基于复合滤波技术的动态检重秤研究

张文庆 洪志刚 李勇

摘要：文章通过分析目前动态检重秤存在的问题，提出一种应用DSP和PLC的复合滤波技术的动态称重系统。该系统克服了传统动态称重系统测量精度低、所需时间长等缺点，通过实测表明该系统运行良好，提高了检测的精度和速度。

关键词：动态称重系统；复合滤波；DSP；PLC；PROFIBUS-DP 文献标识码：A

中图分类号：TP274 文章编号：1009-2374（2016）05-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.005

1 概述

随着自动化程度的提高，如何实现高速、高准确度动态称重已经成为包装行业的前沿研究课题，也是生产实践中迫切需要解决的难题之一。应用动态称重有利于高效生产、质量控制和确保消费者利益。因此研究高速度的自动检重选别机有广阔的市场前景，在生产实践中也具有相当大的实用价值。国内的重量选别机由于结构简单故精度不高，而国外的产品价格昂贵，一般企业难以接受。本文介绍一种基于复合滤波技术的动态检重选别机，动态准确度可达0.3克，在性能价格上达到国内领先水平，克服了国内重量选别机测量精度低、选别速度慢等缺点。

2 检重选别机控制电路设计

检重选别机是一种中低速度、高精度的包装生产线的检重设备，可与各种包装生产线以及输送系统集成，主要用于在线检测产品重量是否合格，包装内是否缺少部件或产品重量存档。其原理是让袋装物品以一定的速度通过称重平台，在这一过程中动态地测出袋装品的重量值，并由执行机构将质量不合格的物品剔除掉。

图1 动态检重选别机控制电路结构图

检重选别机控制电路结构如图1所示，由称重传感器、DMP300模块、西门子S7-200PLC、变频器、触摸屏和执行机构构成。

2.1 称重传感器

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。典型的称重传感器的行为类似于硬弹簧振荡，从而实现精确的重量读数，称重传感器必须解决的是在所需的称量时间段中以更短的时间停止振荡。高速检重需要快速的称重传感器响应。当负载施加到传感器上时，称重传感器抑制了自然振荡频率。然而，称重传感器不排斥外界施加的振动，如称重设备所处环境和称重设备机械结构产生的振荡，所以仍然需要从振动源隔离称重传感器。这里采用LC7012，综合精度高，长期稳定性好结构简单，安装容易，四角偏差可调整，适用于电子天平、计数秤、包装秤、食品、医药等工业称重和生产过程称重。

2.2 DMP300数字化测量模块

DMP300-STD10数字化测量模块，它可以通过总线方式组网工作并且对称重传感器的测量信号进行数字化处理。内含有DSP，可以对传感器测量的模拟信号进行直接的数字化处理并可将得到的数据进行滤波。对外输出采用RS-485或RS-232串行通讯方式，通过串行界面操作数据；测量输出速率最高达600次/秒，具有毛重/净重输出选择，并采用曲线拟合法修正非线性误差，内设数字滤波IIR（特性可调节）。

2.3 主机

主机采用西门子S7-200PLC，CPU226型，具有13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，具有更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能可以进行复合滤波计算和完成捡重机逻辑控制。通过现场总线PROFIBUS-DP接口和DMP300数字化测量模块相连，读取其重量数据并进行复合滤波。PROFIBUS-DP用于现场设备级的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。PROFIBUS-DP可采用RS-485双绞线、双线电缆或光缆传输，传输速率从9.6kbps到12Mbps。同时程序设计有自我诊断功能，当检重选别机运行出错时会自动在触摸屏上显示故障信息。

2.4 执行机构

PLC通过D/A控制变频器输出频率以此来控制设备运行速度，执行机构根据控制结果进行相应的动作，控制电磁阀及时剔除质量不达标的包装产品。

2.5 触摸屏

触摸屏作为人机接口主要完成称重显示、数值标定、动态检重、参数设置和查询记录数据等功能，如图3所示。图4为参数设置界面，可设定需检测产品的目标重量、选别的上下偏差、采样数据个数、选别的方式等。并设50组产品记忆，提高生产运作效率。图5为检重界面，有产品通过选别机时显示重量，在开机运行时或运行一段时间后手动置零。

3 检重机滤波算法设计

检重选别机的核心技术是如何及时准确地获取产品重量数据，对称重信号进行采集时不可避免地会有其他干扰信号的存在，这些干扰影响测量的精度主要来源于：（1）空气流动，例如车间的风扇、空调、风吹等都会对重量选别机的精度都有影响。可通过给检重选别机称重部分设计钢化玻璃外罩方式减少空气流动的干扰；（2）温度，一般高温、低温、潮湿也会影响重量选别机的精度。一般情况下，重量检测机适合的工作环境是-5℃～45℃，相对湿度：95%（无凝露）；（3）静电感应，带电的物体或者灰尘接近金属物体时会产生静电，当然也会对敏感的重量选别机造成干扰甚至损坏，所以事先要准备防静电的措施，机器外壳要良好接地；（4）振动的影响，一方面由于车间噪音大，机器频繁运作导致地面震动，甚至有些车间的地面不平也会影响重量选别机的精度，另一方面存在选别机的机械结构振动。机械结构振动是影响动态称重性能的主要因素，主要有电机的振动、传送带的振动以及轴承的振动等，可通过对选别机的机械系统及动态特性分析，对机械结构振动大的主要部分更改设计结构、保持PLC输出频率稳定和利用空气轴承等减少振动对称重信号的影响，并通过增加阻尼等方法改善动态特性，使振动信号快速衰减。在电子线路和程序中对检测到的重量数据进行一些必要的处理，主要是进行滤波，滤除干扰信号。

3.1 IIR滤波器

DMP300-STD10中的DSP中设计4级级联数字IIR滤波器，IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高，可提高测量速度。在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式，如式（1）所示：

式（2）中为滤波器的二阶基本节。分别是第k个基本节的分母、分子系数，它们只关系到滤波器的某一对零、极点。采用级联型结构主要是考虑到对滤波器性能的调整比较方便，调整系数，只单独涉及到第k级零、极点，而不会影响到其他任一级的零、极点，因而可以独立地控制滤波器的每一级的零、极点的分布，故该滤波针对性较强、应用灵活，可对机械结构的固有振动频率进行滤波。通过编程的方式事先将滤波器各参数写入DMP300-STD10中的DSP中。

3.2 中位值平均滤波法

PLC通过RS232口接收来自DMP300-STD10滤波后的数值，采用“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。原理是连续采样N个数据，去掉一个最大值和最小值再算出N-2个数据的算术平均值。这种复合滤波方式结构简单、运算量小、不需要做复杂的乘除法运算，程序的执行时间较短，对周期性干扰信号和偶然性干扰信号有较强的抑制作用。考虑到PLC除了完成滤波功能外，还要对整机进行逻辑控制、完成与触摸屏和DMP300数字化模块的通讯，并按触摸屏中设定的分拣速度输出到D/A模块以模拟电压的方式控制变频器的输出频率，为了提高控制的实时性，PLC的扫描周期越短越好。

4 结语

DSP中采用的IIR滤波加上PLC中采用中位值平均滤波法，可以有效地提高自动选别机的测量精度与工作速度。将该技术应用于中山伙伴包装器材有限公司的MD6030+CW-2000型自动选别机，达到了较高的控制效果。当然提高自动选别机的精度也与其机械结构设计能否有效消除振动有关系。

参考文献

[1] 宋爱娟，闫冬梅.基于DSP的动态称重系统的设计[J].仪器仪表学报，2003，（S1）.

[2] 潘若禹.基于DSP的动态称重系统设计[J].现代电子技术，2010，（13）.

[3] 邢培育，崔克清.一种基于TMS320C5402的数字IIR滤波器设计[J].数据采集与处理，2002，（2）.

基金项目：中山市科技规划项目（项目编号：20114A179）。

作者简介：张文庆（1970-），男，中山职业技术学院机电学院副教授，研究方向：智能控制、系统集成。

（责任编辑：周 琼）