昆山市拓恒機(jī)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(tài)高精度在線稱重自動化設(shè)備, 可與各種包裝生產(chǎn)線以及輸送系統(tǒng)集成配套, 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。在線檢重設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn), 特別是食品、醫(yī)藥行業(yè)的生產(chǎn)過程中已逐步成為一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。
在線檢重秤, 在產(chǎn)品的輸送過程中就完成對產(chǎn)品重量的測量, 并將測量重量和預(yù)先設(shè)定的范圍相比較, 由控制器發(fā)出指令, 將重量不合格產(chǎn)品剔除, 或把不同重量范圍的產(chǎn)品分送到指定區(qū)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(jī)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(tǒng)中, 檢重控制儀表這個(gè)“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(wěn)定性。
2 檢重秤的電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)和選型
檢重秤的電氣控制系統(tǒng)可大體分成, 控制部分、傳感器部分和執(zhí)行部分。根據(jù)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(tǒng)架構(gòu)歸成三類:
2.1 變送器+PLC
這種變送器+PLC的組合, 由于其結(jié)構(gòu)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(jù)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(shù)字量變送器。
模擬量變送器, 是利用標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 (如4mA～20mA、0V～10V等) , 具有反應(yīng)靈敏, 傳輸速度較快, 應(yīng)用技術(shù)難度低, 產(chǎn)品型號豐富等優(yōu)點(diǎn)。此類產(chǎn)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(diǎn)。尤其在變頻技術(shù)普及的今天, 無法消除電磁磁場的干擾, 信號穩(wěn)定性很差。另外, 由于本身是動態(tài)過程, 也無法有效濾其雜音信號。隨著電子信息技術(shù), 通訊總線技術(shù)的發(fā)展, 數(shù)字量變送器開始逐步替代模擬量變送器。
數(shù)字量變送器具有傳輸信息量大, 距離遠(yuǎn), 抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。尤其是隨著以太網(wǎng)、Profibus、CANbus、CC-LINK、Device Net等高速總線的加入, 使得數(shù)字量變送器通訊速度較慢的瓶頸被打破 (以太網(wǎng)通訊速率可達(dá)100M/S) 。尤其是在數(shù)字生產(chǎn)線, 智能工廠等現(xiàn)代化生產(chǎn)場景中, 數(shù)字變送器便利的組網(wǎng)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(shù)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(jià)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(shù), 來抑制和消除現(xiàn)場的各種干擾因素, 數(shù)據(jù)的運(yùn)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(shù)人員編寫程序時(shí)的負(fù)擔(dān), 在提高項(xiàng)目效率的同時(shí), 也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(shí)現(xiàn)“一線多產(chǎn)品”的方案, 大大減少了用戶的重復(fù)性投入, 對于組建柔性自動化生產(chǎn)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(yīng)用, 大大增強(qiáng)了人機(jī)的交互性, 極大的提高操作人員的操作便利性, 并且為進(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)管理提供了支持, 這對于現(xiàn)在“大數(shù)據(jù)”背景下的現(xiàn)代化生產(chǎn)時(shí)極為重要的。
但是這種架構(gòu)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(shè)計(jì)上就不是為了動態(tài)檢重作為第一目標(biāo), 所以在硬件和軟件并有進(jìn)行有針對性的系統(tǒng)優(yōu)化, 故在一般檢重場景下還能勉強(qiáng)勝任, 一旦涉及高速、高精度的檢重任務(wù)時(shí)就會力不從心。所以推薦下面第3種專業(yè)電氣系統(tǒng)架構(gòu)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(fā)開始就是立足于針對動態(tài)檢重這種專業(yè)應(yīng)用, 所以在先天上就具有優(yōu)勢, 尤其是在算法和硬件上更是進(jìn)行了專業(yè)專門的優(yōu)化, 反應(yīng)迅速, 準(zhǔn)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(jià)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(biāo)配485端口支持MODBUS協(xié)議, F741-C可配置西門子PLC高速Profibus-DP接口, 還可以根據(jù)需要選配其他通訊端口, 足夠應(yīng)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(qiáng)大, 通訊接口豐富。在高速度, 高精度檢重時(shí), 可以憑借其專用儀表的特點(diǎn), 使得設(shè)備效率更高, 更穩(wěn)定。由于高檔型專用檢重是專業(yè)型儀表, 其功能設(shè)計(jì)上幾乎可以覆蓋絕大多數(shù)的應(yīng)用場景, 所以這極大的減少了設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員的工作量, 降低了技術(shù)難度, 大大縮短了新設(shè)備的研發(fā)和調(diào)試周期。關(guān)鍵憑借自身專業(yè)的處理算法和相關(guān)硬件, 大幅提升了系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確性, 這是一般技術(shù)人員技術(shù)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(yè)控制器進(jìn)行分析。
3 專業(yè)檢重專家F650-CK的特點(diǎn)
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(shù)據(jù), 并且能從各種數(shù)據(jù)中找出有效數(shù)據(jù)并剔除干擾數(shù)據(jù), 才能夠?yàn)楹罄m(xù)的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算控制提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。俗話說“巧婦難為無米之炊”, 再強(qiáng)大的控制系統(tǒng), 如果沒有可靠的數(shù)據(jù)采集處理能力, 那也是花架子。信號的處理能力可從兩個(gè)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(shí), 只有保證采集到足夠多的數(shù)據(jù)信息, 才能有效的減少了漏判和誤判的情況。
如果信號數(shù)據(jù)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(shù)參數(shù)標(biāo)稱有多少, 都是忽悠。
F650-CK采樣速度高達(dá)1000次/秒, 通過其TFT彩色觸摸屏, 可以將檢重過程的重量數(shù)據(jù)以平滑波形的形式表現(xiàn)出來, 由于波形的繪制是需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)和高速運(yùn)算來支持的, 更何況是在極短的時(shí)間內(nèi) (幾乎是實(shí)時(shí)繪制波形圖) 完成采集運(yùn)算處理到繪制波形的整個(gè)過程, 這足以證明F650-CK要比某些單純顯示數(shù)值的檢重儀表在采樣能力方面要強(qiáng)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(yōu)異的高速數(shù)據(jù)處理能力, F650-CK儀表在某些模式下, 根據(jù)現(xiàn)場檢測物體、皮帶速度等情況, 儀表還支持對讀取區(qū)間采樣速率的切換, 以實(shí)現(xiàn)更好的精準(zhǔn)檢重。
3.1.2 濾波處理
濾波處理, 簡單點(diǎn)說就是對信號“去偽存真”。由于在線檢重秤, 總是在一個(gè)不停運(yùn)動的動態(tài)平臺上進(jìn)行檢重的, 所以不可避免的會受到振動、沖擊, 環(huán)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(tài)檢重秤臺表現(xiàn)的尤為突出。所以濾波能力的強(qiáng)弱, 直接會影響動態(tài)檢重的準(zhǔn)確性和可靠性。
現(xiàn)有的濾波方式可根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波, 優(yōu)點(diǎn)是效率高, 濾波效果相對容易實(shí)現(xiàn), 但是缺點(diǎn)是成本高。軟件濾波, 優(yōu)點(diǎn)是成本低, 方便靈活, 缺點(diǎn)時(shí)濾波效果較依賴于技術(shù)人員算法水平高低。
F650-CK有豐富可靠的軟硬件濾波設(shè)計(jì), 濾波設(shè)置范圍較廣, 在動態(tài)檢重時(shí)可以有效濾除抑制振動等干擾因素, 實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的稱量。由于現(xiàn)行儀表濾波的工作機(jī)制的限制, 效率和穩(wěn)定性之間是存在矛盾的 (比如數(shù)字濾波, 濾波越強(qiáng), 顯示值越穩(wěn)定, 但反應(yīng)越慢) 。濾波參數(shù)細(xì)化為數(shù)字低通濾波和移動平均濾波兩個(gè)獨(dú)立參數(shù), 相較于提供一個(gè)籠統(tǒng)的濾波參數(shù), 可以更具針對性的濾除干擾因素, 更好的平衡穩(wěn)定和效率之間的關(guān)系。并且通過“濾波前顯示”功能 (如圖1所示) , 現(xiàn)場操作人員可以很方便的觀察濾波設(shè)置前后, 波形的變化, 方便對于濾波效果的可視化確認(rèn), 降低調(diào)試難度, 提高設(shè)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(xiàn)場人員, 可以很方便的看到設(shè)備濾波前后的波形變化, 從而確認(rèn)最優(yōu)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況。
3.2 應(yīng)用能力
以皮帶檢重秤的為例, 產(chǎn)品經(jīng)由傳送帶整齊等間距地進(jìn)入重量檢測傳送帶, 重量檢測機(jī)便開始檢測該產(chǎn)品的重量, 并把數(shù)據(jù)顯示到顯示器上, 并與預(yù)先設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)重量值、上下限值等產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行比較, 并進(jìn)行合格的產(chǎn)品、超重的產(chǎn)品、欠重的產(chǎn)品的辨別及分選。從上述工作流程中可見, 產(chǎn)品的重量值是一個(gè)由0爬升到一個(gè)相對穩(wěn)定的重量值再下降到0的過程 (如圖2所示) 。
由于動態(tài)檢重秤的特性決定, 并不是所有的重量數(shù)據(jù)都是有效的, 只有物體全部在秤臺上那短暫時(shí)間內(nèi)的重量數(shù)據(jù)才是有效的, 所以如何準(zhǔn)確的剔除無效數(shù)據(jù), 同時(shí)又要盡量多的獲取有效數(shù)據(jù), 對現(xiàn)場操作人員來說無疑是個(gè)挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)的解決方案, 是通過各種延時(shí)參數(shù)通過時(shí)間設(shè)定, 來保留有效重量數(shù)據(jù), 這種方式從根本上就存在剔除無效數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集時(shí)間, 根本無法做出準(zhǔn)確判斷。這樣就導(dǎo)致容易漏檢或錯(cuò)檢。本質(zhì)上, 也是忽悠的障眼法的假精度, 需要再進(jìn)行抽樣稱重核實(shí)其有效性。
F650-CK解決方案, 是通過繪制真實(shí)數(shù)據(jù)波形圖來進(jìn)行分析, 利用不同顏色來區(qū)別 (如圖3、圖4所示) 哪些數(shù)據(jù)是有效的哪些數(shù)據(jù)是無效的, 這樣使得操作人員一目了然, 大大縮減了設(shè)備調(diào)試的時(shí)間, 提高了設(shè)備的運(yùn)行準(zhǔn)確度。 (F650-CK的時(shí)間軸最短可以設(shè)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(gè)工件間隙小于秤臺長度時(shí)
有時(shí)會因?yàn)橐岣呱a(chǎn)效率或是節(jié)拍錯(cuò)亂, 導(dǎo)致一個(gè)工件尚未完全離開檢重秤臺, 下個(gè)工件已經(jīng)開始上來了, 這種情況往往會因?yàn)閮蓚€(gè)工件同時(shí)在秤臺上, 導(dǎo)致錯(cuò)檢或是漏檢。
但是F650-CK憑借其強(qiáng)大的算法和豐富的參數(shù)設(shè)置, 可以分別準(zhǔn)確的判斷兩個(gè)產(chǎn)品的重量, 減少誤判情況。同時(shí)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(qiáng)大的輸入輸出I/O功能
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)對于精確性的追求越來越高, 在檢測工件時(shí), 僅僅依靠計(jì)時(shí)的方法, 已經(jīng)無法滿足高速高精度的檢重需求, 此時(shí)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(guān)節(jié)點(diǎn)信號, 以期來完成更為精確的檢重狀態(tài)控制。
F650-CK的I/O擁有10進(jìn)10出, 且支持自定義功能的, 這極大的方便了技術(shù)人員對設(shè)備的靈活設(shè)計(jì), 同時(shí)節(jié)約了項(xiàng)目的硬件投入 (可減少PLC的點(diǎn)數(shù)) , 外圍輔助設(shè)備和儀表直接連接, 減少了中間環(huán)節(jié), 有利于提高設(shè)備的工作效率和可靠性。
3.3.3 稱量代碼功能
現(xiàn)代化生產(chǎn)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(nèi)置8種稱量代碼 (貨號功能) , 通過通訊或是參數(shù)可以很方便的而完成不同工件檢測參數(shù)的切換調(diào)用, 大大提高了檢測系統(tǒng)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(chǔ)。
3.3.4 豐富的工作模式
在線動態(tài)檢重, 由于工件和檢測方式的多樣性, 導(dǎo)致其面臨的工作挑戰(zhàn)極其復(fù)雜多變, 干擾因素又多, 所以需要檢重控制儀表要有很強(qiáng)的靈活性和穩(wěn)定性, 來適應(yīng)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(jù)現(xiàn)場情況更具針對性的靈活選取相關(guān)模式, 減輕了現(xiàn)場調(diào)試的負(fù)擔(dān), 節(jié)約了時(shí)間, 同時(shí)還能獲得更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
3.4 多功能性
F650-CK除了可以作為一款強(qiáng)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(jìn)行多達(dá)11級分選分揀。憑借良好的軟硬件基礎(chǔ), 可以應(yīng)付高要求高速度的多級分選。通過棒狀圖和統(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)管理和通訊能力
伴隨著產(chǎn)業(yè)升級, 智能工廠, 工業(yè)4.0的興起, 現(xiàn)代化的生產(chǎn)對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的需求也達(dá)到了一個(gè)新的高度。不管是生產(chǎn)工藝的精益化, 還是質(zhì)量都離不開對數(shù)據(jù)的采集和管理。而這又往往需要用一個(gè)網(wǎng)絡(luò), 將分布于各處的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)給聯(lián)合起來, 伴隨著工控通訊技術(shù)的發(fā)展, 通訊組網(wǎng)的方式應(yīng)時(shí)而生。
F650-CK控制儀表, 自帶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。方便操作人員查閱的同時(shí), 也提高了對于生產(chǎn)線上產(chǎn)品品質(zhì)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(fā)的多種通訊協(xié)議格式外, 還支持Modbus-RTU等常用的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。為組網(wǎng)通訊和與其他設(shè)備進(jìn)行交互提供了可靠地基礎(chǔ)。
4 其他靈活應(yīng)用
除了上述常規(guī)用法, 由于F650-CK自身的強(qiáng)大功能, 可以將其作為一臺檢測設(shè)備系統(tǒng)功能性的檢測儀表來使用, 如同設(shè)備制造質(zhì)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)過程進(jìn)行分析。
例如:
A.如果被檢物體, 通過檢重臺的時(shí)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(shè)計(jì)不合理等因素。這樣我們可以通過F650-CK儀表進(jìn)行分析, 憑借分析結(jié)果, 進(jìn)一步的改進(jìn)和完善檢重設(shè)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(shè)備進(jìn)行檢查, 找出干擾源, 并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
這樣的靈活應(yīng)用很多, 歡迎感興趣的技術(shù)人員交流合作。
檢重技術(shù), 是最為典型的連續(xù)動態(tài)檢測技術(shù)。我國大都還停留在靜態(tài)檢測技術(shù)的改良階段, 與國外先進(jìn)技術(shù)還存在著較大的距離, 不僅是硬件的差距, 而且軟件的數(shù)學(xué)建模及處理也存在較大差距。我們希望國內(nèi)技術(shù)人員能通過了解先進(jìn)技術(shù), 將我國的高速動態(tài)稱重測量技術(shù)上升到國際水平。
