在線稱重的發展史
發布于:2019/4/11 11:05:04    點擊量:次    

1.1 在線稱重的發展史

1.1.1在線稱重系統概述


  在線稱重系統主要用以測量生產線上產品重量,并且不影響其加工過程以及后續的傳送、分揀、調運和儲存工作,包括各種傳送帶、自動導引部件及專用起吊運送機等,它被普遍應用于企業生產過程,是一個不可缺少的部分。在生產過程中采用動態稱重不僅可以有效地提高企業生產效率,還可以為生產管理的信息化和智能化提供實時的數據。

  現在,隨著工農業發展,在線稱重技術的需求也在逐漸增加,稱重設備不再是僅僅提供數據的單體,而是控制系統的一個重要組成部分,實現工農業的機械化和自動化。

  所謂在線稱重,就是實時測量在連續運行機構上傳輸物料的重量,而在工農業生產中應用zui為普遍的是皮帶秤,主要用于散裝物的運輸、加工和儲存等[1-4]。目前國內外科學技術迅速發展,過去的機械杠桿秤已不能滿足生產自動化的要求,尤其近年來,電子技術和計算機技術的快速發展,使得稱重裝置正在向著數字化、智能化方向發展,快速、準確、方便、誤差小、多功能化已經成為現代稱重技術的發展趨勢。

國內目前主要有電子皮帶秤、機械皮帶秤和核子皮帶秤。電子皮帶秤工作原理是利用物料對皮帶秤產生的壓力來進行測量,但電子皮帶秤你稱量精度不高,往往會因為皮帶張力、松弛、跑偏等因素影響zui終的稱重結果。機械皮帶秤是是通過機械傳動比隨物料載荷變化來測量重量,其缺點是精度、靈敏度低,測量信號不能遠距離傳輸。核子皮帶秤是通過物料對射線的吸收來測量重量,是非接觸式測量,其缺點是測量時物料的形狀會對結果產生影響,而且只能用于測量一種物料,載荷的變化率不能太大,同時放射性物質會對人和環境都會有一定的危害,不適合應用于食品工業中。目前國內,電子皮帶秤被廣泛應用于工農業中,主要分為兩種,一種是稱重給料機,控制輸送流量;另一種是輸送機皮帶秤,累計輸送物料。目前國內使用皮帶秤的稱量準確度等級為0.5%,而核子秤的稱量準確度比皮帶秤的的要更高,如表1-1所示。

表1-1相對誤差對比

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

皮帶秤/t

191.5

189.2

187.3

190.0

相對誤差/%

-0.3

0.8

1.0

0.3


    據國外的資料記載,世界生產的產品有60%以上是需要稱重計量,而普通方法在整個稱重過程中,往往要反復進行稱重,平均要達4次之多,可見在線稱重在國民經濟中的意義和重要性。


1.1.2皮帶秤設備的歷史現狀

  皮帶秤是一種應用在流水線生產上進行稱重的設備,它的特點是在輸送過程中就可以對所輸送的物品進行稱重,目前常被應用于產品定量包裝行業。在實際生產過程中,它可以大大提高生產效率、節省成本、減少勞動力進而帶來更大的利益,提高了生產的自動化程度[5-7]。

  我國從五十年代開始研制皮帶秤,但是精度、靈敏度都很低。從六十年代開始研制電子皮帶秤,至今國內皮帶秤已廣泛應用,如機械皮帶秤、核子皮帶秤、轉子秤等,近幾年,中國市場不斷擴大,外資企業也不斷進入并帶來了先jin的稱重計量技術,推動了我國加工工業的發展[8-12]。

但與國外電子皮帶秤相比,還是存在著一定的差距,主要表現在以下幾個方面:

  (1)基礎理論研究存在差距。國外較早時期就開始研究電子方面開發,在這些方面已經有良好的理論基礎;而國內在這方面起步較晚,相對落后。

  (2)制造工藝及制造技術存在差距。國外重視制造工藝及技術的研制開發并且有著先jin的技術,對于產品的工業設計方面也處于ling先地位;相比起來,國內制造業已有了一定發展,但技術依然相對落后,只有少數企業較先jin的制造設備。

  (3)產品技術方面存在差距。國外在這些領域都擁有很多知識產權,技術非常成熟;相比之下,我國在大多數技術方面都比較落后,高檔次、高技術的產品比較少。

1.2在線稱重的發展趨勢

   近幾年,隨著自動化控制和傳感器技術的快速發展,稱重技術已經有了質的飛躍,尤其是在動態稱重系統和在線測量中起了不可替代的作用,另外在動態模型的建立、智能控制、神經網絡等也有廣泛應用,在國外發達國家,對動態精密測量技術有進一步突破,使在線稱重已步入高技術產業。

目前,在線稱重技術的主要發展趨勢為:

(1)小型化

新研制的在線稱重系統都具有體積小、重量輕的特點,并且這些特點已成為未來在線稱重系統發展的主要方向。

(2)模塊化

目前,在線稱重系統已開始將稱重模塊進行標準化,這樣經過一定組合,就可產生新的產品。模塊標準化一方面使產品實用性和可靠性有所提高,同時且也使企業生產效率進一步提高,另一方面可降低企業生產成本和工人勞動強度,從而增強企業在同行業的競爭能力。

(3)集成化

對于某些特殊產品,將稱重秤體和稱重傳感器結合在一起,這樣可以大大縮小產品的體積和重量,如專用秤、汽車靜態電子秤。

(4)智能化

將在線稱重裝置與計算機結合,通過計算機來實現對在線稱重裝置的顯示和控制,這樣使產品增加判斷、適應、自診斷等功能,從而實現智能化控制。

1.3在線稱重系統存在的問題

    在線稱重系統由稱重裝置和數據處理儀表組成,它們之間通過通信傳送數據。稱重裝置主要由數字化稱重傳感器、控制系統、信號放大電路、A/D轉換電路等組成,主要用于信號采集,數據處理儀表主要由通信設備、顯示設備、CAN總線、輸入輸出系統等組成,主要用于數據處理、存儲和顯示。

    目前在線稱重系統在測量精度方面主要存在以下幾個方面的問題:

    (1)在線稱重測量誤差:在線稱重過程中,稱重傳感器起到不可替代的作用,尤其是在智能化控制狀態下,稱重傳感器的直接或間接數字化已必不可少,此時不確定度和稱重速度往往難以平衡。 

    (2)在線稱重模型誤差:在線稱重時輸送帶本身仍無法克服由于接觸式的測量方式和運行的環境對系統稱量精度的嚴重影響。如輸送帶在運轉中的抖動、跑偏、皮帶張力變化、環境溫度、濕度都可能成為影響皮帶秤測量準確性的重要因素。 

    (3)在線稱重信號傳遞誤差:目前國內應用比較廣泛的是傳統的模擬式傳感器,模擬信號的輸出較小,當信號經A/D轉換電路轉換時會產生傳遞誤差,從而對稱重結果產生一定影響。 

    針對上述在線稱重系統中存在的問題,一般有如下解決方法: 

    (1)在線稱重測量誤差可通過提高稱重傳感器的精度,對輸送帶的裝置進行改進以及對稱重傳感器的調試,為解決在線稱重測量中不確定度和稱重速度問題,通常在稱重測量時先jin行粗稱,然后再精稱[13-14]。所謂粗稱,就是開始稱重測量時快速并大量給料,以縮短稱重測量時間,當達到定量的90%時,進入精稱,此時減慢給料速度以提高精度。 

    (2)因在線稱重模型誤差,許多地方無法進行準確稱量,為此人們不斷從以下兩個方面進行研究,一方面是研究無接觸類型的皮帶秤,如核子秤,另一方面不斷研究和總結,使在線稱重精度不斷提高。 

    (3)在線稱重信號傳遞誤差,國內外研究人員一直進行大量的科學研究,希望能夠通過改善稱重傳感器的整體性能來減小信號傳遞誤差,尤其是通過外界的一些補償方法,比如非線性補償、滯后補償、蠕變補償、靈敏度溫度補償,目前應用廣泛的數字補償技術就可以很好的解決信號傳遞誤差問題,它能將接收的信號更好的輸出,比普通傳感器的輸出信號要高幾十倍甚至更高[15-18]。 

1.4在線稱重關鍵技術

1.4.1傳感器

    目前,我國已進入信息時代,人們的生活與信息化緊密聯系在一起,而傳感器作為一種檢測裝置,是自動檢測和自動控制的重要部件,它能接受測量信息并按人們需求將檢測信號轉變成電信號或者其他信號輸出,以滿足后續步驟的進行,所以傳感器在信息化時代的作用和地位是特別重要。所以在新世紀,傳感器技術的研究已被國內外高度重視。

    傳感器是一種將測量信號按一定需求轉變成電信號或者其他信號的裝置,主要是由轉換元件和感應元件組成[19-21]。其中,所謂轉換元件是將測量信號轉換為可用信號輸出;而感應元件是指傳感器感應測量信號的輸入。

    國內外科學領域,傳感器技術已被廣泛應用,無論傳感器的外形、重量如何變化,它的工作原理始終保持不變即將非電量轉換成電量。并且未來傳感器技術發展的主要方向是利用新材料和新加工方法,實現傳感器的集成化與智能化。

    傳感器工作時將非電量轉換成電量,主要是通過化學反應、物理反應以及生物效應來實現,所以發現新規律是研究傳感器技術的側重點。

2、開發新材料

加工傳感器的材料在很大程度上決定傳感器重量、攜帶是否方便的重要因素,

隨著科學的進步,科研人員將加入許多材料,然后通過改變加工工藝以及材料混合比,以生產出各種規格的傳感器。

3、智能傳感器

所謂智能傳感器就是在加工過程中嵌入一個微型處理器,使它具有檢測和處理數據等功能[22]。

4、航天傳感器研究

傳感器在航天事業中已被廣泛使用,它對各種數據信號進行良好的檢測與處理,是保證航天器正常工作的重要部件。由于在航天器上的特殊應用,對這類傳感器有著更的要求,應該具有耐高溫、高精度、可靠性好等特點,為了滿足這些要求,必須采用新原理、新技術研制出新型的航天傳感器。

1.4.2分揀系統技術

    近幾年,人們生活水平提高,貨品品種也在不斷增多,這也大大增加了配送中心的壓力,同時效率比較低的人力分揀作業已經逐漸被自動分揀所取代,尤其在物流、煙草、藥業等行業更加突出。隨著自動分揀技術的逐漸成熟,其生產規模、分揀效率都在不斷提高,應用更為普及。

    分揀系統可按照人們的要求將所需貨品準確配送到指定的位置,主要是由指令信號接收裝置、配送裝置、分揀裝置等組成。通過上述裝置分揀系統即可實現分揀作業。操作人員只需要通過外部輸入裝置將指令信號輸入到接收裝置,然后分揀系統就會按指令要求完成后續動作,這樣可以減小人工勞動力并提高企業效率。

目前,國內應用比較多的是傳統分揀方式和自動分揀方式,所謂傳統分揀方式即人工分揀和機械分揀,人工分揀主要是靠人力來完成分揀作業,或者利用一些工具來進行分揀作業,這種工作方式一方面勞動強度大,節奏會逐漸降低,另一方面分揀效率低;而機械分揀直到上個世紀才被應用,主要是通過輸送帶將要分揀的貨品送到指定位置,然后再靠人工來完成分揀作業,這種工作方式相比人工分揀可降低勞動強度,同時也可有效提高分揀效率。但不管是人工分揀還是機械分揀,都很難滿足當前分揀作業,一方面這些分揀方式的成本較高,且分揀過程中出錯率較高,一旦出錯企業需要返工這樣就降低生產效率;另一方面傳統分揀方式會浪費大量時間、人力和物力,并且所需的時間占物流中心作業時間的40%[23-25]。

    為此,想要提高分揀效率,分揀方式是首要考慮因素,它在很大程度上決定了分揀效率的高低,世界各國的大型加工中心都十分注重發展先jin的自動分揀技術和設備。

    在信息化時代,科技快速發展,分揀系統也不在是單一的設備,而是將自動化機械設備、計算機控制和信息化技術結合在一起,形成一個更加完善的系統。目前國內所應用的分揀系統,有少數操作還是需要人工來完成,但與以前分揀作業相比強度已小了很多,未來分揀系統發展趨勢必然是能夠完全自動化作業,不在需要人工參與,將機械化、自動化和智能化更加完美的結合在一起。在國外發達國家,分揀系統的自動化程度很高,往往只需要工作人員進貨、出貨、操作控制與維護機器等,這種高自動化分揀系統的廣泛應用,讓國外企業減少人員使用,降低生產成本,提高作業效率,因此國外科研人員非常重視自動化應用。

    在21世紀,分揀系統分揀能力已大大提高,大多數分揀系統都可以完成幾十個貨品的分揀作業,其中還有部分分揀系統可以完成幾百個甚至上千種貨品,尤其在國外,分揀系統一方面有自身的組成部分,如自動分揀機、控制系統和信號輸送系統等;另一方面還要與外部運輸、裝卸機構相結合,如傳送帶、自動導引小車(AGV)和自動化倉庫等,從而形成一個完整的流水線作業。

    就國外一些知名企業來說,比如資生堂、宅急送、唱片公司等都已廣泛應用自動分揀系統。國外專業人士認為,針對當前物流行業形式,物流公司主要通過自動分揀機、立體倉庫和自動導引車(AGV)來完成分揀作業,而國內,與國外相比,在分揀系統這一方面明顯落后于發達國家,絕大多數物流公司還是需要大量工作人員來完成日常分揀作業,然而隨著物流貨品的增加,僅僅依靠人工很難完成大量貨品的分揀,直到21世紀,電子標簽、自動導引車(AGV)等才被不斷應用于物流行業,使得國內物流行業逐漸向國際化發展。

限制國內分揀系統發展的因素有許多,一方面,比如貨品包裝沒有貼條形碼、外包裝沒有標準化都會影響分揀作業,使分揀效率降低;另外,由于一家公司或企業往往無法左右整個行業的進展,一些大企業傾向于開發適合自己業務特點的系統,這以進一步造成了實際中接口障礙。另一方面,自動化程度高的分揀系統價格昂貴,多數企業沒有足夠資金購買。

1.5本文所做的研究工作 

    本文的研究內容是對在線稱重系統的研究,研究的目的是提出一種新的在線稱重模型,這個模型是根據質量進行一次分揀,然后再按一定方式組合稱重,從而達到zui終定量標準,其主要研究內容包括以下幾個方面: 

    1、在線稱重模型的總體設計,主要包括稱重方法的提出、分揀實施過程和實驗驗證。這個方案是提高在線生產效率的影響因素之一,直接關系企業效益,因些,在線稱重方案是研究的核心問題。 

    2、基于MATLAB軟件仿真實驗。主要包括軟件仿真實驗前提條件的假設,根據實際調研建立數學模型,并編寫實驗程序對在線稱重方案進行驗證,并利用MATLAB自帶的Simulink對其進行仿真。實驗結果證明,在線稱重方案是具有可行性的。

3、在線稱重系統的研究與設計。主要包括稱重系統的軟件和硬件的研究與設計,以89C51單片機為核心,開發基于組合分揀的非規則冷凍水產品在線稱重系統,編寫程序利用單片機中系統進行分揀實驗。


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