吴晓亮,张世庆,张西良
(江苏大学, 镇江 212013)
[摘要] 针对定量包装高速度和准确度的要求,建立了动态称重实验系统,针对新型混合式定量动态称重的特点,采用滑动数据滤波方法,提高称重的快速性和准确性。试验数据的分析表明滑动数据滤波方法在混合式定量动态称重中应用是有效可行的,可以使称重准确、高效。
关键词:混合式;容积式;称重;滑动滤波
中图书分类号:TB932;TB486+·2 文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2004)05-0047
随着世界范围内超级市场和连锁店的不断发展和涌现,定量包装商品日趋增多,商品也由原来的在柜台计量转移到商品生产车间计量。这一转变使用于计量包装的各种形式的定量包装设备的需求大量增加。因此如何有效的提高称重的精度和速度就成为今天人们面临的一个难题。国内粉粒物料的自动定量充填方法主要有2种:一种是容积式,是基于容积来计量物料的数量,结构简单,速度比较快,但是准确度受到物料各种物理化学特性的影响较大,精度较低;另一种是称重式,是以质量来计量物料的数量,一边慢速加料,一边动态称重,准确度较高,但速度较低。国外粉粒物料自动定量充填发展趋势是应用微机控制,智能控制等新技术、新理论来同时提高速度和精度,但结构复杂,成本过高,国内多数企业难以承受。针对国内外的现状,文中介绍的混合式称重加料系统综合了2种充填方式的优点,相互补充,选择最佳称重时机,达到准确高效的最终效果。用容积称重混合式动态称重系统实现兼顾企业的定量成本和定量速度与准确度,提高企业的经济效益的目的。
1 试验装置及混合称重
我们使用的试验装置如图1所示,分别用3个电磁震动给料器在微机的控制下加料;电阻应变片的信号经过模/数转换器,得到数字信号然后进行滤波处理。
称重过程由粗、精、细3次容积式加料和2次准确称重组成,具体方法如下:在微机的协调控制下,首先由粗给料器容积式快速往称量料斗加入目标量大部分,稳定一定时间后进行快速准确静态称量,在留一部分精加料量基础上确定细加料量,并将其换算成细给料器加料的容积(用时间表示);然后由细给料器容积式快速往称量料斗加入细加料量,再稳定一定时间后进行快速准确静态称量,确定剩余的加料量,并将其换算成精给料器加料的容积(用时间表示);最后由精给料器采用容积式快速往称量料斗加入精加料量,同时控制称量料斗向充填缓冲
器投料,完成一次定量充填过程。在以上过程中,一方面,精给料器采用容积式往称量料斗加料并不再称量,由于精加料量少,其加料误差亦小,相对总目标量,定量准确度较高;另一方面,由于粗、细、精给料器采用容积式快速加料,及两次快速静态称量,并精加料同时就开始投料,提高了定量速度。当定量速度要求更高时,可采用两组粗、细、精加料方法。两组加料中的粗加料、第1次稳定及静态称量、细加料、第2次稳定及静态称量、精加料及投料等过程在时间上可以交叉重叠进行,在微机协调控制,可以使定量速度达到或接近单组粗、细、精加料方法的2倍。
2 数据滤波处理
所分析的实验结果是用一个电磁震动给料器加料n次的情况,数据由下位机上传到上位机以后进行分析,在没有滤波的情况下得到的结果如图2所示,出现这样的现象是由于料斗加料的冲击和机架的震动造成的,前部分波形变化幅度特别大主要是由于加料的冲击造成的,后部分相对比较振幅比较小的波形主要是由于机架的震动引起的,其实在前部分也有机架的震动(在图3中可以看到不过被加料冲击给覆盖掉了)。在动态称重过程中有两次快速的称量过程,由于给料器及整个机械部分的振动,会给称重带来一定的影响,特别是该装置选用简单的应变式电阻电桥电路,由机架的振动造成的桥臂的抖动就更加明显,在快速称量中何时读取信号最为准确正是需要研究的重要问题之一。
为了得到准确的采样信号必须要对信号进行滤波,这里采用的是数字滤波方式,常用数字滤波算法数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。设数字滤波器的输入为X(n),输出为Y(n),则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程式表示为:
在实际应用中可用的数据滤波方法很多,在计算机应用高度普及的今天更有许多新的方法出现,如逻辑判断滤波、中值滤波、均值滤波、加权平均滤波、众数滤波、一阶滞后滤波、复合滤波等,但是他们都需要等待数据采集完成以后才可以进行滤波计算。如众数滤波算法的原理是在采样序列{T i}i=0~ n中找出其最大值Tmax和最小值Tmin,再在区间[Tmin,Tmax]上平均分为m组(5-10组),组间距为L = (Tmax- Tmin)/m,第1组的区间为[Tmin,Tmin+ L],第2组的区间为[T min+ L,T min+2L],第3组的区间为[Tmin+2L,Tmin+3 L],……,第m组区间为[T min+(m -1)L,T max]。确定完分组后,对序列{T i}统计各组区间内数据的个数,形成统计序列{G i} | i =1~ m,查找其最大的值即众数组序号k,根据公式(2)或公式(3)计算众数的近似值。由于涉及到分组和查找众数,所以一定要等到所有的数据都采集完毕了才可以进行数据处理,浪费了上位机的时间。
由于采用的是数据由下位机采样后把数据传送给上位机,而上位机的处理速度明显要比下位机快得多。如果使用就会给处理过程造成的瓶颈,从而使上位机的时间浪费在大部分的等待数据上。如果样本数据较大时,数据采样时间较长将造成结果数据的实际采样周期过长,不能满足实时性的要求。为提高效率,对于采样速度和数据计算速率要求较高,这些方法使用效率不够。在这里采用的是滑动滤波法。设定平均数据个数为K滑动数据,偏移个数为m计算表达式为:
由于新的数据序列与旧的数据序列相比,只有一个数据不同,所以在滤波算法中的排序、取和、求众数的算法可以适当修改以适应这个特点,使得上次数据处理的中间结果可以在新的处理重复利用,有效提高运算速度。滑动滤波可以在采样的同时进行滤波处理,从而充分利用了上位机的计算速度,减少了滤波时间。滑动平均值法可以较好的抑制周期性干扰。
3 滤波结果
经过滤波以后得到了如图3所示的图形,波形的走势一目了然。在数据处理完以后发现,在后面的波形上有一段时间的波形是很平的几乎是一条直线,这说明所取的采样时间太长。在能够保证称重精度的前提下,应该尽量缩短称重时间从而提高效率,为得到最佳的称重时机,在经过滤波后的数据中通过比较查找5个数据,如果其变化量在一定的范围内就把这个时间的数据作为最佳秤重时机得到的数据(当然如果需要的精度更高还可以把点数取多一点),即该时刻就是最佳称重时机。通过设定机器,在以后的称重过程中都将在这一时刻进行称重采样,而且可以随时对机器进行标定称重时机。这样既节省了时间又保证了称重的准确性。图3中t时刻就是所得到的最佳称重时机,而t时刻以后的时间就是能够节省下来的时间。把两个料斗都得到这个最佳时机以后再进行总体的实验就可以得到所期望的最佳效率和准确率。
4 结 语
本称重实验系统,主要综合了容积式和称重式2种充填方式的优点,采用滑动滤波对数据进行处理,在提高企业的生产效率和包装精度方面可以说是的结合,若在实际生产中应用,既可降低企业的定量成本又可保证定量速度与准确度。
参考文献
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