集中式濾膜批量自動稱重及取證分析系統研究

吳付祥

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

粉塵采樣法是粉塵濃度檢測的國際標準方法[1-2]，在國內外粉塵檢測行業一直被重視和沿用。但目前仍使用手工方式對采樣濾膜進行稱重，這種方式會帶來外界干擾，產生新的誤差[3-4]；同時在進行大批量采樣稱重過程中，手工方式將花費大量的人力和物力，操作不當還會影響粉塵濃度檢測結果，甚至造成檢測結果無效[5-6]。

為了避免手工方式給粉塵采樣稱重帶來的干擾，提高稱重速度和效率。國內外已有部分學者對自動稱重技術開展了相關研究。聶秀珍[7]等設計了一種基于PLC 的煙塵濃度自動監測裝置實時采集并處理數據，同時采用WINCC 上位機實現監控；馮健兒[8]等研制了基于濾膜稱重法測量顆粒物濃度的自動監測儀，對采集得到的顆粒物進行分析處理，結果表明儀器切割頭切割效果良好；豈峰利[9]主要對煙塵濾膜自動加載裝置中各工位的機械結構、各元件選型以及裝置中的電氣控制和軟件控制部分進行設計和實現，完成了基于稱重法的煙塵濾膜自動加載裝置。

雖然，已有學者對濾膜自動稱重技術進行了相關研究。但是，該類研究沒有涉及到批量濾膜處理和環境參數對稱重的影響。而該文將從環境、自動稱重和系統控制等關鍵單元對濾膜自動批量稱重系統進行研究。

1 技術方案及設計

集中式批量濾膜自動稱重及取證分析系統由3部分組成：環境控制單元、自動稱重單元、系統控制單元。采取分體式設計、便于拆卸與移動，提高系統靈活性。其中，環境控制單元、自動稱重單元實行軟性連接，隔絕機組震動的相互傳遞。同時配置UPS和示波器等設備，確保系統穩定可靠運行和便于工作人員及時發現設備異常。

1.1 環境控制單元方案

受控環境包括：振動、風速、潔凈度、溫度、濕度等參數。使用航空插頭和保溫風管等軟性連接材料，隔離環境控制單元和自動稱重單元，阻止振動的相互傳遞。為保證箱內風速小于0.2 m/s，風機選型為可調風量風機，同時在風道上設置G4 和H13 兩級過濾器，實現稱重單元的千級潔凈度。

溫濕度的控制系統由電控系統、風道系統、制冷/除濕系統、加濕系統、加熱系統組成?；驹頌橥L內循環，PID 控制調溫調濕。在制冷/除濕系統連續工作的情況下，控制系統根據所采集到的箱內溫度/濕度信號與設定值進行比較，得出的偏差信號經PID 運算，輸出調節信號，自動控制加熱器及加濕器的輸出功率，最終使箱內的溫度和濕度達到一種動態平衡[10-11]。其原理圖如圖1 所示。

圖1 環境控制單元溫濕度調控原理圖

1.1.1 制冷量設計

熱負荷計算中，主要考察35 ℃環境溫度下，艙內實現20 ℃溫度的制冷需求。箱體結構尺寸700 mm×1 200 mm×600 mm，傳熱面積計算如表1 所示，熱傳導計算如表2 所示。

表1 傳熱面積

表2 熱傳導計算

408 W 制冷量需求，考慮部分冗余負荷，設計使用500～600 W 制冷量。

通過型號選型，選擇BSA586 壓縮機作為制冷系統的核心。配置蒸發器和冷凝器，組成制冷系統。

1.1.2 流場設計

稱重環境采用靜壓均流箱采用孔板送風原理，孔板送風由孔口送出的氣流速度v0，不僅直接影響工作區氣流速度的大小，也影響到送風氣流分布的均勻程度。如采用較大的送風速度v0，就需要穩壓層中有較高的靜壓。這樣，穩壓層中靜壓的變化對送風速度的影響較小，使孔板送出的氣流得以保持均勻。而且由于孔口送風速度比穩壓層中氣流速度大，在孔口處送風射流的軸線就接近于垂直向下。當送風溫度高于室溫時，熱空氣減弱了向下的流動，所以應采用較大的送風速度。但是，如果送風溫度低于30 ℃，這種影響并不顯著，可以不予考慮。然而，由于穩壓層中靜壓提高，增加了結構不嚴密處的漏風量，且當送風速度超過7～8 m/s 時，孔口會產生噪聲。因此，一般采用v0為2～5 m/s。

采用全面孔板送風方式，送風口的風速v0取1 m/s；送風量L取較大值400 m3/h；孔口流量系數α取值為0.78，則所需的孔口總面積[12]計算如式（1）所示。

送風孔板的尺寸為0.6 m×0.5 m，面積為0.3 m2，則凈孔面積比計算如式（2）所示[13]。

取孔口直徑d0為10 mm，孔口與孔口中心間距l如式（3）所示[14]。

孔口排列如圖2 所示。

圖2 孔口排列圖

1.2 自動稱重單元方案

自動稱重單元中，濾膜處于濾膜架上，通過XYZ機器人負責搬運濾膜到天平稱量位。

工業機器人按照臂部的運動形式可以分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人及關節機器人。項目中采用直角坐標機器人。直角坐標機器人又稱單軸機械手，是以XYZ直角坐標系為基本的數學模型，以伺服電機、步進電機為驅動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶為常用的傳動方式所架構起來的機器人系統，可以完成在XYZ三維坐標系中任意一點的到達和遵循可控的運動軌跡。機器人示意圖如圖3 所示。

圖3 XYZ直角坐標機器人示意圖

該文使用工控機（IPC）+可編程邏輯控制器（PLC）的工業機器人控制系統。PLC 用于各種運動控制場合，其控制方式包括位置方式、速度方式、力矩方式等。該控制方案使用工控機和上位機開發軟件來共同完成控制應用程序的開發，具有控制系統定制的對外開放性。IPC 主機主要進行人機交互管理、顯示系統運行狀態、發送運動指令、監控反饋信號等，而運動控制卡則負責控制工業機器人系統的運動。工控機將指令通過 PC 總線傳送運動控制卡，運動控制卡根據來自IPC 機的應用程序命令，按照設定的運動模式，向伺服驅動器發出指令，完成相應的實時控制。目前，世界上大多數知名的運動控制領域的公司都有自己獨立開發的、具有各種功能的運動控制器。基于IPC 開發的機器人控制系統的軟件系統兼容性好、可靠性強、計算能力優勢明顯。

系統對電機進行閉環控制，驅動器和編碼器為閉環控制元件。而其編碼器用來組成位置環和速度環的閉環控制，其位置環的輸入量是期望位置與反饋位置的差值，而速度環是期望速度與反饋速度的差值。

1.3 系統控制單元方案

以工控機作為控制平臺，通過PLC 與XYZ機器人通訊進行控制，通過USB 或者RS232 接口與天平、條碼掃描單元通訊、靜電測量和消除設備通訊，通過TCP/IP Modbus 協議與環境控制單元通訊，完成各種控制指令，獲取數據，形成報表輸出[15-16]。控制單元架構圖如圖4 所示。

2 關鍵單元研究

2.1 環境控制單元

環境控制單元由電控系統、風道系統、制冷/除濕系統、加濕系統、加熱系統組成(如圖5)。基本原理為通風內循環，PID 控制調溫調濕。在制冷/除濕系統連續工作的情況下，控制系統根據所采集到的箱內溫度/濕度信號與設定值進行比較，得出的偏差信號經PID 運算，輸出調節信號，自動控制加熱器及加濕器的輸出功率，最終使箱內的溫度和濕度達到一種動態平衡。

為保證箱內風速0.2 m/s，風機選型為可變風量風機；空氣加熱方式為優質鎳鉻合金電加熱器；空氣制冷/除濕方式：親水膜翅片管式換熱器；加濕方式：電熱式蒸汽加濕；除濕方式：冷凍除濕，光管表面式除濕器。

2.2 自動稱重單元

圖4 系統控制單元架構圖

圖5 環境控制單元組成示意圖

自動稱重單元基于獨立的工作艙設計，工作艙具有保溫結構，減少圍護結構的熱傳導，降低系統功率。同時觀察窗可實現內外環境隔絕。XYZ機器人及濾膜存儲單元位于工作艙臺面上。(如圖6)工作艙內設計靜壓箱和均流孔板，保證環境控制單元的送風可以均勻低速地流過從操作倉。

圖6 自動稱重單元內部元件3D示意圖

直角坐標機器人的主要優點就是所占空間較小，機器人布置比較靈活，在對工作空間有嚴格要求的場合比較適用。

圖7 濾膜架和天平圖

濾膜架的設計采用層疊結構，每層可容納10 張47 mm 濾膜，共20 層，總共容納200 張濾膜，濾膜架和天平實物如圖7 所示。使用快速拆卸元件來實現濾膜架的快速更換，更換示意圖如圖8 所示。

圖8 可更換式濾膜架示意圖

從濾膜下方使用平面工具進行濾膜的抬取，同時對該抬取平面進行特別形狀的加工，一方面與濾膜架耦合，另一方面阻止濾膜在搬運的過程中從平板上落下。

2.3 系統控制單元

集中式批量濾膜自動稱重及取證分析系統的控制系統共分為6 個子模塊，分別是樣品出入庫模塊、稱重模塊、自動控制模塊、環境監測模塊、視頻監測模塊及數據處理模塊。

1）樣品入庫出庫

預處理分為樣品入庫與樣品出庫兩部分內容，其流程如圖9 所示。

圖9 樣品出入庫流程圖

樣品入庫是新濾膜使用的第一步。在系統界面里點擊濾膜注冊按鈕，彈出樣品入庫界面。將模盒上的條形碼在系統掃描槍下掃描，系統自動規劃該濾膜應該放在某個稱量工號位，人工按系統提示放入該工號位，所有新濾膜放置完畢后，系統自動對新濾膜進行采樣前的稱重，并記錄對應條形碼和采樣前的重量。采樣前稱重結束后，人工將模盒上的條形碼在掃描槍前掃描，系統自動彈出該模盒對應的濾膜所在的工號位，人工將已稱重的濾膜放入對應的模盒。

樣品出庫是注冊后的新濾膜在收集樣品后，放入樣品架的過程。在系統界面點擊樣品出庫的按鈕后彈出放樣品界面。將模盒上的條形碼在系統掃描槍下掃描，系統自動規劃該濾膜應該放置的工號位，人工按系統提示將樣品放入該工號位，稱重過程中系統按工位號將對應的稱量數據寫入對應的樣品編號，并自動地將該樣品編號、稱重數據、采樣前數據進行關聯匹配。

2）稱重模塊

稱重模塊主要負責電子天平的管理及稱重數據的獲取。

在稱重前，首先，需要對電子天平進行校正調零。天平內校是在用戶的操作下發送天平內校指令，對天平進行校正，同時，天平也具有外部校準功能，并且外部校準砝碼不少于2 個；天平調零是在用戶的操作下發送天平調零指令，將天平自動調零。

稱重模式共分為單張和批量稱重兩種模式，用戶根據實際需求進行選擇。在單張稱重模式下，用戶通過窗口選擇需要稱重的濾膜所在的工位號后，系統自動將該工位號的濾膜送到電子天平進行稱量。在批量稱重模式下，用戶通過窗口選擇所需要稱重的濾膜工位號范圍，確定后系統自動將設置工位號范圍內的濾膜自動稱量，并顯示稱完該批樣品所需要的時間，批量稱樣流程如圖10 所示。

圖10 稱樣流程圖

數據讀取是將濾膜工號、稱重重量等傳送到天平上后，系統通過R232 通訊，自動獲取樣品的質量數據。

系統可以設置是否連續稱重。在連續稱重的條件下，用戶自動設置連續稱重的時間間隔，在設置的時間間隔后，系統自動把設置稱量范圍工號內的濾膜自動稱重一次，如果差值超過標準閾值，則自動進入下一次循環。

3）自動控制模塊

自動控制模塊分為濾膜傳輸和故障報警。

濾膜傳輸是在濾膜傳輸機器人的自動操作下，將濾膜樣品盤上的濾膜按要求正確無誤地傳輸到天平上，以供天平稱重。

故障報警是在濾膜傳輸的過程中或前后由于機械或其他故障所導致的濾膜機器人不能按要求將濾膜傳送到天平上所發起的報警，并停止濾膜機器人的動作。報警方式可以選擇該設備所在工作環境安全報警方式，具體可分為聲音報警、發光閃爍報警、短信報警等單個或多個組合方式，用戶可以設置選擇報警方式。

4）環境監測模塊

環境監測模塊分為溫度和濕度監測。溫度控制范圍在15～30 ℃，溫度控制精度為±0.2 ℃，濕度控制范圍在40%～70%RH，濕度誤差控制在±2%RH。環境監測模塊使用PID 控制模塊，使用效果良好。該系統通過Modbus 協議與環境控制子系統通訊，用戶根據需求在系統界面設置溫度和濕度值后系統按要求控制溫濕度。當環境超過所設定的環境參數時，進行安全報警，報警方式可以選擇本設備所在工作環境安全報警方式，具體可分為聲音報警、發光閃爍報警、短信報警等單個或多個組合方式，用戶可以設置選擇報警方式。

5）視頻監測模塊

視頻監測模塊分為稱重動態監測和濾膜靜態圖片拍攝。動態監測全程記錄稱重過程，視頻分辨率不低于1 920*1 080；濾膜靜態圖像分辨率不低于2 048*1 536。動態視頻監測采用?？低暽逃玫谋O測探頭進行動態監控，記錄系統完整的稱重過程，視頻監控不僅是保留儀器運行過程的資料，更是進行故障診斷的數據源，通過機器視覺成熟的算法，檢測機器人在運動過程中的碰撞、掉濾膜、運行中斷等故障并發起相應的故障報警。濾膜靜態拍攝在濾膜機器人取出待稱重的樣品后，在拍照工位停頓拍照，濾膜圖片是濾膜狀態的重要資料，也是濾膜出現故障引起報警的數據源，通過圖片處理，對濾膜樣品所存在的缺陷或錯誤進行診斷并報警。

6）數據處理模塊

數據處理模塊分為環境數據、濾膜數據和顆粒物濃度數據。主要負責這些數據的讀取、存儲、顯示、導出及維護。環境數據模塊負責查看環境溫濕度實時曲線，存儲歷史數據，根據要求導出數據；濾膜數據庫模塊負責數據的寫入、存儲、查看、導出詳細數據及圖像視頻；顆粒物濃度數據模塊負責自動或手工錄入采樣數據，獲取顆粒物濃度，形成樣品濃度報表。

3 實 驗

通過研究完成樣機，將集中式濾膜批量自動稱重及取證分析系統進行濾膜自動稱重驗證實驗，發現其能夠全自動快速準確地完成批量采樣濾膜的稱重，實用性好。

4 結論

該文設計了一種集中式批量濾膜自動稱重及取證分析系統，能夠全自動精確稱量粉塵濾膜質量，并自動編號、記錄粉塵濾膜、采樣點聲音、視頻記錄。