多頭秤的稱重控制器
作者：Smartweigh多頭配重器
1. 多頭秤稱重控制器組成及技術參數 多頭秤是一種常用的線上動態稱重系統，主要由輸送帶、托架、篩選設備、稱重控制器、淨重設定設備等組成，具有自動識別、動態測量驗證等特性。工作時，無需人工控制，輸送帶會自動將待稱重的原材料送至托架，稱重平台兩側的兩個光學檢測組件會識別待稱重原材料的位置，並根據預設的淨重設定範圍進行篩分。為了更好地根據輸送帶的速度保持待稱重原料在秤上的穩定，稱重控制面板應具備快速、準確、可靠的功能。
此稱重控制器用於控制硫化橡膠領域胎面壓力測試組的胎面多頭稱重機。它主要由51台單晶片組成的自動控制系統、前級擴大機、設定裝置、篩選結果顯示燈、電子計數器、影印機、開關電源等組成。其基本原理架構如圖1所示。
前級擴大機放大工作壓力感測器輸出的毫伏級資料訊號，將其轉換為差分訊號，並發送至CS-51單晶片自動控制系統進行資料處理。系統將淨重值與設定範圍進行比較，比較結果透過顯示燈的亮滅顯示資訊、電子計數器計數以及啟動影印機記錄生產資料資訊來得出。稱重控制器具有兩種工作模式：運作模式和校準模式。選擇校準模式時，系統將輸入靜態資料並正常顯示資訊。
此時，將待稱重物放置於稱重平台上，控制面板將顯示待稱重物的淨重，並可對秤進行校正。選擇操作方式後，稱重控制器將進入動態稱重篩選操作。此時，稱重控制器將偵測稱重平台兩側待稱重部件的光學資料訊號，識別出履帶部件，並執行動態稱重篩選操作。
在我國，多頭秤所使用的稱重控制器大多為進口產品，而國內自主研發的產品大多是在通用稱重顯示器的基礎上發展而來。淨重篩選等級是透過鍵盤輸入的。在正常情況下，實際操作人員無法看到預設值，影像品質差，調整也不方便。我們自主研發的稱重控制器仿照國外產品，在控制板的控制面板上設置了四個四位元撥碼開關來設定淨重篩選範圍。這四個撥碼開關可依加工流程細分為五個淨重等級（見圖2）。
四位數資料的前兩位代表整數，後兩位代表小數。在動態稱重篩選的整個過程中，預設值可隨時調整。在控制面板上為每個淨重設定對應的顯示燈和計數器。
實際操作人員可根據淨重誤差上限和下限的趨勢分析，立即調整胎面擠出入口的工作壓力，進而控制胎面的淨重。這種方式非常直覺便捷。六個六位數暫存器分別記錄合格稱重、上限誤差、下限誤差、上限偏差、下限偏差、產量（包括合格品、上限誤差和下限誤差）等數據資訊。
它配備影印功能，可複印諸如產量等數據和信息，方便生產車間管理。對於偏差過大或過小的不合格產品，篩分設備會自動啟動剔除，並發出警報提醒操作人員注意。稱重控制器不僅具備動態稱重和篩選功能，還具備零點自動追蹤、去皮、清零等功能，是一款高精度通用顯示儀表。
其主要效能參數如下：顯示器：四位七段LED數位管；顯示器解析度：3億以上；感測器支援開關電源：DC15V；1個16位元印表機介面；工作溫度：10-40℃；電源系統開關電源：AC380V/5Hz。其次，軟體開發。手機軟體的所有系統軟體均分為後台運作和前台程式流程。複製、資料處理方法、淨重篩選和識別等不太實用的內容分配給後台運行；而收集、定時執行等更實用的內容則分配給前台運行。軟體開發採用模組化設計結構，根據日常任務劃分為多個程式模組，以便於調整、擴展和移植。
圖3所示為原始程式的簡化框架圖。為了進行靜態資料加權和動態篩選加權，程式流程主要包括功能分析和抗干擾設計。以下分別進行詳細描述。
1. 功能分析 手機軟體的功能分析主要在於設計各種程式模組，並根據這些程式模組執行各種必要的日常任務。在本程式流程中，手機軟體執行的關鍵功能可能包括：零點自動追蹤；剝離；零點校準；資料收集；定時執行；讀取按鍵並進行設定；操作/檢查轉換；複製；根據操作方法解鎖顯示的資訊值；在系統監控程式的管理下，該程式模組根據預定的實施方案執行靜態資料稱重或動態篩選稱重。
2. 抗干擾設計方案 由於多頭秤工作於工業生產的自然環境中，現場存在各種幹擾因素，危及秤的正常工作。因此，除了硬體配置的抗干擾對策外，作為第二道防線的手機軟體抗干擾對策也至關重要且不可或缺。完善的系統軟體不僅要進行功能分析，還要製定抗干擾設計方案，以提高系統軟體的可靠性。
系統軟體針對手機軟體選擇了以下兩種抗干擾對策：（1）類比訊號I/O安全通道的抗干擾電磁幹擾大多呈現毛邊狀，且作用時間較短。根據此特性，在採集淨權重資料訊號時，可以連續採集多次，直到兩次連續採集的結果完全一致，此資料訊號才算合理。如果多次採集後資料訊號仍不一致，則捨棄目前擷取的資料訊號。
每次採集的最大頻率限制以及連續相同頻率的採集次數可依具體需求進行調整。本程序流程中最大採集次數為4次，連續採集2次也是合理的。對於輸出安全通道，即使MCU設計為取得正確的輸出資料訊息，輸出設備仍可能因外部因素影響而取得錯誤資料資訊。
在手機軟體方面，較為合理的抗干擾對策是重複輸出相同的資料資訊。重複週期盡可能短，使得外圍設備在收到受影響的錯誤報告後無法及時做出合理回應，此時相應的輸出訊息內容已再次到達。這樣就能立即避免出現錯誤姿態。
在此程式流程中，輸出被置於定時執行中斷中，可以合理地避免輸出錯誤操作。 (2) 數位濾波針對的是採集到的淨權重資料訊號，該訊號往往受到任意因素的影響，因此需要從資料資訊序列乘積中提取出接近資料點真實值的資料訊息，從而獲得高度真實的結果。在手機軟體中，常用的方法就是數位濾波。
此程式流程分為靜態資料稱重和動態篩選稱重兩部分。由於稱重方式不同，所採用的數位濾波方法也不同。兩種稱重方式分別採用的數位濾波方法如下所示。
¹靜態資料稱重：靜態資料稱重的關鍵在於系統軟體的可靠性和精度。必須考慮穩定條件下顯示訊息的相對穩定性以及載入過程中的快速反應。因此，首先應進行擷取資料資訊的可靠性識別，然後再進行數位濾波處理。
在數位濾波過程中，為了提高實際濾波效果，選用移動平均濾波技術。具體方法如下：每次採樣時，先剔除最早的資料資訊之一，然後將本次採樣值與先前多次採樣值取平均值，以獲得每次採樣的合理值。因此，該方法提高了系統軟體的可用性。
取樣頻率N的選擇對濾波的實際效果影響很大。 N值越大，實際效果越好，但會危及系統軟體的動態反應。在本稱重控制器中，為了提高系統軟體的可靠性和快速響應能力，在系統穩定時N值為32，在系統不穩定時N值為8。
由於選擇了合理的濾波方法，系統軟體的可靠性、精度及其負載響應時間得到了進一步提高。動態篩選稱重：在動態篩選稱重過程中，物料快速落到稱重平台上。物料在1.5秒內到達秤台，因此必須在1秒內完成取樣。
這樣一來，取樣頻率就受到了限制。此外，由於履帶在快速調整到稱重平台時會產生一定的振動，這會影響採樣值。因此，考慮哪些數據資訊有效以及選擇何種數位濾波技術來抑制強烈的電磁幹擾危害至關重要。
根據具體觀察，多頭秤的稱重資料訊號波形如圖5所示。圖中，從履帶到達稱重平台到離開稱重平台的過程分為三個階段：第一階段為時間t，即履帶到達稱重平台到完全進入稱重平台的整個過程，此時淨重數據訊號為零。第二階段為第九階段，此時履帶完全進入稱重平台，階段為稱重階段。第三階段為時間t，即履帶離開稱重平台的整個過程，此時淨重資料訊號緩慢下降至零。
在九個稱重段的起始和結束位置，稱重資料訊號受到的影響相對較大。在山地段，即履帶位於稱重平台中間位置時，稱重資料訊號相對穩定。因此，選擇Δt時間範圍的資料資訊較為理想。
使用放置好的秤走到光電開關末端，啟動稱重控制器接收動態採樣資料訊息，並在規定時間內進行採樣。取樣頻率N與取樣率相關，取樣速度越快，擷取頻率N越高。光電開關的安裝必須確保所擷取的視覺資料是待稱重物體位於維泰山市時的資料資訊。
由於所擷取的N個資料資訊皆受不同因素影響，因此需要選擇合理的濾波方法才能獲得胎面淨重的真實值。本程式選擇複合濾波技術，即將兩種或兩種以上數位濾波方法結合應用，以彌補單一濾波方法無法達到的效果，進而提高濾波的實際效果。此處選擇最大值濾波法和算術平均濾波法結合的濾波方法。
去極大值濾波首先去除顯著的單脈衝影響值，並且不進行平均值計算，從而使均值濾波的輸出值更接近真實值。最佳化演算法的基本原理如下：持續採樣N次，累加並求和，找出其中的最大值和最小值，然後從累加值中減去最大值和最小值，並根據N個採樣值計算一到兩個採樣值的均值，即得到一個合理的採樣值。複合濾波流程圖如圖5所示的稱重資料訊號波形圖所示。從踏板到達稱重平台到離開，分為三個環節：第一階段為時間t段，即踏板到達稱重平台的時間。從踏板到達平台到完全離開稱重平台的整個過程中，淨重數據訊號在此期間緩慢上升；第二階段是時間段 9，踏板完全位於秤台上，此階段為稱重階段；第三階段是時間 t。
該段是指履帶離開稱重平台的整個過程，在此期間，淨重資料訊號緩慢下降至零。在九個稱重段的起始和結束位置，稱重資料訊號受到的影響相對較大。在“山峰段”，即履帶位於稱重平台中間位置時，稱重數據訊號相對穩定。
因此，選擇Δt時間段的資料資訊較為理想。利用放置的秤走到光電開關末端，啟動稱重控制器接收動態採樣資料訊息，並在Δt時間段內進行採樣。取樣頻率N與取樣率相關，取樣速度越快，擷取到的頻率N越高。
安裝光電開關時必須確保公式中採集值的算術平均值為 N，其中 N 為兩次取樣值的算術平均值；w 為第 i 個取樣值；N 為取樣頻率。為了方便計算，取樣頻率通常選擇為 6、10、18 等，例如 2 的整數次方（即 2 加 2），這樣便於使用移位運算而非除法運算。在本程式流程中，解決方案是在採樣過程中選擇的，因此無需在標尺 AM 中開發資料資訊儲存區域。
經過數位濾波後得到W值，再進行剝離、平均誤差轉換等資料處理，得到胎面淨重值，用來顯示資訊、辨識和複製。當第二個光電開關偵測到胎面完全離開稱重平台後，啟動零點追蹤組裝器，選擇大樣本並進行拖曳平均濾波，自動去除皮重，為下一個胎面的到來做好準備。 3. 結論 此稱重控制器功能完善，抗干擾能力強，不僅適用於硫化橡膠領域的胎面篩選作業，也適用於雞蛋、硬幣、牲畜、工業生產線等各種多頭秤的運作。
目前，我國部分廠商引進的多頭秤已使用超過十年，部分稱重控制器已無法正常運作，亟需更換。此外，還有一些廠商仍在使用腳踏式多頭秤，這種秤對於生產製造而言並非必要。因此，稱重控制器在當今具有極高的市場推廣價值。
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