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| 濾波技術(shù)在PLC控制油墨配料系統(tǒng)中的應(yīng)用 | 2020-01-15 |
| 摘要：為提髙工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一些關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確性與可靠性,針對(duì)寧夏某油墨加工企業(yè)自動(dòng)配料系統(tǒng)生產(chǎn)不夠穩(wěn)定的現(xiàn)狀,將自動(dòng)配料系統(tǒng)中混合倉(cāng)攪拌電機(jī)的工作電流作為決策的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行濾波.將濾波后的數(shù)據(jù)應(yīng)用在實(shí)際自動(dòng)配料控制系統(tǒng)中表明，該方法處理的結(jié)果達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)配料系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)，與原來(lái)人工生產(chǎn)相比，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量.實(shí)踐證明，該數(shù)據(jù)濾波方法能夠在實(shí)際控制系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用. 隨著計(jì)算機(jī)、通信和稱(chēng)重模塊技術(shù)的快速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用.在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行釆集、監(jiān)視和記錄,并進(jìn)行處理，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供信息和依據(jù).數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)越精確，工作效率就越高,同時(shí)也可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益.通常數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，存在著各種干擾（來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的），通常稱(chēng)這些干擾為噪聲.當(dāng)被測(cè)信號(hào)很微弱時(shí)，就會(huì)被噪聲“淹沒(méi)”,不僅使得數(shù)據(jù)采集與處理誤差比較大,降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,還可能造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的誤操作,甚至發(fā)生事故.因此，噪聲的處理就是數(shù)據(jù)采集與處理的主要對(duì)象.為了能精確地采集和處理數(shù)據(jù)，必須明確不同干擾對(duì)系統(tǒng)的影響并做出判斷，從軟硬件設(shè)計(jì)兩方面采取相應(yīng)的措施,以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力. 1生產(chǎn)工藝過(guò)程 PC-PLC控制油墨配料系統(tǒng)是一種高精度、高可靠性實(shí)時(shí)控制油墨配料的自動(dòng)化控制裝置，油墨的質(zhì)量由配料系統(tǒng)的精度保證S4,油墨生產(chǎn)的產(chǎn)量由配料系統(tǒng)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行速度控制，各料斗的瞬時(shí)流量由下料機(jī)的下料速度決定.本文介紹了PC-PLC控制油墨配料系統(tǒng)的具體生產(chǎn)工藝過(guò)程以及模擬量信號(hào)電流的測(cè)量、傳輸及A/D轉(zhuǎn)換等，著重討論了對(duì)電流信號(hào)的硬件濾波和軟件濾波妙 PC-PLC控制油墨配料系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過(guò)程是：首先將不同料斗的生產(chǎn)原料，如玉米、豆粕、麥芽粕等，按照不同的比例投入稱(chēng)重倉(cāng);當(dāng)所有原料投放結(jié)束時(shí)，稱(chēng)重倉(cāng)倉(cāng)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)并將未經(jīng)混合的各種原料投入混合倉(cāng)中充分混合;當(dāng)混合時(shí)間滿足設(shè)定時(shí)間時(shí)，混合倉(cāng)倉(cāng)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)并將混合好的產(chǎn)品送到生產(chǎn)線進(jìn)行包裝；當(dāng)混合倉(cāng)電機(jī)電流等于空載電流時(shí)，關(guān)閉混合倉(cāng). 2干擾的來(lái)源 在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，存在著各種各樣的干擾，有來(lái)自軟硬件方面的干擾,也有來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外部的干擾.通常見(jiàn)到的系統(tǒng)內(nèi)外部干擾來(lái)源有:①來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部電子電路的各種干擾，如元器件的老化引起的參數(shù)變以及電阻發(fā)熱產(chǎn)生的熱噪聲，晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等器件內(nèi)部分配噪聲和閃爍噪聲，放大電路正反饋引起的自激振蕩等;②來(lái)自系統(tǒng)外部的竄入系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾，如電動(dòng)機(jī)電刷引起的電火花，其他設(shè)備的脈沖開(kāi)關(guān)接觸所產(chǎn)生的電磁信號(hào)，自然界的雷電、宇宙輻射的電磁波以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和傳輸線路周?chē)碾姶艌?chǎng)等.來(lái)自軟硬件方面的干擾通常有：①不正確的算法產(chǎn)生的錯(cuò)誤結(jié)果，這主要是機(jī)交互的工具減少了控制柜上的開(kāi)關(guān)數(shù)量，省去了復(fù)雜的電氣接線，優(yōu)化了控制系統(tǒng)的功能，具有界面友好、功能強(qiáng)大、靈活性高等優(yōu)點(diǎn).觸摸屏設(shè)置的報(bào)警功能能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并排查系統(tǒng)故障，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),能夠大大減少排查故障需用的時(shí)間.經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明設(shè)計(jì)可行. 因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理器中的程序指數(shù)運(yùn)算是近似計(jì)算，產(chǎn)生的結(jié)果有時(shí)有較大的誤差,容易產(chǎn)生誤動(dòng)作;(2)由于計(jì)算機(jī)的精度不高，而加減法運(yùn)算時(shí)要對(duì)階，易出現(xiàn)大數(shù)“吃”小數(shù)的現(xiàn)象，產(chǎn)生了誤差積累，這也是噪聲的來(lái)源之一. 該系統(tǒng)中存在的干擾有以下幾個(gè)方面：控制電路的干擾、信號(hào)傳輸線路周?chē)姶艌?chǎng)的干擾、控制室內(nèi)各種開(kāi)關(guān)接觸產(chǎn)生電磁信號(hào)的干擾以及混合電機(jī)攪拌過(guò)程中由機(jī)械慣性引起的干擾、靜電引起的干擾.該系統(tǒng)采取的抗干擾措施有：將控制柜外殼和大地進(jìn)行良好的接觸，采用屏蔽線進(jìn)行信號(hào)的傳輸,采用獨(dú)立穩(wěn)壓電源對(duì)PLC供電,并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件和軟件濾波. 3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作為過(guò)程控制的一個(gè)參數(shù)，混合倉(cāng)電機(jī)電流采集的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量.如果稱(chēng)重倉(cāng)倉(cāng)門(mén)提前關(guān)閉，對(duì)于同一型號(hào)的油墨沒(méi)有什么影響，但對(duì)不同型號(hào)的油墨來(lái)說(shuō)，就會(huì)影響下一批料的質(zhì)量.如果稱(chēng)重倉(cāng)倉(cāng)門(mén)延后關(guān)閉，就會(huì)影響產(chǎn)品的數(shù)量,最終影響工廠的勞動(dòng)生產(chǎn)率和效益.混合倉(cāng)電機(jī)電流采集系統(tǒng)組成框圖如圖1所示. 3.1數(shù)據(jù)的硬件濾波 3.1.1硬件濾波電路的設(shè)計(jì)給電路中加入濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，交流電經(jīng)過(guò)整流橋整流之后，方向單一了，但是大小(電流強(qiáng)度)還是處在不斷地變化之中，要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流.該濾波電路用2個(gè)極性電容元件和1個(gè)電感元件組成II型濾波電路，用于濾除電路中的高頻信號(hào).該系統(tǒng)使用EM235作為模擬量采集模塊.EM235有4路模擬量輸入通道，通過(guò)配置DIP開(kāi)關(guān),所有的通道都設(shè)置為相同的輸入量程和格式.由于EM235同時(shí)采集稱(chēng)重倉(cāng)油墨重量信號(hào)和油桶植物油重量信號(hào)，然而稱(chēng)重信號(hào)和油稱(chēng)信號(hào)是以0-100mV的電壓信號(hào)傳輸?shù)?，因此，需要將混合電機(jī)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~100mV的電壓信號(hào)輸入EM235.設(shè)置EM235的DIP開(kāi)關(guān)為單極性0-100mV,其分辨率為25V.整流濾波電路如圖2所示. 3.1.2硬件電路的MATLAB仿真打開(kāi)MATLAB軟件中的Simulink仿真工具箱,選擇合適的元器件,對(duì)圖2的整流濾波電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示. 由圖3可知，經(jīng)整流濾波后的信號(hào)已基本接近直流,值與最小值之差僅為0.02，滿足要求. 3.2數(shù)據(jù)的軟件濾波 3.2.1算術(shù)平均值濾波的算法研究轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由于外界的干擾會(huì)產(chǎn)生跳變，這樣的干擾因素主要是電磁干擾和攪拌電機(jī)在慣性作用下產(chǎn)生的抖動(dòng).為了抑制干擾，一方面要做電氣接線上的抗干擾措施，另一方面需要做軟件濾波.數(shù)字濾波的方法有很多種，該應(yīng)用中采用算術(shù)平均值濾波的方法.算術(shù)平均值濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：N&)=g£x(i).(1)IVi=i 式(1)中:戸a)為第&次采樣TV個(gè)采樣值的算術(shù)平均值;XQ)為第i個(gè)采樣值;7V為采樣次數(shù). 算術(shù)平均值濾波的實(shí)質(zhì)是把一個(gè)釆樣周期內(nèi)的N次采樣值相加，然后除以采樣次數(shù)M得到該周期的采樣值.該方法的優(yōu)點(diǎn)是:適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值,信號(hào)在某一數(shù)值范圍上下波動(dòng).算術(shù)平均值濾波的程序流程如圖4所示. 3.2.2算術(shù)平均值濾波的PLC程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)定時(shí)器T99計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，給出一個(gè)脈沖接通能流對(duì)網(wǎng)絡(luò)6中的程序進(jìn)行一次掃描.其中:MOV_W指令是將輸入字(IN)移到輸出字(OUT)的變量中;LDI指令是將IN端輸入的整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)，并將結(jié)果置入OUT的變量中；SHR_DW指令是將輸入雙字?jǐn)?shù)值(IN)向右移動(dòng)7V位,并將結(jié)果存入(OUT)的變量中;DI_R指令是將雙整數(shù)(IN)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù),并將結(jié)果存入(OUT)的變量中;ADD_R指令是將2個(gè)實(shí)數(shù)(IN1)和(IN2)進(jìn)行加和，并將結(jié)果存入(OUT)的變量中俱 4數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換 4.1標(biāo)度變換的算法研究 經(jīng)過(guò)整流濾波后的直流信號(hào)通過(guò)R2輸入模擬量輸入模塊EM235,EM235將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳入CPU.CPU接收的數(shù)字量范圍是0~65535.根據(jù)人工測(cè)量，攪拌電機(jī)空載時(shí)的電流是8A,滿載時(shí)的電流是14A.利用標(biāo)度變換式(2)使TD400上顯示的電流變化范圍為8~14A,這樣可以通過(guò)TD400直觀地顯示攪拌電機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài).—(2)4m-AoNyN。做變換得：4三4°(么頊。)尊籍.(3)心一/V。式(2)-(3)中:4。為測(cè)量?jī)x表量程下限；4m為測(cè)量?jī)x表量程上限泓*為實(shí)際測(cè)量值;M為儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量;為儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量;M為測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量. 4.2標(biāo)度變換的PLC程序?qū)崿F(xiàn) 由于程序中轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制32位的實(shí)數(shù),然而在TD400上顯示時(shí)需要十進(jìn)制的實(shí)數(shù)，這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，以便操作人員直觀的觀察記錄.其中:DIV_R指令是將2個(gè)32位實(shí)數(shù)相除(IN1/IN2),并將商存入(OUT)的變量中；MUL_R指令是將2個(gè)32位的實(shí)數(shù)相剩IN1XIN2),并將積存入(OUT)的變量中；MOV_R指令是將32位實(shí)數(shù)(INI)移至(OUT)的變量中. 5應(yīng)用效果分析 采集電流在未進(jìn)行濾波技術(shù)處理之前，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)大幅度跳變現(xiàn)象，甚至超出電流范圍，出現(xiàn)電流大于14或小于8的情況.加入濾波技術(shù)處理以后，采集電流穩(wěn)定，能夠隨著攪拌倉(cāng)中油墨的逐漸增多而從8到14穩(wěn)步上升.生產(chǎn)過(guò)程中記錄數(shù)據(jù)如表1所示. 6結(jié)語(yǔ) 為了提高油墨自動(dòng)配料系統(tǒng)的可靠性，本文綜合應(yīng)用了硬件濾波和軟件濾波的方法對(duì)混合倉(cāng)電流進(jìn)行處理.經(jīng)實(shí)踐證明，該方法能夠達(dá)到抗干擾的目的，提高了系統(tǒng)的可靠性.由表1可知，經(jīng)過(guò)濾波處理后，采集數(shù)據(jù)誤差僅為0.2,滿足控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，能夠作為可靠的過(guò)程參數(shù)在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制中應(yīng)用.以往人工配料不僅配料精度低,且每批油墨的配料時(shí)間長(zhǎng)，平均配料時(shí)間為25min.采用該系統(tǒng)后，一方面提高了配料精度,另一方面縮短了配料時(shí)間，平均配料時(shí)間為18min,而且無(wú)需專(zhuān)人操作，節(jié)省了人力，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，為企業(yè)帶來(lái)了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益. | |
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