摘要
在线称重分选机是现代工业生产中实现产品质量控制与分拣自动化的关键设备，广泛应用于食品、制药、电子、化工等行业。其核心功能是通过实时动态称重与高精度分选，剔除超差产品并分类合格品，直接影响生产效率与产品质量稳定性。本文从系统架构、硬件设计、软件算法、通信与控制策略等维度，系统研究在线称重分选机的自动化控制系统，分析关键技术的实现方法与应用效果，并探讨智能化升级方向，为工业自动化检测领域提供理论支持与实践参考。
引言
在现代化大规模生产中，产品重量的精确控制是质量管控的核心指标之一(如食品包装的净含量合规性、电子元件的重量一致性)。传统人工称重分选效率低(<100件/分钟)、误差大(±5%以上)，难以满足高节拍、高精度生产需求。在线称重分选机通过集成动态称重传感器、高速分选执行机构与自动化控制系统，可实现每分钟数千件的称重分选(精度±0.1 - 0.5g)，成为工业4.0背景下质量检测环节的核心装备。本文聚焦其自动化控制系统的核心技术，旨在提升系统的稳定性、精度与智能化水平。
1. 系统架构与功能需求
1.1 系统组成
在线称重分选机的自动化控制系统通常由四部分构成(图1)：
动态称重单元：包括高精度称重传感器(如应变片式、电磁平衡式)、信号放大与滤波模块，负责实时采集产品重量数据；
数据采集与处理单元：以嵌入式控制器(如PLC、工业PC)为核心，完成数据预处理(去噪、校准)、重量计算与分选逻辑判断；
分选执行单元：由气缸、伺服电机、气动推杆等驱动机构组成，根据控制指令将产品导向不同分选通道(如合格品、超重品、欠重品)；
人机交互与通信单元：通过触摸屏、HMI(人机界面)实现参数设置与状态监控，并通过工业总线(如EtherCAT、Profinet)与上位机或MES系统通信。
1.2 核心功能需求
高精度动态称重：在产品高速运动(速度≥3m/s)状态下，称重误差≤±0.2%FS(满量程)；
实时分选控制：从称重到分选动作的延迟<50ms，确保高速生产线(节拍≥60件/分钟)的连续性；
自适应校准：支持在线自动校准(如温度补偿、零点漂移修正)，适应不同环境与产品类型；
数据追溯与通信：存储称重数据(如时间戳、重量值、分选结果)，支持与工厂MES/ERP系统对接。
2. 硬件设计与关键技术
2.1 动态称重传感器选型与优化
动态称重的核心挑战在于消除振动、冲击等干扰信号的影响。系统采用以下优化措施：
传感器类型：优先选用电磁平衡式传感器(精度±0.01%FS，响应时间<1ms)，适用于高速动态场景；应变片式传感器(成本较低)需搭配低通滤波电路(截止频率10 - 20Hz)抑制高频噪声。
机械结构设计：称重平台采用减震底座(如橡胶隔振垫)与刚性框架结合的结构，减少生产线振动传递；导向滑槽设计确保产品匀速通过称重区(速度波动<±5%)。
2.2 数据采集与处理硬件
信号调理电路：包括放大器(增益可调)、低通滤波器(截止频率根据称重速度动态调整)、模数转换器(ADC，分辨率≥16位)，将传感器输出的微弱电信号转换为数字量。
核心控制器：采用工业级PLC(如西门子S7 - 1200)或嵌入式ARM处理器(如STM32H7系列)，支持实时操作系统(RTOS)，确保数据处理的确定性与时效性。
2.3 分选执行机构
高速气缸：响应时间<10ms，适用于分选速度≤100件/分钟的场景；
伺服电机 + 皮带输送机：定位精度±0.1mm，适用于高精度分选(如电子元件)；
气动推杆：推力可调(0.5 - 50N)，用于轻质产品(如食品包装)的分选。
3. 软件算法与控制策略
3.1 动态称重数据处理算法
动态称重信号易受振动、产品间距变化等因素干扰，需通过算法提取有效重量值：
数字滤波算法：采用滑动平均滤波(窗口大小5 - 10个采样点)或卡尔曼滤波(适应非平稳信号)，抑制高频噪声；
重量有效值提取：基于产品通过称重区的速度与传感器响应时间，计算有效采样窗口(如速度1m/s、传感器响应时间2ms时，有效窗口为2ms对应的采样点)，取窗口内数据的均值作为最终重量值。
3.2 分选逻辑控制算法
分选逻辑需根据产品重量与预设阈值(如合格范围[Min, Max])实时决策：
三级分选策略：
若重量∈[Min, Max]，判定为合格品，执行默认通道(不动作)；
若重量>Max，判定为超重品，触发气缸1将产品推入超重通道；
若重量
动态阈值调整：支持在线修改阈值参数(如通过HMI输入或上位机下发指令)，适应不同产品规格。
3.3 自适应校准算法
温度补偿：称重传感器的输出受温度影响(温漂系数通常±0.02%FS/℃)，系统通过内置温度传感器实时采集环境温度，根据标定曲线修正重量值；
零点漂移修正：定期(如每10分钟)执行空载校准，检测并修正传感器零点偏移；
产品间距补偿：根据产品通过称重区的间隔时间(通过光电传感器检测)，动态调整有效采样窗口，避免相邻产品干扰。
4. 通信与系统集成
4.1 工业通信协议
系统通过工业总线实现各模块间的高速通信：
传感器与控制器：采用RS485或CAN总线(波特率115200bps以上)，传输称重数据与状态信号；
控制器与执行机构：使用脉冲信号(伺服电机)或数字IO(气缸)控制分选动作；
上位机通信：通过EtherCAT或Profinet总线上传称重数据至MES系统，支持OPC UA协议实现跨平台数据交互。
4.2 与生产线的集成
在线称重分选机需与上游输送带、下游包装设备协同工作：
同步控制：通过编码器检测生产线速度，动态调整称重区位置与分选动作时序，确保产品匀速通过称重区；
故障联锁：当称重设备异常(如传感器故障、通信中断)时，通过硬接线或通信指令触发生产线停机，避免不合格品流入下一工序。
5. 应用案例与性能分析
5.1 食品包装行业案例
某乳制品企业采用在线称重分选机检测酸奶杯净含量(目标值180g±2g)，系统配置如下：
称重传感器：电磁平衡式(量程200g，精度±0.05g)；
分选速度：120件/分钟；
分选精度：±0.1g。
运行数据显示：超差率从人工分选的3%降至0.2%，生产效率提升200%。
5.2 电子元件行业案例
某半导体企业对芯片封装重量进行检测(目标值5.0g±0.05g)，系统采用伺服电机驱动的分选机构，定位精度±0.05mm，分选速度80件/分钟，误判率<0.1%。
6. 结论与展望
在线称重分选机的自动化控制系统通过高精度动态称重、实时分选控制与智能化校准算法，显著提升了工业生产的效率与质量稳定性。未来发展方向包括：
智能化升级：集成机器视觉(检测产品外观缺陷)与AI算法(预测传感器故障)，实现“称重 + 视觉”多模态检测；
轻量化与模块化设计：开发适用于小型生产线的小型化设备(称重范围0.1 - 10g)，支持快速换型；
绿色节能：优化执行机构能耗(如采用气动回路节能设计)，降低系统运行成本。
