水泥包裝機(jī)檢重秤閉環(huán)反饋調(diào)整系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)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(xì)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(jī)自身存在的機(jī)械振動，以及水泥倉倉壓不同、水泥包裝機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。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(fù)檢、人為判斷后人工調(diào)整包機(jī)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(cuò)誤等問題，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正補(bǔ)償，無法快速彌補(bǔ)袋重精度的波動。水泥包裝機(jī)袋重精度的控制，大部分還處于單一的包裝機(jī)閘板灌裝開環(huán)控制，或“假”閉環(huán)控制，通過采樣包裝機(jī)關(guān)閉閘板后，鎖定袋重值與包裝機(jī)儀表的上限值參數(shù)進(jìn)行自我補(bǔ)償，不是真正意義上實(shí)時(shí)在線的全閉環(huán)反饋調(diào)整，無法達(dá)到準(zhǔn)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(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)檢。國外成熟的水泥袋重缺失復(fù)檢復(fù)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(jī)動態(tài)精度一個(gè)數(shù)量級（檢重秤在線動態(tài)精度低于±100g，高于包裝機(jī)袋重動態(tài)精度±300g）的同時(shí)，利用先進(jìn)成熟的工控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢重秤與水泥包裝機(jī)實(shí)時(shí)在線、實(shí)時(shí)同步，無人值守自動、智能地對水泥袋重進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)整校對修正，實(shí)現(xiàn)水泥包裝機(jī)水泥袋重連續(xù)20袋累計(jì)重量無限接近目標(biāo)值1?000kg，即水泥袋重平均值無限接近目標(biāo)值50.00kg，既滿足出廠水泥袋重的國家標(biāo)準(zhǔn)要求（1?000kg<20袋水泥總重<1?003kg），又不會給水泥廠造成浪費(fèi)（可控范圍進(jìn)一步縮小，控制更加精準(zhǔn)，目標(biāo)值逐步趨向1?000kg，為保證出廠滿足大于1?000kg，可將目標(biāo)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(shí)現(xiàn)精細(xì)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(diǎn)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(dá)到較高的動態(tài)稱量精度，否則談?wù)撻]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(zhǔn)確稱量出來的實(shí)現(xiàn)方式主要有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。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(fù)雜程度遠(yuǎn)高于靜態(tài)精度的設(shè)計(jì)。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(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)加工能力等級等方面有較高的要求，同時(shí)更需要使用科學(xué)的濾波算法、先進(jìn)的控制理論來保證高速運(yùn)行的水泥袋動態(tài)精度的準(zhǔn)確性。反饋調(diào)整的基礎(chǔ)是確保采樣值的準(zhǔn)確性，必須保證檢重秤動態(tài)稱量精度高于水泥包裝機(jī)動態(tài)精度，除了機(jī)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(shí)，既能高速采樣又能穩(wěn)定稱量。為此采用業(yè)內(nèi)先進(jìn)、復(fù)雜的線性卡爾曼濾波算法來對動態(tài)稱量進(jìn)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(jì)系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)值。算法的核心思想是，根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的“測量值”和上一時(shí)刻的“預(yù)測值”和“誤差”，計(jì)算得到當(dāng)前的“最優(yōu)值”，進(jìn)而再估計(jì)下一次的“預(yù)測值”。其中比較突出的觀點(diǎn)是：把“誤差”納入計(jì)算，這里的誤差分為預(yù)測誤差和測量誤差兩種（通稱為噪聲），且誤差獨(dú)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(yùn)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(gè)步驟：（1）建立檢重秤的系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波算法的兩個(gè)主要環(huán)節(jié)：預(yù)測和更新。預(yù)測環(huán)節(jié)根據(jù)上一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值和輸入信號來預(yù)測當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值；更新環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的觀測值來修正預(yù)測值，并更新參數(shù)。（4）循環(huán)執(zhí)行第三步，直到達(dá)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(yīng)用問題抽象為一套數(shù)學(xué)模型公式，從而使其可以方便地轉(zhuǎn)化為軟件代碼進(jìn)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(fù)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(yùn)行，通過高速錄像機(jī)錄制，觀察檢重秤顯示的最大值、最小值）。詳細(xì)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(yīng)用回轉(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)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(jī)內(nèi)部控制器的信號，傳統(tǒng)方式是通過包裝機(jī)導(dǎo)電滑環(huán)實(shí)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(jìn)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(gè)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(shí)利用控制器的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將旋轉(zhuǎn)包裝機(jī)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(shí)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(jī)上的閉環(huán)反饋調(diào)整電控箱中，用一個(gè)無線路由器當(dāng)作副路由器，開啟Mesh功能，連接到包裝機(jī)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(jī)控制器連接到同一網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)中，以便進(jìn)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(diǎn)同時(shí)使用時(shí)，Mesh不需要在每個(gè)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(gè)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?cái)M人優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)袋重實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋調(diào)整。1）最優(yōu)化控制理論應(yīng)用——準(zhǔn)確可靠識別水泥袋的單元號由于回轉(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)有8~10個(gè)單元，而檢重秤只有一個(gè)，且距離包裝機(jī)的落包點(diǎn)有一定距離（一般在3~6m），造成對于包裝機(jī)多個(gè)單元落袋后，檢重秤無法知曉秤上正在稱量的水泥袋對應(yīng)包裝機(jī)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(jī)出灰嘴單元標(biāo)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(jìn)行分類分組篩分運(yùn)算，為下一步反饋修正包裝機(jī)每個(gè)單元袋重打下重要基礎(chǔ)。如果不能識別袋子的對應(yīng)落袋單元號，則無法實(shí)現(xiàn)一對一閉合反饋調(diào)整，就更談不上正確修正包裝機(jī)單元的袋重。利用控制器兩個(gè)上升沿中斷硬件接口，和一個(gè)μs級別軟件定時(shí)中斷，采用最優(yōu)化控制理論，結(jié)合水泥包裝機(jī)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(yùn)輸，中途水泥袋破包，運(yùn)輸中水泥包不規(guī)則（橫包、疊包、連包）等異常情況進(jìn)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(biāo)簽的水泥袋重準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)包裝機(jī)可靠、準(zhǔn)確及可快速調(diào)整，將包裝機(jī)每個(gè)單元嘴的袋重賦予三個(gè)要素。（1）上限值可調(diào)范圍X（具備最大值、最小值）。限制每個(gè)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(jìn)行排除，避免對由于袋子破袋、閘板關(guān)閉不嚴(yán)等異常情況時(shí)產(chǎn)生的異常包進(jìn)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(biāo)值的采樣值無需進(jìn)入調(diào)整數(shù)組，防止系統(tǒng)調(diào)整過頻。圍繞上述三個(gè)要素對包裝機(jī)每個(gè)單元袋重采樣值進(jìn)行篩選排列組合，并根據(jù)權(quán)重設(shè)置對采樣值進(jìn)行滑動平均值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對比目標(biāo)值求出偏差，進(jìn)而對包裝機(jī)儀表上限值進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整。經(jīng)過上述算法的應(yīng)用，可使包裝機(jī)出廠袋重平均值無限接近目標(biāo)值，從而使出廠的連續(xù)20袋總重既大于1?000kg的同時(shí)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(shí)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(xì)，已經(jīng)越來越接近目標(biāo)值。通過一年的實(shí)際使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，該公司通過檢重秤實(shí)時(shí)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(xì)，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(shí)，能精細(xì)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(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，又給企業(yè)減少浪費(fèi)，間接增加了效益。4、結(jié)束語通過兩年多