馮海 邵堅(jiān)銘 吳冰

摘 要：煙草行業(yè)生產(chǎn)中電子皮帶秤是重要的計(jì)量和控制設(shè)備，不僅要實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量，還要能夠滿足流量的穩(wěn)定要求。針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的不足，創(chuàng)新出差值補(bǔ)償法，并在電子皮帶秤流量曲線平滑方法中得到應(yīng)用，介紹了其數(shù)學(xué)建模過(guò)程和程序設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：電子皮帶秤；流量平滑；差值補(bǔ)償法；數(shù)學(xué)模型；煙草企業(yè)

差值補(bǔ)償法，是技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際創(chuàng)新出的一種新型曲線濾波方法，具體做法是把原有曲線與設(shè)定值之間的差值進(jìn)行累計(jì)封裝，并按一定比例補(bǔ)償?shù)叫碌那€中去。本文討論差值補(bǔ)償法在電子皮帶秤流量曲線平滑中的實(shí)際應(yīng)用，滿足電子皮帶秤輸送到下一道相關(guān)設(shè)備的瞬時(shí)流量信號(hào)穩(wěn)定性的要求，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量基礎(chǔ)上的加料穩(wěn)定控制。

1 現(xiàn)狀分析

在煙草行業(yè)大量使用以葉片和在葉片基礎(chǔ)上加工的葉絲、梗絲、膨脹絲、薄片絲為稱量對(duì)象的電子皮帶秤。在動(dòng)態(tài)連續(xù)計(jì)量和配料系統(tǒng)中，由于被檢測(cè)的物料為輕質(zhì)物料，物料形狀為非粉狀、非顆粒狀、非塊狀，而且呈纖維狀、片狀，堆比重小，體積大，按照流量計(jì)算公式Q=PV*C（P為重壓值，V為皮帶速度，C為流量校準(zhǔn)系數(shù)）因?yàn)橹貕褐档淖兓^快，而皮帶的響應(yīng)速度較慢，所以其流量呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性。其流量的波動(dòng)性會(huì)對(duì)下一道工序的加料精度產(chǎn)生影響。

車間采用的電子皮帶秤主要有九五技改引進(jìn)的COMAS十字簧片式電子秤和十五技改引進(jìn)的707所YT8P系列PC電子皮帶秤。兩者比較，原有的COMAS電子皮帶秤的瞬時(shí)流量輸出信號(hào)波動(dòng)性較大，技術(shù)人員考慮能否對(duì)其瞬時(shí)流量曲線做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

1.1 流量曲線波動(dòng)對(duì)加料的影響

以制絲加料工段為例，分析得到相同累計(jì)精度前提下，波動(dòng)較小的流量曲線能得到更高的加料精度和更好的加料效果。

1.1.1 延時(shí)的誤差性

煙葉從電子皮帶秤流向加料滾筒，在電子皮帶秤處對(duì)煙葉流量進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量的瞬時(shí)流量延時(shí)后按加料比例在加料滾筒處對(duì)煙葉進(jìn)行加料。

物料從電子皮帶秤處到加料滾筒處存在一定的延時(shí)△T，物料流量曲線對(duì)加料的影響在曲線波峰、波谷處最為明顯，以此來(lái)說(shuō)明。

由于電子皮帶秤電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，其延時(shí)的時(shí)間與控制系統(tǒng)設(shè)定的加料延時(shí)△T是存在誤差的。當(dāng)在測(cè)得瞬時(shí)流量在波峰處，由于延時(shí)的誤差性，延時(shí)時(shí)間到后在加料滾筒處卻不一定在波峰處，而按照波峰的物料流量來(lái)進(jìn)行加料，必定造成瞬時(shí)加料精度的誤差，而且波峰波谷的落差越大，其誤差也越大。因此選擇波動(dòng)較小流量曲線能得到更高的加料精度。

1.1.2 物料的混合

在電子皮帶秤以及輸送振槽上，物料水平輸送；在滾筒內(nèi)，由于筒體的旋轉(zhuǎn)，物料沿著筒內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)輸送，起到對(duì)物料的混合和分勻作用。如果按照波動(dòng)較大的曲線進(jìn)行加料，加料的波動(dòng)也會(huì)比較大，相對(duì)于比較均勻的物料來(lái)說(shuō)，其局部含料量差異性會(huì)更為明顯。因此選擇波動(dòng)比較小的流量曲線效果會(huì)更加好。

1.2 瞬時(shí)精度與累計(jì)精度的取舍

電子秤的流量曲線能不能修改，其中涉及到一個(gè)重要的問(wèn)題：瞬時(shí)精度和累計(jì)精度的取舍。COMAS電子秤流量曲線波動(dòng)較大，是真實(shí)的物料流量的反映。由于煙葉形狀、堆積厚度和堆積密度的差異性，真實(shí)物料不可避免的產(chǎn)生波動(dòng)性。流量曲線的修改是以損失流量的瞬時(shí)精度為代價(jià)的。

累計(jì)精度是瞬時(shí)精度在一定時(shí)間內(nèi)的積分。在加料過(guò)程中，雖然加料的控制是以瞬時(shí)流量信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但在工藝上要求的是在一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)精度的準(zhǔn)確性。由此，可以在保證生產(chǎn)一個(gè)批次結(jié)束時(shí)物料累計(jì)精度與原曲線累計(jì)精度基本一致的情況下，對(duì)瞬時(shí)流量做出適當(dāng)?shù)男薷模赃_(dá)到更高的瞬時(shí)加料精度和加料效果。

事實(shí)上，YT8P系列電子皮帶秤采用PLC為系統(tǒng)主機(jī)，其內(nèi)部對(duì)電子皮帶秤的瞬時(shí)流量輸出進(jìn)行II級(jí)處理，產(chǎn)生比較平穩(wěn)的瞬時(shí)流量信號(hào)輸出參與到下道工序中進(jìn)行加料的控制，而COMAS電子皮帶秤采用單片機(jī)為系統(tǒng)主機(jī)，未對(duì)電子皮帶秤的瞬時(shí)流量輸出進(jìn)行再計(jì)算，直接參與到加料控制中去。

2 改進(jìn)過(guò)程

2.1 硬件配置

如圖一所示，本例中COMAS電子秤本身采用單片機(jī)為主機(jī)系統(tǒng)，缺少PLC主機(jī)系統(tǒng)可擴(kuò)展性，不能針對(duì)用戶提出的修改意見(jiàn)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修改和調(diào)試，技術(shù)人員利用生產(chǎn)線的控制PLC對(duì)電子秤本身的原始輸出流量進(jìn)行修正改進(jìn)，滿足生產(chǎn)控制的新要求。

2.2 算法設(shè)計(jì)與比較

當(dāng)前通用的算法有平均濾波法和TY8P系列電子皮帶秤采用的遞歸算法。下面對(duì)這兩種方法與本例采用的差值補(bǔ)償法進(jìn)行研究對(duì)比。

2.2.1 平均濾波法

在固定時(shí)間T內(nèi)，把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出原則）。把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的輸出結(jié)果。即XN'=（x1+x2+…+xN）/N，該算法中T取的時(shí)間越長(zhǎng)，N取的越大則所得曲線平滑度越高。但是該算法是根據(jù)當(dāng)前時(shí)間之前的T時(shí)間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)算術(shù)平均作為當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出，T時(shí)間取的太短則平滑性不好，T取的時(shí)間過(guò)大，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性不高。

2.2.2 TY8P系列采用的遞歸算法

該算法以當(dāng)前時(shí)間的采樣數(shù)據(jù)和上一個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算作為當(dāng)前的輸出結(jié)果，即XN'=XN*k+XN-1*（1-k），（k為加權(quán)系數(shù)，取0～1之間）。K取0則當(dāng)前輸出結(jié)果為上一次采樣數(shù)據(jù)，k取1則當(dāng)前輸出結(jié)果為當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)。K值取定后不能改變，否則累計(jì)量S'=∑XN'與原始累計(jì)量S=∑XN差異性較大。該算法數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高，但是對(duì)電子皮帶秤本身的要求也比較高，對(duì)當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)和上一個(gè)采樣數(shù)據(jù)的要求比較高，否則平滑效果不理想。

本例中，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出適合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型，采用差值補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)COMAS電子皮帶秤的原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。

2.2.3 差值補(bǔ)償法

如圖二曲線數(shù)學(xué)模型所示：

本模型中，曲線A為電子秤設(shè)定流量，XN為當(dāng)前原始采樣數(shù)據(jù)，XN'為平滑后當(dāng)前輸出，k為差值補(bǔ)償系數(shù)。C為原始采樣數(shù)據(jù)與電子秤設(shè)定流量的差值，D為差值累計(jì)量，E為補(bǔ)償變化量。原始流量曲線B的采樣數(shù)據(jù)為XN，計(jì)算后曲線X的采樣數(shù)據(jù)為XN'。

模型解釋：計(jì)算后曲線X相當(dāng)于擋板Y對(duì)原始流量曲線B進(jìn)行加權(quán)推平后得到的曲線。把原始流量B與電子秤設(shè)定流量A進(jìn)行比較得出差值C，對(duì)差值C進(jìn)行實(shí)時(shí)累計(jì)存放并減去提取的變化量E得到累計(jì)差值D，其中提取的變化量E由累計(jì)差值D乘以變化系數(shù)K得到并把變化量E補(bǔ)償回設(shè)定流量A得到計(jì)算曲線X。

具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)如下：

（式1）、差值C為曲線B的采樣數(shù)據(jù)XN減去設(shè)定流量A，即 C=XN-A

（式2）、累計(jì)差值D為差值E累加后減去提取的變化量，即D =∑C-E

（式3）、提取的變化量E為累計(jì)差值乘以變化系數(shù)K，即E =D*k

把（式1）（式3）代入（式2）得到（式4），即D=∑C/（1+k） =∑（XN-A）/（1+k）

（式5）計(jì)算后曲線X的采樣值XN'為設(shè)定流量A加上補(bǔ)償?shù)淖兓考碭N'=A+E

把（式3）（式4）代入（式5）可以得到XN'= A+∑（XN-A）/（1+k）*K

本模型相比較上面所述的兩種方法，不需要考慮時(shí)間T的概念，實(shí)時(shí)性高；同時(shí)也一定程度上降低了電子皮帶秤本身瞬時(shí)采樣的數(shù)據(jù)要求，只要求電子皮帶秤原始累計(jì)精度達(dá)到要求。

為了驗(yàn)證計(jì)算曲線的正確性，技術(shù)人員在假定電子秤原始輸出累計(jì)精度S1正確的基礎(chǔ)上，計(jì)算后曲線X積分后得到的累計(jì)精度S2=∑XN'=∑[XN+∑（XN-A）/（1+k）*K]與S1進(jìn)行比較，通過(guò)對(duì)變化系數(shù)k的調(diào)節(jié)，要求累計(jì)誤差達(dá)到千分之五以內(nèi)。

2.3 程序流程圖

本例中的模型，只在批次正常生產(chǎn)中使用?？紤]到可能有偶然因素引起電子秤流量曲線的無(wú)效輸出，在本例的程序設(shè)計(jì)中加入了限幅濾波法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定流量輸出的上下限幅。

3 結(jié)束語(yǔ)

本例中電子秤流量平滑方法在制絲車間烘絲加料段已應(yīng)用，取得良好效果。運(yùn)行過(guò)程中，計(jì)算后累計(jì)精度在千分之二左右，在精確計(jì)量的基礎(chǔ)上，6000KG/H流量設(shè)定中達(dá)到曲線絕對(duì)偏差1%以內(nèi)，滿足了更高的控制要求。

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