、水泥包裝機灌裝物料品種多樣、水泥閥口袋灌裝漏灰、水泥物料中氣體含量等不利因素，造成水泥包裝機的袋重精度波動大、不受控，袋重不受監(jiān)督就無法滿足水泥袋重國家標準。很多生產(chǎn)線是通過人工將高速輸送的水泥袋人力搬到臺式靜態(tài)秤上復檢、人為判斷后人工調(diào)整包機參數(shù)，這種方式容易造成人身傷害事故，且這種純?nèi)斯げ僮髡{(diào)整效率很低，也容易造成出灰嘴單元號識別錯誤等問題，導致無法實現(xiàn)實時修正補償，無法快速彌補袋重精度的波動。水泥包裝機袋重精度的控制，大部分還處于單一的包裝機閘板灌裝開環(huán)控制，或“假”閉環(huán)控制，通過采樣包裝機關(guān)閉閘板后，鎖定袋重值與包裝機儀表的上限值參數(shù)進行自我補償，不是真正意義上實時在線的全閉環(huán)反饋調(diào)整，無法達到準確的袋重調(diào)校。真正的閉環(huán)反饋調(diào)校，須采用動態(tài)第三方設(shè)備進行實時復檢。國外成熟的水泥袋重缺失復檢復查反饋調(diào)整技術(shù)，具體設(shè)備體現(xiàn)就是袋裝水泥檢重秤。JCC-600型檢重秤，在滿足檢重秤自身動態(tài)精度超過水泥包裝機動態(tài)精度一個數(shù)量級（檢重秤在線動態(tài)精度低于±100g，高于包裝機袋重動態(tài)精度±300g）的同時，利用先進成熟的工控技術(shù)，實現(xiàn)檢重秤與水泥包裝機實時在線、實時同步，無人值守自動、智能地對水泥袋重進行閉環(huán)反饋調(diào)整校對修正，實現(xiàn)水泥包裝機水泥袋重連續(xù)20袋累計重量無限接近目標值1?000kg，即水泥袋重平均值無限接近目標值50.00kg，既滿足出廠水泥袋重的國家標準要求（1?000kg<20袋水泥總重<1?003kg），又不會給水泥廠造成浪費（可控范圍進一步縮小，控制更加精準，目標值逐步趨向1?000kg，為保證出廠滿足大于1?000kg，可將目標值設(shè)定為50.05kg，這樣可將20袋水泥總重控制在1?001kg附近），實現(xiàn)精細化管控、微量化調(diào)整，從而給水泥廠帶來一定效益。2、技術(shù)特點檢重秤閉環(huán)反饋調(diào)整系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)是檢重秤自身需達到較高的動態(tài)稱量精度，否則談論閉環(huán)反饋調(diào)整是有害無利的。保證高速輸送中的水泥袋重被檢重秤快速、準確稱量出來的實現(xiàn)方式主要有以下幾個技術(shù)特點。2.1卡爾曼濾波算法保證動態(tài)精度保證檢重秤具備較高的動態(tài)精度，其復雜程度遠高于靜態(tài)精度的設(shè)計。檢重秤屬動態(tài)稱量設(shè)備，對比于靜態(tài)秤，動態(tài)秤對于機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、機加工能力等級等方面有較高的要求，同時更需要使用科學的濾波算法、先進的控制理論來保證高速運行的水泥袋動態(tài)精度的準確性。反饋調(diào)整的基礎(chǔ)是確保采樣值的準確性，必須保證檢重秤動態(tài)稱量精度高于水泥包裝機動態(tài)精度，除了機械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，必須使用特殊的算法才能保證>1m/s高速輸送的水泥袋，通過只有1?000mm長度的秤體皮帶時，既能高速采樣又能穩(wěn)定稱量。為此采用業(yè)內(nèi)先進、復雜的線性卡爾曼濾波算法來對動態(tài)稱量進行有效保證?？柭鼮V波算法是一種數(shù)據(jù)融合算法，可以利用系統(tǒng)模型和觀測值來估計系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)值。算法的核心思想是，根據(jù)當前設(shè)備的“測量值”和上一時刻的“預測值”和“誤差”，計算得到當前的“最優(yōu)值”，進而再估計下一次的“預測值”。其中比較突出的觀點是：把“誤差”納入計算，這里的誤差分為預測誤差和測量誤差兩種（通稱為噪聲），且誤差獨立存在，始終不受測量數(shù)據(jù)的影響。檢重秤是一種電子皮帶秤，可以在物料運輸過程中動態(tài)稱量物料的重量。檢重秤使用卡爾曼濾波算法來優(yōu)化處理稱量信號，消除噪聲和干擾，提高稱量精度，需要以下幾個步驟：（1）建立檢重秤的系統(tǒng)數(shù)學模型，包括狀態(tài)方程和觀測方程。（2）選擇合適的卡爾曼濾波算法，根據(jù)系統(tǒng)模型和觀測值初始化協(xié)方差矩陣、增益矩陣等參數(shù)。（3）實現(xiàn)卡爾曼濾波算法的兩個主要環(huán)節(jié)：預測和更新。預測環(huán)節(jié)根據(jù)上一時刻的狀態(tài)估計值和輸入信號來預測當前時刻的狀態(tài)估計值；更新環(huán)節(jié)根據(jù)當前時刻的觀測值來修正預測值，并更新參數(shù)。（4）循環(huán)執(zhí)行第三步，直到達到穩(wěn)定或滿足精度要求。通過上面的綜合分析研究，可將具體應用問題抽象為一套數(shù)學模型公式，從而使其可以方便地轉(zhuǎn)化為軟件代碼進行控制。上述卡爾曼濾波算法流程如圖1所示。圖1卡爾曼濾波算法流程通過卡爾曼濾波算法的作用，檢重秤復檢的水泥袋袋重，其動態(tài)精度范圍從原來的-220~320g縮減到-80~120g（檢重秤上擺放50kg砝碼，檢重秤皮帶運行，通過高速錄像機錄制，觀察檢重秤顯示的最大值、最小值）。詳細對照如表1所示。表1卡爾曼濾波算法對照kg2.2無線傳輸技術(shù)的應用回轉(zhuǎn)式水泥包裝機內(nèi)部的工藝結(jié)構(gòu)及其控制設(shè)備一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，外部控制器需要采集包裝機內(nèi)部控制器的信號，傳統(tǒng)方式是通過包裝機導電滑環(huán)實現(xiàn)，但是這種方式的效果和可靠程度堪憂。為此，利用現(xiàn)階段先進的無線通信傳輸技術(shù)，采用無線Mesh組網(wǎng)硬件架構(gòu)，Mesh即“無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)”，可以讓多個路由器之間通過智能算法自動建立連接，能自動優(yōu)化信號和路徑，提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時利用控制器的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將旋轉(zhuǎn)包裝機中的上限值等信號傳輸?shù)酵獠康臋z重秤的控制器中，通過軟件硬件的雙向結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定、高速傳輸。Mesh具有編組加密、信道加密和信源加密等諸多加密方式，有效防止非法設(shè)備侵入及所傳輸信息被截獲破解，確保信息和網(wǎng)絡(luò)高度安全。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)說明：回轉(zhuǎn)水泥包裝機上的閉環(huán)反饋調(diào)整電控箱中，用一個無線路由器當作副路由器，開啟Mesh功能，連接到包裝機下面無線路由器箱中的主路由器。無線路由器箱中的主路由器通過網(wǎng)線連接到檢重秤的控制器上，這樣就能讓檢重秤控制器與包裝機控制器連接到同一網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)中，以便進行數(shù)據(jù)傳輸交換，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)調(diào)整最佳路徑。多臺套設(shè)備在同一地點同時使用時，Mesh不需要在每個路由器上設(shè)置相同的參數(shù)，也不需要指定對方的MAC地址，只要將所有路由器配置為同一個網(wǎng)絡(luò)名稱即可，如圖2所示。圖2系統(tǒng)架構(gòu)示意2.3最優(yōu)化控制與反饋控制理論現(xiàn)代控制理論的共同作用，輔之以三要素擬人優(yōu)化算法，實現(xiàn)袋重實時閉環(huán)反饋調(diào)整。1）最優(yōu)化控制理論應用——準確可靠識別水泥袋的單元號由于回轉(zhuǎn)式水泥包裝機有8~10個單元，而檢重秤只有一個，且距離包裝機的落包點有一定距離（一般在3~6m），造成對于包裝機多個單元落袋后，檢重秤無法知曉秤上正在稱量的水泥袋對應包裝機上的出灰嘴單元號。正常情況下使用軟件對通過檢重秤上的水泥袋“打上包裝機出灰嘴單元標簽”并存入數(shù)據(jù)庫，以便能對多單元大數(shù)據(jù)采樣值進行分類分組篩分運算，為下一步反饋修正包裝機每個單元袋重打下重要基礎(chǔ)。如果不能識別袋子的對應落袋單元號，則無法實現(xiàn)一對一閉合反饋調(diào)整，就更談不上正確修正包裝機單元的袋重。利用控制器兩個上升沿中斷硬件接口，和一個μs級別軟件定時中斷，采用最優(yōu)化控制理論，結(jié)合水泥包裝機輸送特殊情況算法處理，排除特例保留最優(yōu)。例如，將中途中斷停止運輸，中途水泥袋破包，運輸中水泥包不規(guī)則（橫包、疊包、連包）等異常情況進行剔除處理，從而確保只要是記錄的、打上水泥袋出灰嘴單元號標簽的水泥袋重準確無誤。2）閉環(huán)反饋調(diào)整算法的調(diào)節(jié)器限制三要素為了實現(xiàn)包裝機可靠、準確及可快速調(diào)整，將包裝機每個單元嘴的袋重賦予三個要素。（1）上限值可調(diào)范圍X（具備最大值、最小值）。限制每個單元上限值的可調(diào)極值，防止系統(tǒng)超調(diào)。（2）采樣值可調(diào)范圍Y（具備最大值、最小值）。對異常袋重進行排除，避免對由于袋子破袋、閘板關(guān)閉不嚴等異常情況時產(chǎn)生的異常包進行采集從而影響采樣值的有效性。（3）采樣值可調(diào)范圍Z（具備最大值、最小值），對于非常接近目標值的采樣值無需進入調(diào)整數(shù)組，防止系統(tǒng)調(diào)整過頻。圍繞上述三個要素對包裝機每個單元袋重采樣值進行篩選排列組合，并根據(jù)權(quán)重設(shè)置對采樣值進行滑動平均值計算，計算結(jié)果對比目標值求出偏差，進而對包裝機儀表上限值進行補償調(diào)整。經(jīng)過上述算法的應用，可使包裝機出廠袋重平均值無限接近目標值，從而使出廠的連續(xù)20袋總重既大于1?000kg的同時又無限接近1?000kg。反饋系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。圖3閉環(huán)反饋調(diào)整系統(tǒng)方框示意3、技術(shù)實踐通過上述技術(shù)的使用，JCC-600型袋裝水泥檢重秤能將連續(xù)20袋水泥總重控制在1?001kg左右，袋重波動范圍很小，袋重控制更加精細，已經(jīng)越來越接近目標值。通過一年的實際使用，取得了良好的經(jīng)濟效益，該公司通過檢重秤實時在線全閉環(huán)反饋調(diào)整，原來一輛拉30t水泥的車由于袋重控制不精細，造成多出3~4袋水泥的重量（整車精度控制0.5%~0.67%）；而現(xiàn)在生產(chǎn)線正常工作時，能精細控制在30t的車多出1~1.5袋水泥的重量（整車精度控制在0.17%~0.25%），總重量既符合水泥包裝機國家標準，又給企業(yè)減少浪費，間接增加了效益。4、結(jié)束語通過兩年多