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| 自動(dòng)配料系統(tǒng)的視覺配料方案 | 2020-01-27 |
| 1前言 對(duì)于桶裝純液體，由于生產(chǎn)工藝和配料技術(shù)，液體產(chǎn)品可能含有添加劑、溶劑和油墨。如果這些異物和液體一起使用，配料會(huì)給人類健康帶來很大危害。因此，有必要批量生產(chǎn)瓶裝液體的需求。目前，人工配料主要在中國(guó)使用。然而，人工配料主要是感性判斷，配料需求難以保證。一是液體灌裝機(jī)配料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，其中有兩個(gè)趨勢(shì)：一方面，液體灌裝機(jī)配料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各配料系統(tǒng)除形成自己各具特色的配料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、完成設(shè)備控制任務(wù)之外，還可以與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息交流，成為整個(gè)信息管理系統(tǒng)的一部分；另一方面，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到廣泛的采用，配料系統(tǒng)與其他安裝在現(xiàn)場(chǎng)的智能化設(shè)備，比如智能稱重儀表、稱重模塊、智能型電磁閥、智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)(比如雙絞線、同軸電纜、光纜)鏈接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，液體灌裝機(jī)這種網(wǎng)絡(luò)與單純的配料系統(tǒng)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比，配置更靈活，擴(kuò)展更方便，造價(jià)更低，性能價(jià)格比更好，也更具開放意義。 機(jī)器視覺配料系統(tǒng)是近年來發(fā)展迅速的在線配料方法。桶中液體的配料方法在獲得多個(gè)序列圖像后，分別累加奇數(shù)幀圖像和偶數(shù)幀圖像中每個(gè)像素的灰度級(jí)或最小灰度級(jí)，然后用差分算法減去靜態(tài)背景，最后進(jìn)行閾值分割，確定是否存在液體雜質(zhì)。然而，這種方法對(duì)噪音很敏感，不能區(qū)分氣泡和雜質(zhì)。自動(dòng)灌裝機(jī)一種基于PCNN法的液體雜質(zhì)混合方法。該方法提出了一種改進(jìn)的PCNN方法來分割差分圖像，自動(dòng)灌裝機(jī)可以很好地分割液體中的運(yùn)動(dòng)物體，然后通過檢測(cè)這些物體的連續(xù)性和平滑性來確定配料是否是液體雜質(zhì)。但是，這種方法不能直接區(qū)分氣泡和雜質(zhì)，主要是通過灌裝機(jī)械的設(shè)計(jì)來減少氣泡的產(chǎn)生。因此，如果產(chǎn)生氣泡，可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷。電子秤配料系統(tǒng)是當(dāng)今使用最多的兩種稱量給料機(jī)類型。由于它們的工作原理不同，電子秤使它們各自的給料精度影響因素也不盡相同。在稱量皮帶給料工藝中，當(dāng)材料進(jìn)入給料機(jī)時(shí)，材料可形成大致均勻的料床，然后被輸送且要通過一個(gè)剪切閘門。當(dāng)薄薄一層材料快速通過稱量段時(shí)，灌裝機(jī)配料系統(tǒng)就檢測(cè)到了材料的重量。根據(jù)檢測(cè)到的重量，分選機(jī)皮帶速度能夠連續(xù)不斷地自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，這樣排出的物料重量就可以始終處于可控狀態(tài)中。與此相比，在失重給料方法中，整個(gè)配料系統(tǒng)、料斗秤中的材料和排出材料都連續(xù)不斷地被稱量，使配料系統(tǒng)的輸出速率（給料系統(tǒng)失去重量的速率）被精確控制，以達(dá)到理想的給料速率。配料系統(tǒng)采用DCS集散控制方式，防爆液體灌裝機(jī)自動(dòng)配料系統(tǒng)選用西門子S7—300PLC構(gòu)成數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，模塊化設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。人機(jī)界面監(jiān)控軟件采用國(guó)內(nèi)工控領(lǐng)域頭牌組態(tài)軟件“組態(tài)王”，具有開放性好、便于用戶維護(hù)和二次開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)所有過程控制數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可集中管理、實(shí)時(shí)記錄，隨時(shí)打印和查閱。 2自動(dòng)液體灌裝機(jī) 由于一些液體雜質(zhì)在靜止?fàn)顟B(tài)下可能位于桶的底部，因此在這種情況下很難混合這些雜質(zhì)。有必要移動(dòng)桶內(nèi)的液體，雜質(zhì)離開桶底，隨液體一起移動(dòng)，以便更清楚地觀察是否有雜質(zhì)。同時(shí)，液體中包含的雜質(zhì)和桶上的痕跡在單一圖像中具有相同的特征，并且無法區(qū)分。如果桶保持靜止并且桶中的液體移動(dòng)，可以獲得連續(xù)的圖像序列。通過對(duì)序列中多幀圖像的運(yùn)動(dòng)分析，區(qū)分桶上的痕跡和液體中的雜質(zhì)。自動(dòng)配料系統(tǒng)由稱重傳感器電子秤稱重系統(tǒng)、單片機(jī)接口、中斷控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)幾大部分組成。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制部分的機(jī)械設(shè)計(jì)兼顧廠房?jī)?nèi)空間的合理使用和料斗等的科學(xué)布局，灌裝機(jī)其特點(diǎn)是可靠性高、反應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確。灌裝機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)料斗下安裝的傳感器測(cè)得的信號(hào)控制電振機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱料，電子秤通過設(shè)置限位開關(guān)控制接料小車運(yùn)動(dòng)到輸料管道下端，再向料斗門控制器發(fā)信號(hào)從而控制料斗門打開實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料，最后小車運(yùn)動(dòng)到地點(diǎn)卸料。電子秤配料系統(tǒng)是一種集散控制配料系統(tǒng)。自動(dòng)配料系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)管理技術(shù)、過程控制技術(shù)、灌裝機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)計(jì)量技術(shù)新稱重模塊技術(shù)于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品；電子秤充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，防爆電子秤灌裝機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，配置靈活組態(tài)方便。自動(dòng)粉體配料系統(tǒng)由上位機(jī)、可編程控制器(PLC)、稱重配料儀表、行程開關(guān)、變頻器、溫度傳感器等組成。配粉開始時(shí)，小車到達(dá)稱量料斗下方，變頻器控制螺旋給料機(jī)雙速給料，稱量?jī)x表將傳感器采集的質(zhì)量信號(hào)輸出至PLC，到達(dá)設(shè)定質(zhì)量值后，稱量料斗的卸料閘門打開，將所配粉料卸到復(fù)核料斗。若卸下的藥粉質(zhì)量值在規(guī)定范圍內(nèi)，則進(jìn)行下一粉料的配制，否則停機(jī)報(bào)警。當(dāng)所選配方中全部粉料均已配制完畢，復(fù)核料斗閘門打開，將配好的粉料卸出，送至混粉機(jī)，開始下一周期的配粉流程。稱量過程中，小車的位置由行程開關(guān)控制。由于部分粉料需加熱除濕，因此這些料倉(cāng)上有加熱保溫電路，溫度傳感器按一定時(shí)間間隔采集溫度信號(hào)并送至PLC，由PLC控制使料倉(cāng)溫度保持在預(yù)定范圍。 稱重裝置采用專門設(shè)計(jì)的自動(dòng)配料系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述目的。自動(dòng)配料系統(tǒng)采用灌裝機(jī)的稱重裝置對(duì)輸液桶進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)緊急停止，然后配合反光鏡和攝像機(jī)拍攝連續(xù)的無視角偏差的序列圖像。液體灌裝裝置首先通過稱重機(jī)械裝置加速進(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)域的輸液桶的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)輸液桶即將離開旋轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)停止加速，輸液桶自由旋轉(zhuǎn)(減少振蕩產(chǎn)生的氣泡)。當(dāng)輸液桶“進(jìn)入緊急停止區(qū)域時(shí)，光檢測(cè)器將控制機(jī)械裝置使輸液桶緊急停止，桶內(nèi)的液體將由于慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，照相機(jī)開始通過鏡子拍攝輸液管的連續(xù)順序鏡，并旋轉(zhuǎn)一定角度。稱重灌裝裝置保證攝像機(jī)能夠跟蹤和捕捉輸液桶的序列圖像”。請(qǐng)注意，由于需要一定的傳輸時(shí)間，輸注桶力-1尚未進(jìn)入緊急停止區(qū)域。注射筒“繼續(xù)向前輸送，反射器也繼續(xù)相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，直到注射筒n-1進(jìn)入緊急停止區(qū)域。此時(shí)，反射器立即返回到圖2(a)所示的位置，開始跟蹤下一個(gè)注射筒。同時(shí)，輸液管的連續(xù)序列圖像采集”已經(jīng)完成。自動(dòng)灌裝裝置對(duì)于所有工業(yè)視覺自動(dòng)配料系統(tǒng)來說，合理的光源和光源照明方式是完成快速準(zhǔn)確自動(dòng)稱重模塊的關(guān)鍵之一。一個(gè)好的照明系統(tǒng)可以提高整個(gè)圖像的清晰度，減少噪聲干擾，突出被測(cè)對(duì)象的特征，簡(jiǎn)化配料時(shí)的算法，提高配料的準(zhǔn)確性。為了獲得高清晰度和穩(wěn)定亮度的圖像，選擇發(fā)光二極管光源作為成像系統(tǒng)的光源。自動(dòng)化液體灌裝機(jī)控制配料系統(tǒng)方式有兩種形式：一種為集散式電器控制（計(jì)算機(jī)屏上控制），一種是采用模擬屏控制方式。飼料廠集散式自動(dòng)化液體灌裝機(jī)配料系統(tǒng)采用的電腦監(jiān)控技術(shù)和靈活可靠的現(xiàn)場(chǎng)控制相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。液體灌裝秤人機(jī)對(duì)話界面清晰，操作直觀、簡(jiǎn)便。例如，其將生產(chǎn)流程分成幾個(gè)工段，某個(gè)工段條件具備后只要按下“開始”或“啟動(dòng)”就行了；如果全廠的流程都開起來也是按一個(gè)鍵就行。然后所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)全在屏上彩色顯示，包括各臺(tái)電機(jī)電流值，超載時(shí)變色，報(bào)警。粉碎機(jī)之類的自動(dòng)灌裝機(jī)設(shè)備設(shè)定某個(gè)值，自動(dòng)調(diào)節(jié)喂料量，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，在異地也可以看到自己廠的生產(chǎn)情況。集散式自動(dòng)配料系統(tǒng)控制分為控制（生產(chǎn)設(shè)備）和管理兩大部分，由于其投資相對(duì)高一點(diǎn)，在此我就不展開討論了?，F(xiàn)著重談采用模擬屏控制方式的生產(chǎn)過程的要求。任何一種方式的控制都離不開機(jī)和電，特別是自動(dòng)灌裝機(jī)配料系統(tǒng)，由于時(shí)間關(guān)系對(duì)于機(jī)械部分暫不討論，現(xiàn)只談電的部分。自動(dòng)配料系統(tǒng)采用工控機(jī)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊，并遵循工業(yè)485協(xié)議構(gòu)成，從硬件上確保了系統(tǒng)的可靠性和性。配料系統(tǒng)啟動(dòng)后，按事先儲(chǔ)存的工作配方（欲稱重值）起動(dòng)給料器，往稱量斗內(nèi)喂料，此時(shí)傳感器將重量變化給ADAN模塊，然后傳給微機(jī)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后，微機(jī)發(fā)出指令關(guān)掉給料器，起動(dòng)排料器將料排至受料設(shè)備上，一個(gè)基本稱重過程就此結(jié)束。根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件，系統(tǒng)可以同時(shí)控制幾條獨(dú)立干料線和幾條與干料線相關(guān)的液體配料線，每條配料線上可根據(jù)用戶要求設(shè)置稱重點(diǎn)。全部安置在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室內(nèi)進(jìn)行集中操作控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)， 配料系統(tǒng)為了在液體灌裝機(jī)的圖像中清楚地反映排出的液體中是否存在雜質(zhì)，灌裝設(shè)備采用側(cè)向照明。防爆電子地磅計(jì)量由于液體中含有雜質(zhì)鹽酸，粘度一般較低，使用背光時(shí)，桶體透光不均勻產(chǎn)生的噪音容易掩蓋這一點(diǎn)。防爆地磅采用側(cè)向照明。在黑色漫反射背景條件下，通過光折射可以獲得高亮度雜質(zhì)的暗背景圖像。通用配料系統(tǒng)防爆電子秤括給煤機(jī)本體、傳動(dòng)部分、各種安全保護(hù)裝置、測(cè)速裝置、稱重模塊、流量積分稱重儀表、重量變送器、安全回路稱重儀表(如可編程控制器PLC)及調(diào)速電子稱重儀表。其中的測(cè)速裝置、稱重模塊、流量積分電子稱重儀表及安全回路稱重儀表對(duì)整個(gè)配料系統(tǒng)的安全、性能及可靠性上起著至關(guān)重要的作用。因此，本次改造主要對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，自動(dòng)灌裝機(jī)采用高性能、高可靠性的產(chǎn)品替代原國(guó)產(chǎn)設(shè)備，以使配料系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。 3液體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)分割算法 液體灌裝機(jī)在采集到系列圖像后，可以對(duì)系列圖像進(jìn)行分析，對(duì)液體雜質(zhì)進(jìn)行分割。當(dāng)桶處于停止?fàn)顟B(tài)并且桶中的液體連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，獲取的序列圖像是連續(xù)的多幀圖像。然后，因?yàn)橥笆庆o止的，所以在不同圖像中桶上可能存在的各種標(biāo)記的位置和形狀不會(huì)改變。同時(shí)，桶中的液體不斷旋轉(zhuǎn)，因此可能存在的雜質(zhì)也將處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，在不同的圖像中顯示位置或形狀的變化。根據(jù)這些分析，自動(dòng)灌裝機(jī)可以利用圖像差分法去除作為背景的靜態(tài)痕跡，但圖像差分法存在一些缺陷。當(dāng)不同幀圖像中存在運(yùn)動(dòng)物體的重疊部分時(shí)，將形成空洞現(xiàn)象。自動(dòng)液體灌裝機(jī)和圖像差分法也將削弱物體的灰度，使得更難區(qū)分較弱的物體。為此，提出了一種二值圖像差分算法，該算法能夠更好地從序列圖像中分割出液體中的雜質(zhì)。配料系統(tǒng)電子秤工藝中，產(chǎn)品合成配料系統(tǒng)電子秤的原料大多是固體物料，暫時(shí)還是按照人工投料考慮。（因固體物料的計(jì)量和進(jìn)入配料過程自控控制較為復(fù)雜，且成本較高，故暫不考慮。）摻和配料原料有幾種液體，考慮自動(dòng)計(jì)量和進(jìn)料。配料系統(tǒng)灌裝機(jī)溫度通過設(shè)計(jì)溫控程序進(jìn)行自動(dòng)控制。灌裝機(jī)由于溫度的控制較為復(fù)雜，且時(shí)間較長(zhǎng)，因此，溫控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制對(duì)類似的配料裝置很有必要，而且很有利于提高操作的質(zhì)量和效率。 稱重配料系統(tǒng)由于液體雜質(zhì)在圖像中被反射為高亮度區(qū)域，因此可以使用二值化算法將這些高亮度區(qū)域與背景分離。根據(jù)采集圖像的實(shí)際情況，這里選擇奧斯特法進(jìn)行二值化。Os-tu使用類之間的方差來區(qū)分兩種灰度。該算法簡(jiǎn)單有效。在液體圖像的二值化過程中取得了令人滿意的結(jié)果。圖像二值化后，考慮到在實(shí)際生產(chǎn)中將最小雜質(zhì)尺寸，只有超過尺寸的鹽酸粘度才會(huì)被視為雜質(zhì)，因此將使用形態(tài)學(xué)開運(yùn)算去除圖像中過小的區(qū)域。這里使用2x2尺寸的結(jié)構(gòu)元件。配料系統(tǒng)用于涂料,食品,飲料等需要用多種液體原料按配方進(jìn)行配比稱量的工業(yè)計(jì)量控制自動(dòng)化生產(chǎn)。嚴(yán)密的控制邏輯與程序,可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率,減少人為失誤與計(jì)量誤差。配料系統(tǒng)由稱重模塊、稱重控制儀表、接線盒、控制氣動(dòng)閥門、輸送管道，管道泵，控制柜（PLC等）、以及工控機(jī)部分組成。1臺(tái)稱重控制儀表連接三個(gè)或四個(gè)稱重模塊，1臺(tái)稱重反應(yīng)釜與控制閥門裝置可對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)原料管道閥門裝置，氣動(dòng)閥門連接稱重反應(yīng)釜需要用金屬軟管軟連接。PLC作為邏輯配料系統(tǒng)核心按工藝配方要求執(zhí)行的稱量操作；工業(yè)計(jì)算機(jī)（與普通計(jì)算機(jī)兼容控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，更為適應(yīng)工業(yè)惡劣環(huán)境）作為上位機(jī)是人和機(jī)器對(duì)話的操作終端，主要功能是監(jiān)視為主的整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)PLC下達(dá)操作命令及標(biāo)定修改參數(shù)。 液體灌裝機(jī)獲得二值圖像后，對(duì)兩個(gè)連續(xù)的二值圖像進(jìn)行區(qū)分。自動(dòng)灌裝機(jī)配備有連續(xù)圖像的幀和幀為，f(x，y，n)；二值化圖像是b(x，Y，n-1)和b(x，Y，n)，那么連續(xù)二值圖像差的公式是:D(x，y)=b(x，Y，n)-b(x，Y，n-Y)(1)如果液體灌裝設(shè)備的原始圖像中仍有目標(biāo)，這些目標(biāo)將不再存在于差分圖像中；然而，如果它是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，自動(dòng)灌裝設(shè)備將在差分圖像中保留運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的至少一些區(qū)域。神經(jīng)元主要通過不斷的學(xué)習(xí)來獲取知識(shí)結(jié)構(gòu)和適應(yīng)環(huán)境的變化，神經(jīng)元學(xué)習(xí)是按照某一性能指標(biāo)為最小的原則調(diào)整自身權(quán)重值從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元自適應(yīng)的性能。本文選用了有監(jiān)督的學(xué)習(xí)規(guī)則，配料系統(tǒng)的PLC的配料系統(tǒng)液體灌裝機(jī)就相當(dāng)于1個(gè)具有可變系數(shù)功能的自適應(yīng)控制器。為方便對(duì)不同權(quán)系數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整，配料系統(tǒng)的對(duì)比例P、積分I和微分D采取了不同的學(xué)習(xí)速率。同時(shí)，配料系統(tǒng)的神經(jīng)元比例系數(shù)K的選擇也非常重要，配料系統(tǒng)液體灌裝機(jī)的K值太大或者太小都會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至?xí)瓜到y(tǒng)性能變差。為解決配料系統(tǒng)的K值和學(xué)習(xí)速度的選擇問題，自動(dòng)灌裝機(jī)選擇PSO算法對(duì)其進(jìn)行尋優(yōu)，通過實(shí)時(shí)校正來在線調(diào)整單神經(jīng)元的權(quán)值，使得配料系統(tǒng)的控制器的性能達(dá)到生料配料系統(tǒng)既是潤(rùn)滑油生產(chǎn)工藝過程控制和質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油生產(chǎn)過程自動(dòng)控制和配料方案準(zhǔn)確實(shí)施的重要技術(shù)手段。因此，在潤(rùn)滑油生產(chǎn)中大力推廣的生料配料控制系統(tǒng)，不僅能提高潤(rùn)滑油配料質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且可以減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本。針對(duì)我國(guó)潤(rùn)滑油生產(chǎn)現(xiàn)狀，根據(jù)中小型潤(rùn)滑油生產(chǎn)的特點(diǎn)以及配料生產(chǎn)存在的自動(dòng)化程度低、實(shí)時(shí)監(jiān)控性差、生產(chǎn)效率低等問題。首先，本文確定以生料配料系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)目前潤(rùn)滑油生料配料系統(tǒng)作了概述，然后從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)確定了由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和電子皮帶秤組成的生料配料集散控制系統(tǒng)總體方案。在此基礎(chǔ)上，本文以稱重原理和誤差分析為基礎(chǔ)，首先分析了電子皮帶秤的稱重原理以及現(xiàn)有電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)，以電子皮帶秤的誤差源展開分析，說明各誤差產(chǎn)生的原因以及如何克服和減少誤差的方法，提出了潤(rùn)滑油廠實(shí)用電子皮帶秤，并列舉了相應(yīng)的實(shí)施和驗(yàn)證。證明了所選電子皮帶秤有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 液體灌裝系統(tǒng)可以根據(jù)二值化差分圖像確定原始二值化圖像中可能的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。為了防止誤判，自動(dòng)灌裝系統(tǒng)采用平均灰度比較法進(jìn)一步確認(rèn)。防爆電子地磅稱重是指在確定可能的運(yùn)動(dòng)區(qū)域后，比較兩幅圖像中可能運(yùn)動(dòng)區(qū)域的平均灰度變化，例如滿足以下條件: 在稱重和灌裝系統(tǒng)中，權(quán)重(')是“幀圖像”中區(qū)域z的平均灰度值，而年齡('-1)是n-1幀圖像中相同區(qū)域的平均灰度值，t是給定的常數(shù)。 在這種情況下，稱重灌裝機(jī)將該區(qū)域視為移動(dòng)目標(biāo)所在的區(qū)域。 4液體雜質(zhì)分類算法 4.1自動(dòng)配料系統(tǒng)特征提取 稱重灌裝機(jī)確定移動(dòng)目標(biāo)存在的區(qū)域后，防爆地磅計(jì)量需要判斷移動(dòng)目標(biāo)是液體中的雜質(zhì)、氣泡還是其他噪聲。 稱重灌裝機(jī)在分割過程中可能會(huì)獲得多個(gè)區(qū)域，因此每個(gè)區(qū)域需要單獨(dú)處理。然而，只要發(fā)現(xiàn)成分中有一個(gè)區(qū)域是雜質(zhì)，就可以說液體含有雜質(zhì)。因此，首先根據(jù)區(qū)域強(qiáng)度對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行分類，并且首先處理強(qiáng)度較高的區(qū)域。面積強(qiáng)度定義如下: R/(f)=g(x，y)(3) 其中g(shù)(x，y)是區(qū)域中某一點(diǎn)(x，0)的灰度值。 稱重灌裝系統(tǒng)中的氣泡和雜質(zhì)形狀明顯不同。氣泡是圖像中的圓形區(qū)域，但雜質(zhì)的形狀不固定，但很少是規(guī)則的圓形。由于很難直接描述區(qū)域形狀，這里使用以下兩個(gè)特征來間接描述區(qū)域形狀。 F}=區(qū)域(4) 第二個(gè)是目標(biāo)區(qū)域的面積(該區(qū)域的像素?cái)?shù))。 F2-邊界(5) 其中邊界是該區(qū)域的周界 根據(jù)該區(qū)域的灰度級(jí)，自動(dòng)灌裝系統(tǒng)在雜質(zhì)區(qū)域具有相對(duì)較高的亮度和較大的灰度級(jí)，同時(shí)一些噪聲干擾的強(qiáng)度較低，灰度級(jí)值也較低。因此，該區(qū)域的平均灰度級(jí)被作為特征。 其中ⅰ是一個(gè)灰度值，并且)是該區(qū)域灰度直方圖中ⅰ處的值。 此外，無論是氣泡還是噪音，光的折射在整個(gè)區(qū)域都不一致，而雜質(zhì)可以產(chǎn)生基本相同的光折射。 在液體灌裝系統(tǒng)獲得上述圖像中可能的缺陷區(qū)域的特征之后，它可以根據(jù)這些特征選擇適當(dāng)?shù)姆诸惙椒▉砼袛嘣搮^(qū)域是否是液體中包含的雜質(zhì)。提出了一種多核函數(shù)分類的支持向量機(jī)集成方法。4.2多核函數(shù)支持向量機(jī)集成 液體灌裝設(shè)備的支持向量機(jī)(SVM)被認(rèn)為具有很好的推廣性能，所以電子秤提出后沒有必要長(zhǎng)時(shí)間集成SVM。然而，近年來的一些研究表明，支持向量機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中還沒有達(dá)到理論性能，綜合使用支持向量機(jī)可以進(jìn)一步提高分類性能。文獻(xiàn)[6]全面論述了支持向量機(jī)集成的方法，通過實(shí)驗(yàn)比較，證明支持向量機(jī)集成可以獲得比單個(gè)支持向量機(jī)更好的性能。 自動(dòng)灌裝設(shè)備支持向量機(jī)集成的研究正在進(jìn)行中。集成中使用的支持向量機(jī)采用單一核函數(shù)。然而，使用單個(gè)核函數(shù)，電子秤由于支持向量機(jī)而具有良好的泛化性能。即使訓(xùn)練樣本集有很大差異，仍然很難確保各種支持向量機(jī)之間有足夠的差異。然而，分類器在集成中的差異越大，集成后的性能越好。支持向量機(jī)的核函數(shù)影響支持向量機(jī)的性能，但選擇合適的核函數(shù)及其參數(shù)仍然是一個(gè)難題。如果選擇了不合適的核函數(shù)或參數(shù)，支持向量機(jī)的性能并不理想，這也將影響集成分類性能。 自動(dòng)灌裝設(shè)備提出的多核函數(shù)支持向量機(jī)集成方法在訓(xùn)練支持向量機(jī)時(shí)可以采用多種核函數(shù)，使得構(gòu)建的支持向量機(jī)不僅具有良好的分類性能，而且保持了較大的差異，有利于保證支持向量機(jī)集成的優(yōu)異性能。 對(duì)于液體灌裝設(shè)備的非線性分類問題，支持向量機(jī)需要選擇核函數(shù)及其參數(shù)。在選擇核函數(shù)和參數(shù)時(shí)，通?？紤]減少支持向量機(jī)的分類誤差。然而，對(duì)于支持向量機(jī)集成，研究表明，當(dāng)使用集成方法時(shí)，分類器之間的差異越大，集成分類性能越好。如果只考慮減少支持向量機(jī)的分類誤差，則支持向量機(jī)之間的差異可能太小。與單個(gè)支持向量機(jī)相比，最終得到的支持向量機(jī)集成的性能提高很少甚至有所提高。 稱重灌裝設(shè)備的遺傳算法是模擬自然環(huán)境中生物體的遺傳和進(jìn)化過程而形成的自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。遺傳算法同時(shí)利用多個(gè)搜索點(diǎn)的信息，可以有效防止搜索陷入局部。本文采用一種改進(jìn)的遺傳算法來協(xié)調(diào)優(yōu)化支持向量機(jī)的參數(shù)。在保證每個(gè)支持向量機(jī)分類性能的同時(shí)，每個(gè)支持向量和L之間的差異盡可能大。 稱重灌裝設(shè)備用遺傳算法確定支持向量機(jī)的核函數(shù)和參數(shù)時(shí)，適應(yīng)度函數(shù)由分類誤差和與現(xiàn)有支持向量機(jī)的差異程度決定。適應(yīng)度函數(shù)的公式是: F=Ej^-VC)(14) 其中，左邊的常數(shù)和人類常數(shù)是分類誤差和差異程度。為了準(zhǔn)確確定稱重灌裝設(shè)備分級(jí)機(jī)的分類誤差，采用交叉驗(yàn)證方法。訓(xùn)練樣本全部被分成N組。防爆電子秤以組為測(cè)試樣本，其他Ml組為訓(xùn)練樣本，共同獲得這種情況下支持向量機(jī)的分類誤差。然后取第二組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，按照種方法再次測(cè)試?？偣策M(jìn)行n次測(cè)試后，將每次測(cè)試獲得的分類誤差平均值作為最終誤差。 對(duì)自動(dòng)灌裝設(shè)備進(jìn)行編碼時(shí)，采用實(shí)數(shù)編碼的編碼方法。Michalewica等人通過實(shí)驗(yàn)比較了二進(jìn)制編碼和實(shí)數(shù)編碼的性能。結(jié)果表明，實(shí)數(shù)編碼在收斂速度和收斂精度上都有很好的表現(xiàn)。 其中，F(xiàn)*是某個(gè)核函數(shù)的參數(shù)，KN是另一個(gè)核函數(shù)的代碼。 當(dāng)充液設(shè)備產(chǎn)生代種群時(shí)，為了防止產(chǎn)生的個(gè)體過于集中在某一區(qū)域而影響遺傳算法的性能，可以采用分區(qū)產(chǎn)生個(gè)體的方法。假設(shè)種群大小為'，首先將數(shù)值范圍劃分為n個(gè)區(qū)間，然后在每個(gè)區(qū)間隨機(jī)生成'7V個(gè)體，最后由n個(gè)區(qū)間中生成的所有個(gè)體組成一個(gè)完整的種群。在選擇自動(dòng)灌裝設(shè)備的復(fù)制時(shí)，防爆電子秤首先根據(jù)適合度對(duì)各組進(jìn)行排序，然后選擇適合度的5%直接復(fù)制到下一代組，以確保更快地收斂到適合度較大的方向。其余95%是根據(jù)輪盤賭選擇方法復(fù)制的。換句話說，一個(gè)人此時(shí)被選中的概率與他的健康程度成正比。 當(dāng)自動(dòng)灌裝設(shè)備執(zhí)行交叉和變異操作時(shí)，它僅在通過輪盤選擇方法復(fù)制的群體中執(zhí)行。交叉時(shí)采用隨機(jī)匹配的方法。然而，交叉和概率是根據(jù)適應(yīng)度通過自適應(yīng)方法確定的。 液體灌裝設(shè)備在進(jìn)行變型操作時(shí)采用非均勻變型模式。該算子的結(jié)果與進(jìn)化代數(shù)密切相關(guān)，使得進(jìn)化初期變異范圍相對(duì)較大，隨著進(jìn)化代數(shù)的進(jìn)步，變異范圍越來越小，對(duì)進(jìn)化系統(tǒng)起到了微調(diào)的作用。 液體灌裝機(jī)由經(jīng)過交叉和變異操作的新一代組和5%的直接復(fù)制組組成。 自動(dòng)灌裝機(jī)遺傳算法的終止條件是，代和代的平均適用性之差小于一個(gè)較小的常數(shù)，為了防止進(jìn)化不終止，進(jìn)化代數(shù)的上限被限制為50。 4.3配料系統(tǒng)選擇集成方法 自動(dòng)灌裝機(jī)利用Boostrap方法從原始訓(xùn)練樣本集中生成N個(gè)訓(xùn)練樣本集和1個(gè)驗(yàn)證樣本集，然后通過上一節(jié)的方法進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化和訓(xùn)練支持向量機(jī)。配料系統(tǒng)中，工人首先將材料運(yùn)送到稱重車間，稱重完之后，再將材料手動(dòng)送到配料機(jī)上進(jìn)行配料，稱重車間使用了casgood稱重儀表進(jìn)行稱重，通過RS232口和工控主機(jī)相連，位于中控室的工控主機(jī)負(fù)責(zé)記錄稱重結(jié)果，顯示稱重?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)，控制人員可以在中控室通過控制電路手動(dòng)控制配料過程的起停。這種方式效率低下，同時(shí)，主機(jī)上運(yùn)行的是C語(yǔ)言開發(fā)的DOS程序，可擴(kuò)性差，人機(jī)交互困難，不能完成自動(dòng)配料的所有要求。為了提高生產(chǎn)率，降低成本，需要采用全自動(dòng)配料系統(tǒng)。新配料系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。以工控機(jī)為上位主機(jī)，以西門子PLC、變頻器和稱重儀表為下位從機(jī)。主機(jī)處于主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)對(duì)各從機(jī)的通信管理和控制，將工控機(jī)的RS-232異步通信口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與PLC相連，形成上、下位機(jī)通信的一個(gè)物理通道；將主機(jī)的另一個(gè)RS-232口和稱重儀表的通信口相連，構(gòu)成第二個(gè)物理通道。液體灌裝機(jī)上位機(jī)采用輪詢方式，逐個(gè)與從站通信。上位機(jī)把任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果傳送給PLC，在PLC進(jìn)行控制的過程中，上位機(jī)使用上位機(jī)連接命令監(jiān)視下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，實(shí)時(shí)讀取PLC的內(nèi)部狀態(tài)以及稱重儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上顯示。 經(jīng)過一系列支持向量機(jī)的訓(xùn)練，稱重灌裝機(jī)需要結(jié)合這些支持向量機(jī)來解決這個(gè)問題。文獻(xiàn)[6]證明了一些分類器的集成可以比所有分類器的集成表現(xiàn)得更好。也就是說，對(duì)于m個(gè)樣本，相應(yīng)的預(yù)期輸出稱為/2，{-1，1}，而積分是個(gè)/上位工控機(jī)提供人機(jī)交互界面，完成控制信息輸人、數(shù)據(jù)管理、進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等功能，上位機(jī)采用IPC810工控機(jī)，它的主要工作如下：工控主機(jī)首先根據(jù)操作人員的指令，讀取某個(gè)編號(hào)的配方，然后，根據(jù)配方中配料的比例及先后順序，向PLC發(fā)出開始配料的指令，使得PLC能夠起動(dòng)特定的變頻器。在配料過程中，工控主機(jī)以輪詢的方式，一方面實(shí)時(shí)讀取PLC的狀態(tài)字，了解PLC及PLC下級(jí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面實(shí)時(shí)讀取安裝在配料機(jī)上的稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)，按照配料策略，當(dāng)稱重接近配方中的設(shè)定值時(shí)，主機(jī)向PLC發(fā)出停止本次配料的指令。當(dāng)一個(gè)配方上的所有材料都配完后，整個(gè)配料過程暫停，等待操作人員的指令。 自動(dòng)灌裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性，操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定參數(shù)都可以實(shí)時(shí)送到PLC，PLC的主要工作有：①接收上位機(jī)發(fā)送來的命令，通過變頻器控制振動(dòng)電機(jī)的起、停和快慢；②將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，供工控機(jī)讀?。虎蹖⒆陨淼母鞣N狀態(tài)以狀態(tài)字的形式準(zhǔn)備好，共工控機(jī)實(shí)時(shí)讀取。 由每一個(gè)秤斗上安裝的三只重量稱重模塊測(cè)得毫伏級(jí)電信號(hào)，在HY-I型定值控制器中放大后，在稱重儀表中顯示重量值。稱重儀表設(shè)有手動(dòng)定值功能，使得在臨時(shí)手動(dòng)操作時(shí)稱重儀表直接控制裝料量。 經(jīng)稱重儀表放大后的0-5伏模擬信號(hào)被輸入到主機(jī)，主機(jī)啟動(dòng)后首入自檢程序，然后顯示主菜單，要求輸入設(shè)定值和上料順序等各種控制數(shù)據(jù)及設(shè)置初始化。自動(dòng)灌裝機(jī)上述過程結(jié)束后主機(jī)進(jìn)入循環(huán)控制狀態(tài)，計(jì)算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換舞把稱重儀表送來的0-5伏信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，并把采集到的重量值與終點(diǎn)值相比較，如果未達(dá)到終點(diǎn)值則通過開關(guān)量輸出器和中簡(jiǎn)繼電器控制電振給料器裝著。 多物料配料系統(tǒng)可靠性高,配料精度高、速度快,滿足了產(chǎn)品對(duì)配料系統(tǒng)的要求,以及多物料配料控制器的選擇。多物料配料系統(tǒng)由配料器、稱重模塊、儀用放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)、顯示及接口等部分組成.稱重模塊的輸出是一個(gè)隨負(fù)載變化的共模電壓信號(hào)。放大器是由三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀用放大器,它具有很高的共模抑制比,能將共模部分濾去。稱重模塊的輸出信號(hào)經(jīng)放大后,就可得到一個(gè)大小與負(fù)載成正比的差模電壓信號(hào),這個(gè)電壓信號(hào)反應(yīng)了稱重模塊所承載荷的大小。防爆電子秤A/D轉(zhuǎn)換器將這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。本配料系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地完成物料稱重、顯示、控制等功能。本配料系統(tǒng)能控制四種物料配比。兩種下料裝置,另兩種與此一樣,M1、M2作物料的粗給料,M′1、M′2為細(xì)給料。其動(dòng)作完成由接口板控制執(zhí)行元件(如電磁閥等)完成。稱重終端系統(tǒng)顯示可分主顯示和副顯示兩部分。主顯示由六個(gè)21mm綠色高亮數(shù)碼管構(gòu)成,副顯示由兩個(gè)13mm綠色高亮數(shù)碼管構(gòu)成。自動(dòng)灌裝機(jī)在標(biāo)定時(shí),主顯示顯示有關(guān)標(biāo)定信息和物料重量,副顯示顯示物料序號(hào)。發(fā)光二極管分別表示穩(wěn)定、大投、小投、暫停、啟動(dòng)、計(jì)量單位顯示(g、Kg)等信息。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用粗、細(xì)給料同時(shí)進(jìn)行。在給料到設(shè)定值的70%左右時(shí),粗給料停止加料,剩余部分由細(xì)給料完成。這樣不僅調(diào)試方便,而且有利于提高工作速度,又有利于控制精度。在動(dòng)態(tài)時(shí),本配料系統(tǒng)精度可優(yōu)于0.2%,靜態(tài)精度可達(dá)0.05%。化工涂料自動(dòng)配料系統(tǒng)軟件部分是針對(duì)配料工段進(jìn)行監(jiān)控和自動(dòng)化配料而設(shè)計(jì)開發(fā)的可視化電腦操作系統(tǒng)。具有操作簡(jiǎn)單方便、可靠性強(qiáng)、人機(jī)界面友好、功能完備等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于飼料、糧食、制藥、冶金、化工等需要電腦自動(dòng)配料的行業(yè),智能化信息化水平高：PLC處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，采樣速率快速穩(wěn)定，配料工藝可滿足工藝要求配料；智能化控制配料時(shí)間，配料各秤之間無任何等待，使得配料周期縮短，提高配料速度和產(chǎn)量。自動(dòng)配料系統(tǒng)均勻性，各骨料放料時(shí)采用變頻器控制放料速度使的各骨料在相等的時(shí)間內(nèi)放完，保證了配料的均勻性。稱重終端上位機(jī)具有配方庫(kù)管理功能；智能報(bào)表軟件為生產(chǎn)管理提供大量數(shù)據(jù)信息，如配料結(jié)果列表、原材料消耗列表、生產(chǎn)量列表、配方使用結(jié)果記錄等，可按時(shí)間、配方等生產(chǎn)班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)等統(tǒng)計(jì)及打印功能。同時(shí)提供兩種用戶自定義報(bào)表組件，一種是采用水晶報(bào)表進(jìn)行二次設(shè)計(jì)；另外一種是把數(shù)據(jù)無縫嵌入到EXCEL報(bào)表中。另外，配料系統(tǒng)可與其他管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，滿足深層次的數(shù)據(jù)分析要求。防爆電子秤上位將每次運(yùn)行各路的累計(jì)量、配比、運(yùn)行起止時(shí)間等參數(shù)存儲(chǔ)，以便查詢。同時(shí)具有如下特點(diǎn)：上位機(jī)軟件設(shè)置運(yùn)行密碼和重要參數(shù)密碼修改保護(hù)，且用戶實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理，可任意定義人員的權(quán)限。自動(dòng)配料系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖形顯示生產(chǎn)流程和文本顯示生產(chǎn)過程，方便操作員操作。 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