在线称重的发展史
发布于:2019/4/11 11:05:04    点击量:次    

1.1 在线称重的发展史

1.1.1在线称重系统概述


  在线称重系统主要用以测量生产线上产品重量,并且不影响其加工过程以及后续的传送、分拣、调运和储存工作,包括各种传送带、自动导引部件及专用起吊运送机等,它被普遍应用于企业生产过程,是一个不可缺少的部分。在生产过程中采用动态称重不仅可以有效地提高企业生产效率,还可以为生产管理的信息化和智能化提供实时的数据。

  现在,随着工农业发展,在线称重技术的需求也在逐渐增加,称重设备不再是仅仅提供数据的单体,而是控制系统的一个重要组成部分,实现工农业的机械化和自动化。

  所谓在线称重,就是实时测量在连续运行机构上传输物料的重量,而在工农业生产中应用zui为普遍的是皮带秤,主要用于散装物的运输、加工和储存等[1-4]。目前国内外科学技术迅速发展,过去的机械杠杆秤已不能满足生产自动化的要求,尤其近年来,电子技术和计算机技术的快速发展,使得称重装置正在向着数字化、智能化方向发展,快速、准确、方便、误差小、多功能化已经成为现代称重技术的发展趋势。

国内目前主要有电子皮带秤、机械皮带秤和核子皮带秤。电子皮带秤工作原理是利用物料对皮带秤产生的压力来进行测量,但电子皮带秤你称量精度不高,往往会因为皮带张力、松弛、跑偏等因素影响zui终的称重结果。机械皮带秤是是通过机械传动比随物料载荷变化来测量重量,其缺点是精度、灵敏度低,测量信号不能远距离传输。核子皮带秤是通过物料对射线的吸收来测量重量,是非接触式测量,其缺点是测量时物料的形状会对结果产生影响,而且只能用于测量一种物料,载荷的变化率不能太大,同时放射性物质会对人和环境都会有一定的危害,不适合应用于食品工业中。目前国内,电子皮带秤被广泛应用于工农业中,主要分为两种,一种是称重给料机,控制输送流量;另一种是输送机皮带秤,累计输送物料。目前国内使用皮带秤的称量准确度等级为0.5%,而核子秤的称量准确度比皮带秤的的要更高,如表1-1所示。

表1-1相对误差对比

Tab.1-1 Thecomparison of relative error


第1次

第2次

第3次

第4次

新方法/t

192.1

187.6

185.4

189.5

皮带秤/t

191.5

189.2

187.3

190.0

相对误差/%

-0.3

0.8

1.0

0.3


    据国外的资料记载,世界生产的产品有60%以上是需要称重计量,而普通方法在整个称重过程中,往往要反复进行称重,平均要达4次之多,可见在线称重在国民经济中的意义和重要性。


1.1.2皮带秤设备的历史现状

  皮带秤是一种应用在流水线生产上进行称重的设备,它的特点是在输送过程中就可以对所输送的物品进行称重,目前常被应用于产品定量包装行业。在实际生产过程中,它可以大大提高生产效率、节省成本、减少劳动力进而带来更大的利益,提高了生产的自动化程度[5-7]。

  我国从五十年代开始研制皮带秤,但是精度、灵敏度都很低。从六十年代开始研制电子皮带秤,至今国内皮带秤已广泛应用,如机械皮带秤、核子皮带秤、转子秤等,近几年,中国市场不断扩大,外资企业也不断进入并带来了先jin的称重计量技术,推动了我国加工工业的发展[8-12]。

但与国外电子皮带秤相比,还是存在着一定的差距,主要表现在以下几个方面:

  (1)基础理论研究存在差距。国外较早时期就开始研究电子方面开发,在这些方面已经有良好的理论基础;而国内在这方面起步较晚,相对落后。

  (2)制造工艺及制造技术存在差距。国外重视制造工艺及技术的研制开发并且有着先jin的技术,对于产品的工业设计方面也处于ling先地位;相比起来,国内制造业已有了一定发展,但技术依然相对落后,只有少数企业较先jin的制造设备。

  (3)产品技术方面存在差距。国外在这些领域都拥有很多知识产权,技术非常成熟;相比之下,我国在大多数技术方面都比较落后,高档次、高技术的产品比较少。

1.2在线称重的发展趋势

   近几年,随着自动化控制和传感器技术的快速发展,称重技术已经有了质的飞跃,尤其是在动态称重系统和在线测量中起了不可替代的作用,另外在动态模型的建立、智能控制、神经网络等也有广泛应用,在国外发达国家,对动态精密测量技术有进一步突破,使在线称重已步入高技术产业。

目前,在线称重技术的主要发展趋势为:

(1)小型化

新研制的在线称重系统都具有体积小、重量轻的特点,并且这些特点已成为未来在线称重系统发展的主要方向。

(2)模块化

目前,在线称重系统已开始将称重模块进行标准化,这样经过一定组合,就可产生新的产品。模块标准化一方面使产品实用性和可靠性有所提高,同时且也使企业生产效率进一步提高,另一方面可降低企业生产成本和工人劳动强度,从而增强企业在同行业的竞争能力。

(3)集成化

对于某些特殊产品,将称重秤体和称重传感器结合在一起,这样可以大大缩小产品的体积和重量,如专用秤、汽车静态电子秤。

(4)智能化

将在线称重装置与计算机结合,通过计算机来实现对在线称重装置的显示和控制,这样使产品增加判断、适应、自诊断等功能,从而实现智能化控制。

1.3在线称重系统存在的问题

    在线称重系统由称重装置和数据处理仪表组成,它们之间通过通信传送数据。称重装置主要由数字化称重传感器、控制系统、信号放大电路、A/D转换电路等组成,主要用于信号采集,数据处理仪表主要由通信设备、显示设备、CAN总线、输入输出系统等组成,主要用于数据处理、存储和显示。

    目前在线称重系统在测量精度方面主要存在以下几个方面的问题:

    (1)在线称重测量误差:在线称重过程中,称重传感器起到不可替代的作用,尤其是在智能化控制状态下,称重传感器的直接或间接数字化已必不可少,此时不确定度和称重速度往往难以平衡。 

    (2)在线称重模型误差:在线称重时输送带本身仍无法克服由于接触式的测量方式和运行的环境对系统称量精度的严重影响。如输送带在运转中的抖动、跑偏、皮带张力变化、环境温度、湿度都可能成为影响皮带秤测量准确性的重要因素。 

    (3)在线称重信号传递误差:目前国内应用比较广泛的是传统的模拟式传感器,模拟信号的输出较小,当信号经A/D转换电路转换时会产生传递误差,从而对称重结果产生一定影响。 

    针对上述在线称重系统中存在的问题,一般有如下解决方法: 

    (1)在线称重测量误差可通过提高称重传感器的精度,对输送带的装置进行改进以及对称重传感器的调试,为解决在线称重测量中不确定度和称重速度问题,通常在称重测量时先jin行粗称,然后再精称[13-14]。所谓粗称,就是开始称重测量时快速并大量给料,以缩短称重测量时间,当达到定量的90%时,进入精称,此时减慢给料速度以提高精度。 

    (2)因在线称重模型误差,许多地方无法进行准确称量,为此人们不断从以下两个方面进行研究,一方面是研究无接触类型的皮带秤,如核子秤,另一方面不断研究和总结,使在线称重精度不断提高。 

    (3)在线称重信号传递误差,国内外研究人员一直进行大量的科学研究,希望能够通过改善称重传感器的整体性能来减小信号传递误差,尤其是通过外界的一些补偿方法,比如非线性补偿、滞后补偿、蠕变补偿、灵敏度温度补偿,目前应用广泛的数字补偿技术就可以很好的解决信号传递误差问题,它能将接收的信号更好的输出,比普通传感器的输出信号要高几十倍甚至更高[15-18]。 

1.4在线称重关键技术

1.4.1传感器

    目前,我国已进入信息时代,人们的生活与信息化紧密联系在一起,而传感器作为一种检测装置,是自动检测和自动控制的重要部件,它能接受测量信息并按人们需求将检测信号转变成电信号或者其他信号输出,以满足后续步骤的进行,所以传感器在信息化时代的作用和地位是特别重要。所以在新世纪,传感器技术的研究已被国内外高度重视。

    传感器是一种将测量信号按一定需求转变成电信号或者其他信号的装置,主要是由转换元件和感应元件组成[19-21]。其中,所谓转换元件是将测量信号转换为可用信号输出;而感应元件是指传感器感应测量信号的输入。

    国内外科学领域,传感器技术已被广泛应用,无论传感器的外形、重量如何变化,它的工作原理始终保持不变即将非电量转换成电量。并且未来传感器技术发展的主要方向是利用新材料和新加工方法,实现传感器的集成化与智能化。

    传感器工作时将非电量转换成电量,主要是通过化学反应、物理反应以及生物效应来实现,所以发现新规律是研究传感器技术的侧重点。

2、开发新材料

加工传感器的材料在很大程度上决定传感器重量、携带是否方便的重要因素,

随着科学的进步,科研人员将加入许多材料,然后通过改变加工工艺以及材料混合比,以生产出各种规格的传感器。

3、智能传感器

所谓智能传感器就是在加工过程中嵌入一个微型处理器,使它具有检测和处理数据等功能[22]。

4、航天传感器研究

传感器在航天事业中已被广泛使用,它对各种数据信号进行良好的检测与处理,是保证航天器正常工作的重要部件。由于在航天器上的特殊应用,对这类传感器有着更的要求,应该具有耐高温、高精度、可靠性好等特点,为了满足这些要求,必须采用新原理、新技术研制出新型的航天传感器。

1.4.2分拣系统技术

    近几年,人们生活水平提高,货品品种也在不断增多,这也大大增加了配送中心的压力,同时效率比较低的人力分拣作业已经逐渐被自动分拣所取代,尤其在物流、烟草、药业等行业更加突出。随着自动分拣技术的逐渐成熟,其生产规模、分拣效率都在不断提高,应用更为普及。

    分拣系统可按照人们的要求将所需货品准确配送到指定的位置,主要是由指令信号接收装置、配送装置、分拣装置等组成。通过上述装置分拣系统即可实现分拣作业。操作人员只需要通过外部输入装置将指令信号输入到接收装置,然后分拣系统就会按指令要求完成后续动作,这样可以减小人工劳动力并提高企业效率。

目前,国内应用比较多的是传统分拣方式和自动分拣方式,所谓传统分拣方式即人工分拣和机械分拣,人工分拣主要是靠人力来完成分拣作业,或者利用一些工具来进行分拣作业,这种工作方式一方面劳动强度大,节奏会逐渐降低,另一方面分拣效率低;而机械分拣直到上个世纪才被应用,主要是通过输送带将要分拣的货品送到指定位置,然后再靠人工来完成分拣作业,这种工作方式相比人工分拣可降低劳动强度,同时也可有效提高分拣效率。但不管是人工分拣还是机械分拣,都很难满足当前分拣作业,一方面这些分拣方式的成本较高,且分拣过程中出错率较高,一旦出错企业需要返工这样就降低生产效率;另一方面传统分拣方式会浪费大量时间、人力和物力,并且所需的时间占物流中心作业时间的40%[23-25]。

    为此,想要提高分拣效率,分拣方式是首要考虑因素,它在很大程度上决定了分拣效率的高低,世界各国的大型加工中心都十分注重发展先jin的自动分拣技术和设备。

    在信息化时代,科技快速发展,分拣系统也不在是单一的设备,而是将自动化机械设备、计算机控制和信息化技术结合在一起,形成一个更加完善的系统。目前国内所应用的分拣系统,有少数操作还是需要人工来完成,但与以前分拣作业相比强度已小了很多,未来分拣系统发展趋势必然是能够完全自动化作业,不在需要人工参与,将机械化、自动化和智能化更加完美的结合在一起。在国外发达国家,分拣系统的自动化程度很高,往往只需要工作人员进货、出货、操作控制与维护机器等,这种高自动化分拣系统的广泛应用,让国外企业减少人员使用,降低生产成本,提高作业效率,因此国外科研人员非常重视自动化应用。

    在21世纪,分拣系统分拣能力已大大提高,大多数分拣系统都可以完成几十个货品的分拣作业,其中还有部分分拣系统可以完成几百个甚至上千种货品,尤其在国外,分拣系统一方面有自身的组成部分,如自动分拣机、控制系统和信号输送系统等;另一方面还要与外部运输、装卸机构相结合,如传送带、自动导引小车(AGV)和自动化仓库等,从而形成一个完整的流水线作业。

    就国外一些知名企业来说,比如资生堂、宅急送、唱片公司等都已广泛应用自动分拣系统。国外专业人士认为,针对当前物流行业形式,物流公司主要通过自动分拣机、立体仓库和自动导引车(AGV)来完成分拣作业,而国内,与国外相比,在分拣系统这一方面明显落后于发达国家,绝大多数物流公司还是需要大量工作人员来完成日常分拣作业,然而随着物流货品的增加,仅仅依靠人工很难完成大量货品的分拣,直到21世纪,电子标签、自动导引车(AGV)等才被不断应用于物流行业,使得国内物流行业逐渐向国际化发展。

限制国内分拣系统发展的因素有许多,一方面,比如货品包装没有贴条形码、外包装没有标准化都会影响分拣作业,使分拣效率降低;另外,由于一家公司或企业往往无法左右整个行业的进展,一些大企业倾向于开发适合自己业务特点的系统,这以进一步造成了实际中接口障碍。另一方面,自动化程度高的分拣系统价格昂贵,多数企业没有足够资金购买。

1.5本文所做的研究工作 

    本文的研究内容是对在线称重系统的研究,研究的目的是提出一种新的在线称重模型,这个模型是根据质量进行一次分拣,然后再按一定方式组合称重,从而达到zui终定量标准,其主要研究内容包括以下几个方面: 

    1、在线称重模型的总体设计,主要包括称重方法的提出、分拣实施过程和实验验证。这个方案是提高在线生产效率的影响因素之一,直接关系企业效益,因些,在线称重方案是研究的核心问题。 

    2、基于MATLAB软件仿真实验。主要包括软件仿真实验前提条件的假设,根据实际调研建立数学模型,并编写实验程序对在线称重方案进行验证,并利用MATLAB自带的Simulink对其进行仿真。实验结果证明,在线称重方案是具有可行性的。

3、在线称重系统的研究与设计。主要包括称重系统的软件和硬件的研究与设计,以89C51单片机为核心,开发基于组合分拣的非规则冷冻水产品在线称重系统,编写程序利用单片机中系统进行分拣实验。


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