水泥包装机检重秤闭环反馈调整系统技术特点及应用

随着工控技术的持续发展以及市场需求的不断增加，水泥包装生产线设备的自动化程度逐步提高，但在精细化管理、微量化监控方面还有待提升。目前，国内水泥包装生产线中，受制于水泥包装机自身存在的机械振动，以及水泥仓仓压不同、水泥包装机灌装物料品种多样、水泥阀口袋灌装漏灰、水泥物料中气体含量等不利因素，造成水泥包装机的袋重精度波动大、不受控，袋重不受监督就无法满足水泥袋重国家标准。很多生产线是通过人工将高速输送的水泥袋人力搬到台式静态秤上复检、人为判断后人工调整包机参数，这种方式容易造成人身伤害事故，且这种纯人工操作调整效率很低，也容易造成出灰嘴单元号识别错误等问题，导致无法实现实时修正补偿，无法快速弥补袋重精度的波动。水泥包装机袋重精度的控制，大部分还处于单一的包装机闸板灌装开环控制，或“假”闭环控制，通过采样包装机关闭闸板后，锁定袋重值与包装机仪表的上限值参数进行自我补偿，不是真正意义上实时在线的全闭环反馈调整，无法达到准确的袋重调校。真正的闭环反馈调校，须采用动态第三方设备进行实时复检。国外成熟的水泥袋重缺失复检复查反馈调整技术，具体设备体现就是袋装水泥检重秤。JCC-600型检重秤，在满足检重秤自身动态精度超过水泥包装机动态精度一个数量级（检重秤在线动态精度低于±100g，高于包装机袋重动态精度±300g）的同时，利用先进成熟的工控技术，实现检重秤与水泥包装机实时在线、实时同步，无人值守自动、智能地对水泥袋重进行闭环反馈调整校对修正，实现水泥包装机水泥袋重连续20袋累计重量无限接近目标值1 000kg，即水泥袋重平均值无限接近目标值50.00kg，既满足出厂水泥袋重的国家标准要求（1 000kg<20袋水泥总重<1 003kg），又不会给水泥厂造成浪费（可控范围进一步缩小，控制更加精准，目标值逐步趋向1 000kg，为保证出厂满足大于1 000kg，可将目标值设定为50.05kg，这样可将20袋水泥总重控制在1 001kg附近），实现精细化管控、微量化调整，从而给水泥厂带来一定效益。2、技术特点检重秤闭环反馈调整系统的核心基础是检重秤自身需达到较高的动态称量精度，否则谈论闭环反馈调整是有害无利的。保证高速输送中的水泥袋重被检重秤快速、准确称量出来的实现方式主要有以下几个技术特点。2.1卡尔曼滤波算法保证动态精度保证检重秤具备较高的动态精度，其复杂程度远高于静态精度的设计。检重秤属动态称量设备，对比于静态秤，动态秤对于机械结构的优化设计、机加工能力等级等方面有较高的要求，同时更需要使用科学的滤波算法、先进的控制理论来保证高速运行的水泥袋动态精度的准确性。反馈调整的基础是确保采样值的准确性，必须保证检重秤动态称量精度高于水泥包装机动态精度，除了机械结构上的优化，必须使用特殊的算法才能保证>1m/s高速输送的水泥袋，通过只有1 000mm长度的秤体皮带时，既能高速采样又能稳定称量。为此采用业内先进、复杂的线性卡尔曼滤波算法来对动态称量进行有效保证。卡尔曼滤波算法是一种数据融合算法，可以利用系统模型和观测值来估计系统状态的最优值。算法的核心思想是，根据当前设备的“测量值”和上一时刻的“预测值”和“误差”，计算得到当前的“最优值”，进而再估计下一次的“预测值”。其中比较突出的观点是：把“误差”纳入计算，这里的误差分为预测误差和测量误差两种（通称为噪声），且误差独立存在，始终不受测量数据的影响。检重秤是一种电子皮带秤，可以在物料运输过程中动态称量物料的重量。检重秤使用卡尔曼滤波算法来优化处理称量信号，消除噪声和干扰，提高称量精度，需要以下几个步骤：（1）建立检重秤的系统数学模型，包括状态方程和观测方程。（2）选择合适的卡尔曼滤波算法，根据系统模型和观测值初始化协方差矩阵、增益矩阵等参数。（3）实现卡尔曼滤波算法的两个主要环节：预测和更新。预测环节根据上一时刻的状态估计值和输入信号来预测当前时刻的状态估计值；更新环节根据当前时刻的观测值来修正预测值，并更新参数。（4）循环执行第三步，直到达到稳定或满足精度要求。通过上面的综合分析研究，可将具体应用问题抽象为一套数学模型公式，从而使其可以方便地转化为软件代码进行控制。上述卡尔曼滤波算法流程如图1所示。图1卡尔曼滤波算法流程通过卡尔曼滤波算法的作用，检重秤复检的水泥袋袋重，其动态精度范围从原来的-220~320g缩减到-80~120g（检重秤上摆放50kg砝码，检重秤皮带运行，通过高速录像机录制，观察检重秤显示的最大值、最小值）。详细对照如表1所示。表1卡尔曼滤波算法对照kg2.2无线传输技术的应用回转式水泥包装机内部的工艺结构及其控制设备一直处于旋转状态，外部控制器需要采集包装机内部控制器的信号，传统方式是通过包装机导电滑环实现，但是这种方式的效果和可靠程度堪忧。为此，利用现阶段先进的无线通信传输技术，采用无线Mesh组网硬件架构，Mesh即“无线网格网络”，可以让多个路由器之间通过智能算法自动建立连接，能自动优化信号和路径，提高网络性能，同时利用控制器的无线网络传输协议将旋转包装机中的上限值等信号传输到外部的检重秤的控制器中，通过软件硬件的双向结合，实现数据可靠稳定、高速传输。Mesh具有编组加密、信道加密和信源加密等诸多加密方式，有效防止非法设备侵入及所传输信息被截获破解，确保信息和网络高度安全。组网结构说明：回转水泥包装机上的闭环反馈调整电控箱中，用一个无线路由器当作副路由器，开启Mesh功能，连接到包装机下面无线路由器箱中的主路由器。无线路由器箱中的主路由器通过网线连接到检重秤的控制器上，这样就能让检重秤控制器与包装机控制器连接到同一网段的网络中，以便进行数据传输交换，并且根据网络状况动态调整最佳路径。多台套设备在同一地点同时使用时，Mesh不需要在每个路由器上设置相同的参数，也不需要指定对方的MAC地址，只要将所有路由器配置为同一个网络名称即可，如图2所示。图2系统架构示意2.3最优化控制与反馈控制理论现代控制理论的共同作用，辅之以三要素拟人优化算法，实现袋重实时闭环反馈调整。1）最优化控制理论应用——准确可靠识别水泥袋的单元号由于回转式水泥包装机有8~10个单元，而检重秤只有一个，且距离包装机的落包点有一定距离（一般在3~6m），造成对于包装机多个单元落袋后，检重秤无法知晓秤上正在称量的水泥袋对应包装机上的出灰嘴单元号。正常情况下使用软件对通过检重秤上的水泥袋“打上包装机出灰嘴单元标签”并存入数据库，以便能对多单元大数据采样值进行分类分组筛分运算，为下一步反馈修正包装机每个单元袋重打下重要基础。如果不能识别袋子的对应落袋单元号，则无法实现一对一闭合反馈调整，就更谈不上正确修正包装机单元的袋重。利用控制器两个上升沿中断硬件接口，和一个μs级别软件定时中断，采用最优化控制理论，结合水泥包装机输送特殊情况算法处理，排除特例保留最优。例如，将中途中断停止运输，中途水泥袋破包，运输中水泥包不规则（横包、叠包、连包）等异常情况进行剔除处理，从而确保只要是记录的、打上水泥袋出灰嘴单元号标签的水泥袋重准确无误。2）闭环反馈调整算法的调节器限制三要素为了实现包装机可靠、准确及可快速调整，将包装机每个单元嘴的袋重赋予三个要素。（1）上限值可调范围X（具备最大值、最小值）。限制每个单元上限值的可调极值，防止系统超调。（2）采样值可调范围Y（具备最大值、最小值）。对异常袋重进行排除，避免对由于袋子破袋、闸板关闭不严等异常情况时产生的异常包进行采集从而影响采样值的有效性。（3）采样值可调范围Z（具备最大值、最小值），对于非常接近目标值的采样值无需进入调整数组，防止系统调整过频。围绕上述三个要素对包装机每个单元袋重采样值进行筛选排列组合，并根据权重设置对采样值进行滑动平均值计算，计算结果对比目标值求出偏差，进而对包装机仪表上限值进行补偿调整。经过上述算法的应用，可使包装机出厂袋重平均值无限接近目标值，从而使出厂的连续20袋总重既大于1 000kg的同时又无限接近1 000kg。反馈系统的方框图如图3所示。图3闭环反馈调整系统方框示意3、技术实践通过上述技术的使用，JCC-600型袋装水泥检重秤能将连续20袋水泥总重控制在1 001kg左右，袋重波动范围很小，袋重控制更加精细，已经越来越接近目标值。通过一年的实际使用，取得了良好的经济效益，该公司通过检重秤实时在线全闭环反馈调整，原来一辆拉30t水泥的车由于袋重控制不精细，造成多出3~4袋水泥的重量（整车精度控制0.5%~0.67%）；而现在生产线正常工作时，能精细控制在30t的车多出1~1.5袋水泥的重量（整车精度控制在0.17%~0.25%），总重量既符合水泥包装机国家标准，又给企业减少浪费，间接增加了效益。4、结束语通过两年多