高速無菌灌裝壓力監測系統
——智能傳感器SMARTSENSOR 控制系統

馬香芹 彭 力 顧 勝 何子琎

隨著物聯網技術的飛速發展，傳感器技術的日益完善，越來越精確的數據可以在無菌灌裝生產設備上實時采集，通過生產線上的各種數據進行異常檢測一直是研究應用的重要方向。各種故障檢測和預測方法大都基于通過物聯網技術在無菌灌裝生產裝備上采集到的數據，而又如何利用這些數據提高異常檢測準確性成為了重要研究課題。在無菌灌裝生產線裝備上噴嘴壓力的控制會直接影響到產品質量，無菌灌裝生產線生產過程中的噴嘴壓力檢測是無菌灌裝生產線上一項重要研究課題。

廊坊百冠包裝機械有限公司與江南大學合作開發了“高速無菌灌裝壓力監測系統——噴嘴壓力智能傳感控制系統”，正是針對PET 瓶無菌吹灌旋生產線遠程診斷與維護的研制與示范應用，而建立的故障數據采集、故障數據模型，該系統目前國內還沒有相關技術基礎。該研究設計成果，已應用在國家“十三五”重點研發計劃課題《現代飲料高速灌裝加工技術及成套裝備開發——PET 瓶高速吹灌旋一體化無菌灌裝技術及裝備研發》項目的示范線上。

“高速無菌灌裝壓力監測系統——噴嘴壓力智能傳感控制系統”的研發實施，提高了我國飲料裝備制造業的產品創新能力和技術含量，增強產品國際競爭力，進一步擴大了無菌灌裝技術在飲料行業的應用，突破了國內高速無菌吹灌旋技術研發設計的瓶頸，也將“以點帶面”推動國內食品包裝機械行業在高速無菌灌裝裝備方面的快速發展?？杉涌焯嵘龂鴥萈ET 瓶高速無菌灌裝裝備的國產化水平，替代進口，減少飲料行業對進口裝備的依賴，可顯著降低飲料生產企業裝備采購成本。

1 噴嘴壓力智能傳感控制系統

1.1項目目標

（1）實現36000 瓶/時生產線壓力的檢測；

（2）實現壓力過高過低等故障預警；

（3）實現LCD 屏幕顯示。

1.2系統構成

▲圖1 系統構成示意圖

1.3軟件設計

1.3.1編譯軟件

▲圖2 STM32 軟件框架搭建

STM32CubeMx 是一款STM32 公司主打的軟件框架編輯軟件，該軟件是一個STM32 單片機原生態的圖形化編譯軟件，該軟件搭配了官方的Hal 進行開發。使用該軟件為后續人員的維護和升級提供了許多的便利，其中一個非常顯著的優點是，程序員很快就能讀懂和修改該款軟件搭建的程序框架。

▲圖3 軟件邏輯編寫

對于業務邏輯，該智能傳感器采用Keil 來進行了相關的設計，該軟件是行業內公認的優秀調試與編譯軟件。此外，該款軟件可以和STM32CubeMx 有著非常好的兼容性，因為都出自同一家公司。

1.3.2自適應跟蹤算法設計

在測試過程中發現，傳感器機械安裝位置和機械碼盤的位置是固定，在不同運行速度下，將會有同的信號特性。如信號的長度，出現的時間都是不同的，如下圖所示。

▲圖4 STM32 軟件框架搭建

對比圖a 和圖b 可以明顯發現，響應速度和時間都是不同的，為了讓數據的檢測滿足各種轉速，精確的獲取啟始采樣點。在AD采樣算法中設計了自適應檢測算法，該算法能讓傳感器在機器不同的轉速下同樣能精確的檢測到每一個具體的壓力值。該算法有效的避免了漏檢和誤檢情況的發生，同樣該算法有效的減少了采樣時間，減少了計算資源，大大的提高了智能傳感器的響應速度。

1.4硬件設計

▲圖5 智能傳感器結構示意圖

1.4.1硬件對比

▲圖6 實物對照圖（左下電路板為本課題設計）

從國外的電路板主控芯片是MC9S12A256，本課題采用的主控芯片是SMT32F103ZET6，根據芯片手冊我們可以清晰的發現如下幾個特點。

SMT32F103ZET6 的主頻（72MHz）遠遠高于MC9S12A256（25MHz）

SMT32F103ZET6 計算位數（32 位）遠遠高于MC9S12A256（16 位）

SMT32F103ZET6 模數轉換精度（212）遠遠高于MC9S12A256（210）

SMT32F103ZET6 零售價格（32 元）遠遠低于MC9S12A256（230 元）

▲圖7 主控芯片性能對比

▲圖8 主控芯片市場價格對比

1.4.2 不同公斤級性能測試

注1：下面由版面問題，圖的大小有所縮放，具體分析請看圖上面的坐標。

▲圖9 各公斤級別實測

▲圖10 實測結果放大圖

1.4.3誤檢率分析上圖是4 公斤級別進行測試的局部放大圖，該實驗做了三組每100-120 次左右測試，由于人工開端壓力測試，所有存在了間隔有些不統一，但是從測試效果上來分析，三組的誤檢次數分別是3,1,4.因此，本智能傳感器的平均誤差率為3/110+1/110+4/110=0.024。

1.4.4對比實驗

▲圖11 兩款電路板壓力測試性能對比

圖A 是本課題設計的硬件測試效果圖，圖B 為國外電路板的測試效果，在相同情況下我們可以明顯發現，本課題設計的板子波形效果要平滑很多。這對我們碰嘴的壓力的檢測，以及碰嘴號的識別非常有利，大大降低了誤報率，提高了精度，尤其可以有利的規避數據丟包所的數據混亂。為軟件算法設計，從硬件上面得到了保障，其穩定性相比國外電路板有顯著性的提升。

1.5測試效果

設備的驗證環節在元氣森林三號線進行了測試，測試過程中，機械工程師堵住了04，05， 25，號碰嘴，拔掉了24,64,65 號噴嘴，運行在3600 瓶/小時的轉速下，自適閾值設定0x046b,測試30 分鐘其穩定值如下圖所示

▲圖12 壓力檢測示意圖01-17 號碰嘴

▲圖13 壓力檢測示意圖18-34 號碰嘴

▲圖14 壓力檢測示意圖35-51 號碰嘴

▲圖15 壓力檢測示意圖52-68 號碰嘴

▲圖16 壓力檢測示意圖69-80 號碰嘴

從測試結果可以看出在該轉速下可以進行碰嘴壓力數據的有效監測，并能實時將數據顯示出來。其中04，05，25 號碰嘴壓力值是0，因為噴嘴完全堵住了，24，64，65 號噴嘴壓力值達到了4 點多，因為碰嘴完全拔掉了，其中需要指出的是23，63，66，72，四個噴嘴的值在此自適閾值時智能傳感器默認為堵情況，該現象進一步說明了我們程序中的自適閾值是有效的，該閾的設置，工作人員可以根據具體的情況進行調整，從而達到理想的測試結果。

綜上可得，該智能傳感器，在靈敏度，準確度，穩定性等各方面性能上完全滿足實際生產要求。

2 結論

綜上所述，該智能傳感器系統，從功能方面在元氣森林客戶無菌灌裝裝備示范線上，實現了36000 瓶/時產量需求，其硬件方面，軟件算法方面，通訊協議，以及人機交互等各個方面都進行了較為嚴謹的設計和升級，各方面的性能相對于國外壓力采集系統都有了顯著的提高。