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定量包裝秤的性能優(yōu)劣差別非常大。人們選購時，除了考慮功能、價格、品質(zhì)外，計量精度和包裝速度這兩個性能指標也是關注的重點。高精度，高速度的定量包裝秤可以滿足企業(yè)更高的產(chǎn)能，同時減少多給量帶來的原料浪費。所以如何提高定量包裝秤的精度和速度，一直是衡器設計者研究的課題。筆者結(jié)合多年設計定量包裝秤的經(jīng)驗，提出用軟件方法優(yōu)化定量包裝秤精度與速度之間的關系。
計量精度與包裝速度是相互制約的。計量精度的提高，通常要降低充填速度，特別是要減小慢加料的流速。反之，要想提高包裝速度，通常是以犧牲計量精度來換取的。既要高精度又要高
速度，一般是以增加硬件成本為代價。比如，采用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片、三級加料機構(gòu)或伺服無級加料機構(gòu)等。本文探討的是，在不增加硬件成本的基礎上，如何通過軟件控制方法，來提高定量包裝秤的精度和速度。
定量包裝秤的控制系統(tǒng)有兩種模式。一種是稱重儀表+PLC模式；另一種是嵌入程控器控制功能的稱重儀表。不論采取哪種方式，下面幾種軟件功能的設計，對提高定量包裝秤的速度及精度都有很大幫助。
一、采用復合式數(shù)字濾波方法
來自重量傳感器的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送微處理器，但由于定量包裝秤工作環(huán)境比較復雜，各種干擾信號疊加在模擬信號上，造成A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果往往會偏離重量的真實值。因此，一次采樣無法反映重量的真實值，必須連續(xù)進行多次采樣，得到一組數(shù)據(jù)，然后對這組數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，剔除誤差，得到一個與重量真實
值相近的結(jié)果。
稱重軟件常用的數(shù)字濾波方法有：限幅濾波、平均濾波、滑動平均濾波、加權(quán)平均濾波等。在這些濾波方法中，選取樣本數(shù)的大小直接影響重量信號的平滑度和靈敏性。樣本數(shù)小，信號的平
滑效果差，靜態(tài)時重量顯示值會跳動，不穩(wěn)定；樣本數(shù)大，信號的靈敏度下降，對重量的變化趨勢不敏感，反應滯后，在重量快速變化時，系統(tǒng)的實時性得不到保證。
對于定量包裝秤的稱重軟件，人們希望在填
充物料時，要對重量變化反應靈敏、跟蹤快速、實時性好，充填精度高。采用小樣本數(shù)非常適合這種動態(tài)稱重。而大樣本數(shù)使得重量信號平滑，顯示穩(wěn)定，適合靜態(tài)稱重。
在稱重軟件中如果采用單一的數(shù)字濾波方法和一個固定的樣本數(shù)很難兼顧動態(tài)實時性和靜態(tài)穩(wěn)定性的要求。為了解決動態(tài)與靜態(tài)對濾波結(jié)果要求不同的矛盾。圖1給出的是一種復合的濾波方法。它是將限幅濾波、平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動加權(quán)平均濾波相結(jié)合，并且在動態(tài)和靜態(tài)時，采用不同的樣本數(shù)，滿足不同稱重時期對濾波的要求。

1.對采樣值的首次濾波：限幅濾波。
采用限幅濾波，主要是對采樣值進行篩選，剔除因偶然因素引起的隨機干擾和脈沖干擾。限幅濾波的關鍵是選取合適的門限值Wmax，也就是相鄰兩次采樣值的最大差值。每次獲得的采樣值Wi和上次采樣值Wi-1進行比較，如果變化幅度△Wi小于等于門限值Wmax，則本次采樣值有效。如果變化幅度大于門限值Wmax，則認為是隨機干擾脈沖，本次采樣值無效并放棄，用上次采樣值代替本次采樣值。
│△Wi│≤WmaxWi    本次采樣值有效
│△Wi│>Wmax    Wi-1→Wi    用上次采樣值代替本次采樣值
△Wi=Wi-Wi-1
Wmax：相鄰兩次采樣所允許的最大差值Wi：第i次采樣值
Wi-1：第(i-1)次采樣值
2.第二次濾波：n次平均濾波。
連續(xù)進行n次采樣，用限幅濾波剔除異常值，得到一個數(shù)據(jù)序列。對這個數(shù)據(jù)序列采用平均濾波，得到濾波結(jié)果Wn。

采樣次數(shù)n的大小可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片的性能來確定，為便于微處理器運算，一般取4、8、16等的2的整數(shù)次冪。
3.第三次濾波：針對動態(tài)計量和靜態(tài)計量的特性，采用不同的數(shù)據(jù)處理方法。
動態(tài)計量和靜態(tài)計量對濾波結(jié)果要求是不同的，動態(tài)計量要求濾波時間短，動態(tài)實時性好；靜態(tài)計量希望大樣本多級濾波，能有效抑制系統(tǒng)靜態(tài)計量希望大樣本多級濾波，能有效抑制系統(tǒng)處理方法，很難使得動態(tài)、靜態(tài)都獲得理想的濾期波結(jié)果。為此在圖1中，第二次濾波（平均濾波）完成后，將稱重分為動態(tài)、動態(tài)到靜態(tài)和靜態(tài)三種狀態(tài)。針對不同的稱重狀態(tài)分別采用不同的數(shù)據(jù)處理。
要實現(xiàn)這種濾波方法，先要正確劃分三種稱重狀態(tài)。
包裝秤的工作狀態(tài)分為充填中與非充填中。
當包裝秤處于充填中，為了滿足動態(tài)實時性，必須快速跟蹤重量信號的變化，及時給出控制加料
機構(gòu)信號，以獲取較高的計量精度。所以整個充填過程，不論重量變化大小，都屬于動態(tài)范圍。當包裝秤處于非充填中，要根據(jù)相鄰兩次濾波差值△Wn（Wn-Wn-1）的大小，來確定屬于何種稱重狀態(tài)。圖1中Wa、Wb是兩個預置的門限值。是劃分非充填中的3種稱重狀態(tài)的關鍵參數(shù)。其值的選擇直接影響整體濾波效果。
當△Wn>Wa時，系統(tǒng)處于快速加載或減載狀
態(tài)，重量變動大，為了使顯示快速跟蹤重量信號的變化，采用同充填中一樣的動態(tài)數(shù)據(jù)處理。
當Wa≥△Wn>Wb時，重量信號處于快速變化與緩慢變化之間，采用動態(tài)到靜態(tài)的過渡數(shù)據(jù)處理，作為動態(tài)與靜態(tài)之間的緩沖，使顯示平滑地從快速變化到趨于穩(wěn)定。避免動態(tài)時的顯示滯后和靜態(tài)時的顯示不穩(wěn)。
當△Wn 下面詳細說明三種不同的數(shù)據(jù)處理方法。
1）動態(tài)數(shù)據(jù)處理：第二次濾波結(jié)果Wn直接作為本次數(shù)據(jù)處理結(jié)果。即連續(xù)n次采樣做平均。當采樣速度一定時，系統(tǒng)的響應時間僅與采樣次數(shù)n有關。
2）動態(tài)到靜態(tài)數(shù)據(jù)處理：對第二次濾波結(jié)果，再進行第三次濾波。第三次濾波采用j次平均偏差濾波。
△Wj=(△Wn+△Wn+1+…△Wn+j)/j
Wn=Wn-1+△Wj
j為第三次平均偏差計算的樣本數(shù)（動態(tài)到靜態(tài)數(shù)據(jù)處理）。
由于在動態(tài)數(shù)據(jù)處理的基礎上，又增加了一級濾波，信號的平滑度提高了，但系統(tǒng)響應特性下降。系統(tǒng)的響應時間不僅與采樣次數(shù)n有關，還與第三次濾波樣本數(shù)j有關。
3）靜態(tài)數(shù)據(jù)處理：同樣對第二次濾波的結(jié)果，再進行第三次濾波。第三次濾波同樣采用平均偏差濾波，但選取的樣本數(shù)k要大于動態(tài)到靜態(tài)數(shù)據(jù)處理的樣本數(shù)j。
△Wk=(△Wn+△Wn+1+…△Wn+k)/k
靜態(tài)數(shù)據(jù)處理的第三次濾波得到的偏差值
△Wk，與之前的h次偏差值組成一個偏差序列：
△Wk、△Wk-1、△Wk-2、…、△Wk-h
對這個偏差序列再進行第四次滑動加權(quán)平均濾波，得到本次的偏差值△Wh。本次偏差值與上次的濾波結(jié)果相加得到本次的最終濾波結(jié)果。
Wn=Wn-1+△Wh
從上述三種濾波方法可以看出，動態(tài)時樣本數(shù)小，濾波時間短，實時性最好。靜態(tài)時樣本數(shù)大，濾波時間長，增加的滑動加權(quán)平均濾波，使得信號平滑度更高，滿足靜態(tài)顯示穩(wěn)定的要求。這種對不同的稱重狀態(tài)采用有針對性的數(shù)字濾波，可以使得動態(tài)和靜態(tài)都獲得比較理想的濾波效果。
表1是以采樣速度100次/秒、單純平均濾波為例，說明選擇不同的樣本數(shù)，對濾波時間的影響。二、采用檢測“虛假重量”的方法，抑制充填中的過沖充填中，當快加料流速比較大時，會出現(xiàn)快加料結(jié)束后，儀表顯示的重量瞬間超過截止量（預置目標量-落差值），造成慢加料沒動作，加料過程就結(jié)束了，但穩(wěn)定后，實際重量并沒有達到目標重量。這種現(xiàn)象稱作過沖。

過沖現(xiàn)象的產(chǎn)生，與包裝秤的加料機構(gòu)有關。
包裝秤常用的加料機構(gòu)有：無級變速加料、快中慢3級加料、快慢2級加料。
伺服電機控制的無級變速加料方式，從快加到慢加，中間有一個自適應的變速加料的過度，整個加料過程快速平穩(wěn)，幾乎沒有過沖，是一種非常理想的加料機構(gòu)，但成本較高。
快中慢3級加料，在快慢加料中間，加入中加料做為緩沖，一定程度上緩解了快加料的沖擊。其代價是增加一級加料機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜的同時也增加了成本。
快慢2級加料，快加料的過沖問題最嚴重，計量精度和加料速度的矛盾也最突出。但由于其結(jié)構(gòu)簡單特別是成本優(yōu)勢，市場上很多包裝秤，采用這種加料機構(gòu)。
本文也是以快慢2級加料為例來探討抑制過沖問題。
為解決過沖問題，稱重軟件通常的做法是在大加料結(jié)束時設置一個固定的時間參數(shù)——禁止判別時間。在這個時間內(nèi)，不進行稱重值與截止量（預置目標量-落差值）的比較，慢加料一直有效。禁止判別時間結(jié)束，恢復重量比較。禁止判別時間是一個可以通過面板設置的常數(shù)。對于充填流速穩(wěn)定，過沖量變化范圍不大的場合，禁止判別時間這個參數(shù)可以很好的抑制過沖。如圖2所示。

然而實際加料情況并不完全符合圖2所示的情況。對于快慢2級加料，快加料決定充填速度，慢加料保證充填精度。為了提高包裝速度，希望快加料在最短時間內(nèi)，能充填目標量的90％～95％的物料，越接近目標量越好。這樣可以使慢加料獲得比較充裕的時間，以較小的流量，填加剩余的5％～10％的物料，以滿足充填精度的要
求?？旒恿系牧狭髟酱?，對秤的沖擊越大。在快慢加料切換的瞬間，快加料的過沖量也越大。并且由于受物料特性、料層壓力、執(zhí)行機構(gòu)響應時間等因素的影響，快加料流速并不穩(wěn)定，每次的過沖量和過沖時間是變化的。
下面是筆者調(diào)試種子小包裝秤時遇到的過沖問題。
種子小包裝秤：快慢2級加料、單秤速度10
包/分、目標重量2000g、充填精度1/1000。按稱
重周期6秒計算，一個稱重周期的時間分配大致如下：
快加時間    1.5秒
慢加時間    1.5～2秒
穩(wěn)定時間    0.5～0.8秒
卸料時間    0.5～0.7秒
與包裝機配合、回零等其它時間    1秒
為了保證6秒的稱重周期，快加料料流必須足夠大，才能保證在大約1.5秒內(nèi)充填1800g～1900g(2000g的90%～95％)物料。每次快慢加料的切換，都會產(chǎn)生很大的過沖，并且過沖量的大小非常離散。雖然設置了禁止判別時間這個參數(shù)，仍然會發(fā)生下面兩種現(xiàn)象。
現(xiàn)象1：當設置的禁止判別時間大于慢加料時間時，會出現(xiàn)如圖3所示的情況。快加料結(jié)束時啟動禁止判別時間，在禁止判別時間有效期間內(nèi)，

不判別重量，雖然重量已經(jīng)達到截止重量a點，但由于禁止判別時間還沒有達到，所以慢加料仍在加料，直到禁止判別時間結(jié)束，恢復重量比較，慢加料才停止，這時重量已經(jīng)達到了b點，慢加料多加了t1時間，最終實際重量超過了預置目標量。實際觀察儀表顯示時給人的感覺是：儀表顯示的重量已經(jīng)達到或超過了截止量，可是小加料還在加料。等小加料停止，顯示穩(wěn)定后，實際重量會超過目標量很多。為了避免發(fā)生這種情況，必須減小禁止判別時間的設定值。但減小禁止判別時間的設定值后，又會發(fā)生現(xiàn)象2：過沖導致加料誤停止。
現(xiàn)象2：當設置的禁止判別時間小于過沖時間時，會發(fā)生如圖4所示的現(xiàn)象。

當設定的禁止判別時間結(jié)束時，過沖還沒有結(jié)束，此時重量處于圖4的c點，在c點恢復重量判別，由于c點的重量大于截止量，所以小加料被停止，加料過程結(jié)束。待過沖結(jié)束稱量穩(wěn)定后，實際重量低于預置目標量。雖然設置了禁止判別時間這個參數(shù)，但由于禁止判別時間小于實際的過沖時間，還是發(fā)生了過沖導致加料誤停止現(xiàn)象。從上述兩種現(xiàn)象說明，設定固定的禁止判別時間，可以抑制變化范圍不大的過沖量。通過實際調(diào)整，使禁止判別時間大于過沖時間同時小于慢加料時間。對變化范圍很大的過沖量，仍然會發(fā)生禁止判別時間沒到，但截止量已經(jīng)達到，導致稱量超差；或者禁止判別時間已經(jīng)結(jié)束，但過沖還沒有結(jié)束，導致加料誤停止，稱量欠重。當包裝秤速度調(diào)整到10包/分時，無論如何調(diào)整禁止判別時間，仍然不能徹底解決過沖問題。將包裝秤速度降到8包/分時，過沖現(xiàn)象基本不再出現(xiàn)。

為了解決高速充填中過沖量離散性這個問題，筆者在設計種子小包裝秤軟件時，引入“虛假重量”這個參數(shù)。從快加料結(jié)束到如圖5所示的e點（截止量），這期間的重量是快加料的過沖量，也是虛假重量，對應虛假重量的這段時間稱為“過沖時間”。在快加料結(jié)束時，啟動禁止判別時間的同時對重量值進行監(jiān)測。將監(jiān)測到的重量值與截止量進行比較。如果當前的重量值大于截止量，這個重量是快加料過沖的虛假重量。在虛假重量持續(xù)期間不對重量進行判別；如果監(jiān)測到的重量值回落到截止量以下（圖5中e點）時，說明過沖已經(jīng)結(jié)束。此時立即解除禁止判別時間，及時恢復對重量的判別。也就是將恢復重量判別的時刻從圖3的禁止判別時間結(jié)束的b點提前到了圖5的e點。從而避免了稱重超差。對于禁止判別時間的設定，只要大于最大的過沖時間。就能確保每次的過沖都能得到有效抑制。
這種按檢測虛假重量抑制過沖的方法與常規(guī)的抑制過沖的方法相比，盡管禁止判別時間的起點是一樣的，但結(jié)束點是不同的。常規(guī)的禁止判別時間是固定不變的，不管當前重量是多少，必須等到禁止判別時間結(jié)束才恢復重量判別，而這時很可能重量已經(jīng)超過截止量了。而本文中的禁止判別時間是一個變量，它的大小是由過沖量來決定的。當虛假重量低于截止量，及時結(jié)束禁止判別時間并恢復對重量的判別。很好地解決了快加料料流過大引起的過沖和過沖量離散性的問題。

三、按剩余加料時間截止投料
稱重軟件控制加料，通常的做法是，稱重控制系統(tǒng)定時采樣重量數(shù)據(jù)并進行處理，處理后的重量值與截止量進行比較，當重量值≥截止量時，
結(jié)束投料。當重量值<截止量時，必須等待下一次數(shù)據(jù)處理結(jié)果。如果相鄰兩次數(shù)據(jù)處理結(jié)果重量變化較大，會直接影響計量精度。
在數(shù)字濾波方式一定的條件下，相鄰兩次重量變化量與采樣速度成反比。采樣速度越快，相鄰兩次重量變化量越??；反之采樣速度越慢，相鄰兩次重量變化量越大，甚至超過允許的計量精度。下面分別以采樣速度200次/秒、100次/秒、50次/秒和30次/秒為例，分析采樣速度對計量精度的影響以及如何消除其影響，為論述方便起見，上下限和落差認為是零。

表2是在包裝秤目標重量2000g、充填精度1/1000（±2g）、慢加料時間1.5秒、慢加料充填量50g、采用4次平均數(shù)據(jù)濾波的條件下，給出在慢加料期間，不同的采樣速度所對應相鄰兩次重量變化量△W。
從表2可以看出，在數(shù)字濾波方式一定的條件下，采樣速度越高，相鄰兩次重量變化量△W越小，反之采樣速度越低，相鄰兩次重量變化量△W越大。
△W=（50×T）/1.5（慢加料充填重量50g，慢加料時間1.5秒）
表2是在極端情況下：第n次數(shù)據(jù)處理結(jié)果是1999.9g，沒有達到2000g的截止量。必須等待下一次數(shù)據(jù)處理結(jié)果。對于采樣速度50次/秒，第n+1次的數(shù)據(jù)處理結(jié)果是2002.57g，比目標量
大了2.57g。對于采樣速度30次/秒，第n+1次的數(shù)據(jù)處理結(jié)果是2004.23g，比目標量大了4.23g。從理論上都已經(jīng)超過了±2g的允許誤差。對于采樣速度200次/秒和100次/秒，第n+1次的數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別比目標量大了0.57g和1.23g。在允許誤差之內(nèi)。
如果考慮到其它的系統(tǒng)誤差，低于100次/秒的采樣速度，是無法滿足包裝速度10包/分和計量精度1/1000要求的。
為了解決由采樣間隔引入的計量誤差，本文提出按剩余加料時間截止投料的控制方法，做到當檢測重量等于截止量時，立即停止慢加料。
具體做法是：在慢加料期間，每次采樣進行數(shù)據(jù)處理后，計算慢加料的加料速度和剩余重量，再根據(jù)二者求出剩余的加料時間。如果剩余的加
料時間大于數(shù)據(jù)處理間隔，那么等待下一次數(shù)據(jù)處理。如果剩余的加料時間小于數(shù)據(jù)處理間隔，不用等待下次數(shù)據(jù)處理結(jié)果，按剩余加料時間截止投料。
u=（Wn-Wn-1）/T
Wn：第n次數(shù)據(jù)處理結(jié)果
Wn-1：第n-1次數(shù)據(jù)處理結(jié)果
T：數(shù)據(jù)處理間隔
u：第n次的慢加料速度
t=W/u
t：剩余加料時間W：剩余重量
以采樣速度30次/秒為例：
第n次的加料速度：u=（Wn-Wn-1）/T=4.
33/0.13=33.3g/s
剩余重量：W=2000-1999.9=0.1g（落差設為0）
剩余加料時間：t=W/u=0.1/33.3≈3ms
即第n次采樣后，剩余的加料時間約為3ms，30次/秒的數(shù)據(jù)處理間隔為130ms，剩余加料時間小于數(shù)據(jù)處理間隔，所以慢加料再充填3ms
后，立即截止投料。從而消除了由于等待下次數(shù)據(jù)處理而引入的4.23g計量誤差。
這種按剩余加料時間截止投料的軟件處理方法，解決了由于采樣速度帶來的計量誤差，特別是對于采樣速度較慢的稱重系統(tǒng)，計量精度會得到明顯改善。
以上是筆者設計和調(diào)試包裝秤過程中有關軟件控制方法的一些體會。影響定量包裝秤計量精度和包裝速度的因素還有很多，例如結(jié)構(gòu)設計（加料機構(gòu)、秤體及卸料機構(gòu)、傳感器安裝等）、物料特性、現(xiàn)場環(huán)境等。希望能與各位同仁共同探討。

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