差值补偿法在电子皮带秤流量曲线平滑中的应用

冯海 邵坚铭 吴冰

摘 要：烟草行业生产中电子皮带秤是重要的计量和控制设备，不仅要实现精确计量，还要能够满足流量的稳定要求。针对现有设备的不足，创新出差值补偿法，并在电子皮带秤流量曲线平滑方法中得到应用，介绍了其数学建模过程和程序设计方法。

关键词：电子皮带秤；流量平滑；差值补偿法；数学模型；烟草企业

差值补偿法，是技术人员根据实际创新出的一种新型曲线滤波方法，具体做法是把原有曲线与设定值之间的差值进行累计封装，并按一定比例补偿到新的曲线中去。本文讨论差值补偿法在电子皮带秤流量曲线平滑中的实际应用，满足电子皮带秤输送到下一道相关设备的瞬时流量信号稳定性的要求，实现精确计量基础上的加料稳定控制。

1 现状分析

在烟草行业大量使用以叶片和在叶片基础上加工的叶丝、梗丝、膨胀丝、薄片丝为称量对象的电子皮带秤。在动态连续计量和配料系统中，由于被检测的物料为轻质物料，物料形状为非粉状、非颗粒状、非块状，而且呈纤维状、片状，堆比重小，体积大，按照流量计算公式Q=PV*C（P为重压值，V为皮带速度，C为流量校准系数）因为重压值的变化较快，而皮带的响应速度较慢，所以其流量呈现一定的波动性。其流量的波动性会对下一道工序的加料精度产生影响。

车间采用的电子皮带秤主要有九五技改引进的COMAS十字簧片式电子秤和十五技改引进的707所YT8P系列PC电子皮带秤。两者比较，原有的COMAS电子皮带秤的瞬时流量输出信号波动性较大，技术人员考虑能否对其瞬时流量曲线做适当的修正。

1.1 流量曲线波动对加料的影响

以制丝加料工段为例，分析得到相同累计精度前提下，波动较小的流量曲线能得到更高的加料精度和更好的加料效果。

1.1.1 延时的误差性

烟叶从电子皮带秤流向加料滚筒，在电子皮带秤处对烟叶流量进行测量，然后根据测量的瞬时流量延时后按加料比例在加料滚筒处对烟叶进行加料。

物料从电子皮带秤处到加料滚筒处存在一定的延时△T，物料流量曲线对加料的影响在曲线波峰、波谷处最为明显，以此来说明。

由于电子皮带秤电机速度的调节，其延时的时间与控制系统设定的加料延时△T是存在误差的。当在测得瞬时流量在波峰处，由于延时的误差性，延时时间到后在加料滚筒处却不一定在波峰处，而按照波峰的物料流量来进行加料，必定造成瞬时加料精度的误差，而且波峰波谷的落差越大，其误差也越大。因此选择波动较小流量曲线能得到更高的加料精度。

1.1.2 物料的混合

在电子皮带秤以及输送振槽上，物料水平输送；在滚筒内，由于筒体的旋转，物料沿着筒内壁旋转输送，起到对物料的混合和分匀作用。如果按照波动较大的曲线进行加料，加料的波动也会比较大，相对于比较均匀的物料来说，其局部含料量差异性会更为明显。因此选择波动比较小的流量曲线效果会更加好。

1.2 瞬时精度与累计精度的取舍

电子秤的流量曲线能不能修改，其中涉及到一个重要的问题：瞬时精度和累计精度的取舍。COMAS电子秤流量曲线波动较大，是真实的物料流量的反映。由于烟叶形状、堆积厚度和堆积密度的差异性，真实物料不可避免的产生波动性。流量曲线的修改是以损失流量的瞬时精度为代价的。

累计精度是瞬时精度在一定时间内的积分。在加料过程中，虽然加料的控制是以瞬时流量信号来实现的，但在工艺上要求的是在一定时间内累计精度的准确性。由此，可以在保证生产一个批次结束时物料累计精度与原曲线累计精度基本一致的情况下，对瞬时流量做出适当的修改，以达到更高的瞬时加料精度和加料效果。

事实上，YT8P系列电子皮带秤采用PLC为系统主机，其内部对电子皮带秤的瞬时流量输出进行II级处理，产生比较平稳的瞬时流量信号输出参与到下道工序中进行加料的控制，而COMAS电子皮带秤采用单片机为系统主机，未对电子皮带秤的瞬时流量输出进行再计算，直接参与到加料控制中去。

2 改进过程

2.1 硬件配置

如图一所示，本例中COMAS电子秤本身采用单片机为主机系统，缺少PLC主机系统可扩展性，不能针对用户提出的修改意见在现场进行修改和调试，技术人员利用生产线的控制PLC对电子秤本身的原始输出流量进行修正改进，满足生产控制的新要求。

2.2 算法设计与比较

当前通用的算法有平均滤波法和TY8P系列电子皮带秤采用的递归算法。下面对这两种方法与本例采用的差值补偿法进行研究对比。

2.2.1 平均滤波法

在固定时间T内，把连续取N个采样值看成一个队列，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据（先进先出原则）。把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的输出结果。即XN'=（x1+x2+…+xN）/N，該算法中T取的时间越长，N取的越大则所得曲线平滑度越高。但是该算法是根据当前时间之前的T时间内的采样数据算术平均作为当前数据输出，T时间取的太短则平滑性不好，T取的时间过大，数据的实时性不高。

2.2.2 TY8P系列采用的递归算法

该算法以当前时间的采样数据和上一个采样数据进行加权运算作为当前的输出结果，即XN'=XN*k+XN-1*（1-k），（k为加权系数，取0～1之间）。K取0则当前输出结果为上一次采样数据，k取1则当前输出结果为当前的采样数据。K值取定后不能改变，否则累计量S'=∑XN'与原始累计量S=∑XN差异性较大。该算法数据实时性高，但是对电子皮带秤本身的要求也比较高，对当前的采样数据和上一个采样数据的要求比较高，否则平滑效果不理想。

本例中，技术人员设计出适合实际的数学模型，采用差值补偿的方法对COMAS电子皮带秤的原始采样数据进行平滑。

2.2.3 差值补偿法

如图二曲线数学模型所示：

本模型中，曲线A为电子秤设定流量，XN为当前原始采样数据，XN'为平滑后当前输出，k为差值补偿系数。C为原始采样数据与电子秤设定流量的差值，D为差值累计量，E为补偿变化量。原始流量曲线B的采样数据为XN，计算后曲线X的采样数据为XN'。

模型解释：计算后曲线X相当于挡板Y对原始流量曲线B进行加权推平后得到的曲线。把原始流量B与电子秤设定流量A进行比较得出差值C，对差值C进行实时累计存放并减去提取的变化量E得到累计差值D，其中提取的变化量E由累计差值D乘以变化系数K得到并把变化量E补偿回设定流量A得到计算曲线X。

具体数学推导如下：

（式1）、差值C为曲线B的采样数据XN减去设定流量A，即 C=XN-A

（式2）、累计差值D为差值E累加后减去提取的变化量，即D =∑C-E

（式3）、提取的变化量E为累计差值乘以变化系数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）计算后曲线X的采样值XN'为设定流量A加上补偿的变化量即XN'=A+E

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

本模型相比较上面所述的两种方法，不需要考虑时间T的概念，实时性高；同时也一定程度上降低了电子皮带秤本身瞬时采样的数据要求，只要求电子皮带秤原始累计精度达到要求。

为了验证计算曲线的正确性，技术人员在假定电子秤原始输出累计精度S1正确的基础上，计算后曲线X积分后得到的累计精度S2=∑XN'=∑[XN+∑（XN-A）/（1+k）*K]与S1进行比较，通过对变化系数k的调节，要求累计误差达到千分之五以内。

2.3 程序流程图

本例中的模型，只在批次正常生产中使用。考虑到可能有偶然因素引起电子秤流量曲线的无效输出，在本例的程序设计中加入了限幅滤波法。根据经验判断，确定流量输出的上下限幅。

3 结束语

本例中电子秤流量平滑方法在制丝车间烘丝加料段已应用，取得良好效果。运行过程中，计算后累计精度在千分之二左右，在精确计量的基础上，6000KG/H流量设定中达到曲线绝对偏差1%以内，满足了更高的控制要求。

[参考文献]

[1]马小林.YTSP电子秤硬件构成及软件设计.自动化与仪表，1997年第1期.

[2]罗亚斌，等.PLC在电子皮带秤中的应用.国内外机电一体化技术，2005年第1期.

[3]陈祖述，方原柏.烟草行业专用电子皮帶秤.衡器，2006年第4期.