CN103786933B - 称重式灌装设备计量过程能力在线spc分析系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，所述系统包括：用于实时在线采集称重式灌装设备的数据的数据采集卡，所述数据包括产品的皮重、产品净重；存储所述数据的数据库；数据分析单元，所述数据分析单元从所述数据库中读取待分析数据，对产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数进行分析。本发明能够实时输出分析结果，从而操作人员可依据结果采取干预措施，实现生产过程的稳定可控，降低计量过程风险。本发明还提供一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法。

Description

称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统和方法

技术领域

本发明涉及自动采集与分析技术领域，更具体地，涉及一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC(统计过程控制)分析系统。

背景技术

称重式灌装设备广泛应用于石油化工、食品饮料、医药等多技术领域，与我们的生活息息相关，作为商品，其净重与我们消费者的利益紧密相连。

图1为现有技术中针对称重式灌装机的计量系统结构示意图，该计量系统包括：称重传感器1、灌装头组件2、光电管3、称重仪表4、包装容器5以及过程控制PLC6(可编程逻辑控制器)。称重传感器1的支架组件上部平台放置有相应的包装容器5，灌装头组件2在控制状态下定量将产品注入包装容器5。称重仪表4与称重传感器1和过程控制PLC6相连接，实时获取包装的产品的重量变化，并将信号转化为便于识别的重量数据值。当重量值达到设定值时，称重仪表4发送开关信号到过程控制PLC6，PLC6据此发出控制灌装头关阀指令，灌装头控制阀关闭，停止注入产品。

该计量系统工作过程如下：

1)首先确定包装产品的皮重，光电管3固定在设备机架上称重传感器组件1后侧面，称重传感器组件1的上部平台放置相应的包装容器5，传感器即可感知包装物重量。光电管3监测到包装容器5到位后，向过程控制PLC6发送信号。过程控制PLC6接收到信号后向称重仪表4发送指令，称重仪表4清零去皮并存储包装物皮重，放置包装物皮重的状态即被定义为新的零点。

2)开始灌装过程，过程控制PLC6向灌装头组件2的控制阀发送启动指令进行灌装操作。称重传感器1实时感知被产品重量加注物料的重量变化。称重仪表4获取称重传感器1检出的重量变化信号，转换成产品重量值，与设定值进行比较。当重量达到设定值时，向PLC6发送信号，PLC6根据接收到的相应信号，向灌装头组件2的控制阀发出停止灌装指令，灌装头组件2的控制阀关闭，称重仪表4存储实际灌装净重，灌装过程完成。

国家计量技术规范《定量包装商品净重计量检验规则》JJF1070-2005对产品计量提出了严格的要求，批量定量包装商品的平均实际净重应大于或等于其标注净重，尤其是抽样批次平均净重不允许出现负偏差。在上述现有技术的计量系统中，在确定定量包装产品的重量时，由于过程控制PLC6中只能检测当前进行灌装产品的重量达到设定值的信号，不能记录实际的产品重量数值，无法实现闭环控制。

因此对该灌装设备的计量过程能力的分析，只能通过按照一定的规则线下抽样的方式获取部分产品的重量，之后再对抽检数据进行计算分析，从而确定定量包装产品的净重与目标符合性，费时费力，获取的信息又相对有限。对于出现异常的产品，不能及时发现，更不能及时采取措施，发现计量风险，产品可能已经流入市场，且随着产能的提高，抽检频度不变，无形中加大了过程分析风险，如果增大抽检频度，无疑会大量增加人工成本，且分析过程存在较大的滞后性。

另外，现有技术采用的抽检方法，通过灌装前抽检一定数量包装物皮重计算平均皮重，抽取称量产品的含皮毛重，计算获取产品实际净重，进而控制定量包装产品的净重，受抽检方法的限制，不能保证每件产品实际净重均能满足要求，存在较大风险，尤其是当生产速度较高时，控制更为困难，同时由于抽检过程中，皮重通过平均值确定，也会导致数据失真，从而存在较大的计量风险。

而且，对于多头包装设备，难于区分每个灌装头的计量情况，从而分别进行分析调节，给系统整体状态可控增加了难度，也给计量精度的提高造成了困难。

综上所述，在当前机械大生产的背景下，定量包装产品的生产规模已经非常庞大，而且生产速度也非常快，在既保证生产效率不降低，又要满足计量技术规范的相应要求，同时也不增加计量损失的情况下，灌装设备的计量过程能力显得尤为重要，对实时监视分析灌装设备计量过程的系统或方法的需求，越来越迫在眉睫。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统。所述系统包括：用于实时在线采集称重式灌装设备的数据的数据采集卡，所述数据包括产品的皮重、产品净重；存储所述数据的数据库；数据分析单元，所述数据分析单元从所述数据库中读取待分析数据，对产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数进行分析。

本发明还提供一种灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法。所述方法包括：从称重式灌装设备的计量仪表实时在线采集数据，所述数据包括灌装产品的皮重、净重；将所述数据存储在数据库中；从所述数据库中读取待分析数据，对产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数进行分析。

本系统所述的在线SPC分析系统，通过建立与设备每个称重仪表的通讯，随着设备运行，实时、动态地获取每件产品的计量数据，并增加每件产品的其他过程辅助信息，建立丰富的数据库，实时地对数据进行在线动态SPC分析与分析，实现了在线连续监控，具有检测结果与被检测对象运行状态的同步性、检测过程实时性和连续性。

在数据完整采集记录存储的情况下，除了在线动态分析，还可对数据进行动态分析，按各种搜索条件进行组合分析，为管理工作提供借鉴。尤其是记录的是产品的净重，直接消除了包装物皮重对计量结果的影响，同时可以对包装物质量进行监控分析，为包装物质量控制提供支持，更可以将数据导出进行各种查询分析。

另外，本发明还可以进行语音及颜色报警.出现问题即可及时采取干预措施，必要时可自动修改过程操作参数，将可能产生的风险消灭在萌芽状态。

另外，本发明可自动对过程进行自动干预，操作人员亦可依据结果采取干预措施，保证了干预的实时性。实现生产过程的稳定可控，降低计量过程风险，同时可以实现数据的100％覆盖和可追溯，尤其是消除了人工抽检去皮为皮重平均值的风险，应用前景大为可观。

附图说明

图1为现有技术中针对称重式灌装机的计量系统的结构示意图；

图2为本发明提供的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统的结构示意图；

图3为本发明提供的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法的流程图；

图4为本发明提供的称重式灌装设备计量在线SPC控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，其结构如图2所示。所述系统包括采集称重式灌装设备的数据用的数据采集卡，存储数据的数据库，对数据进行分析的数据分析单元。

其中，数据采集卡与待分析的称重式灌装设备相连，具体地，与称重式灌装设备的每个灌装单元(例如灌装头)的计量仪表相连。数据采集卡与计量仪表的连接方式可以是串口(RS232)、并口(RS485)、红外、蓝牙、网口、GSM、GPRS、3G等，具体视计量仪表的通讯口和硬件结构而定。数据采集卡在称重式灌装设备的持续运行过程中，对每个灌装单元的计量仪表的获取的皮重、净重数据实时进行采集，存储在数据库(例如，为关系型数据库)中。另外，还可将皮重、净重与灌装单元、灌装日期、灌装时间、产品名称、批次、目标值、班组、班次、包装物厂家等信息相匹配，然后存储在数据库中。随着生产过程的持续进行，实现数据的自动采集与存储。

数据分析单元从数据库中读取数据，进行分析。数据分析单元根据设定的筛选条件(例如，某一产品、某一生产日期、某一班次等)从数据库读取数据，计算计量系统能力指数Cpk值、产品平均皮重、净重，产品皮重和产品净重的控制限等，生成皮重、净重的直方图、单值移动极差图或均值极差图，从而对称重式灌装设备的灌装能力进行测定。

基于净重计算Cpk值，计算方法是公知的，在此不再详述。一般情况下，如果在Cpk值在1.33(设定值)以上，则表明设备计量保证能力较好。但特殊情况下，如皮重数据出现大的非正常波动(波动幅度大于皮重平均值的±10％或以上,另外波动的判断还可以从计算皮重的直方图、单值移动极差图或均值极差图来确定)，即使Cpk值在1.33以上，表面看计量保证能力较好，但实际净重仍可能出现异常，此时可能输送系统或称台出现异常，检查相应部分并处理以消除异常。

如果Cpk值略低于1.33，如在1.2-1.33之间，产品平均净重低于(或高于)目标值或直方图中数据在目标值左侧(或右侧)，表明设备计量能力较差。进一步，适当上调(或下调)目标净重设定参数，即可提升Cpk值。

Cpk值低于1.33较多，如在1.0-1.2之间，产品平均净重在适当范围内，单值移动极差图上数据呈稳定跳跃变化，则说明仪表检测控制能力正常，执行部件如灌装头组件可能存在异常，查找处理灌装头组件异常，则Cpk值上升。如若前述情况单值移动极差图上数据呈无规律大幅度波动，则称重仪表存在问题，需检测处理。如果产品平均净重合适(超过目标值±10％)，则称重仪表存在问题，需检测处理。

如若Cpk值低于1.0，则系统计量保证能力较差，需对整个系统进行检查分析。

上述数值或比率仅为举例，在实际生产中，可以根据行业规范设定判定用的阈值。

更进一步，所述系统还可以包括报警单元。当数据分析单元确定灌装重量出现异常时，例如净重数据超出设定规范限时，或者按设定计算准则平均净重低于设定目标值时，数据分析单元指令报警单元立即发出警报，警报可以是语音、色彩、光警报，从而操作人员实时采取措施，既可实现及时人工干预(修改操作参数或调整硬件进行干预)，也可设定当计量系统能力指数Cpk值小于设定值时，报警单元也可发出警报。

更进一步，所述系统还可以包括模式设置单元，供用户设置分析模式用，分析模式包括动态模式和静态模式。数据分析单元根据模式设置单元设置的分析模式从数据库中读取数据，进行分析。

动态模式用于当天计量过程能力分析。在动态模式中，数据分析单元从数据库读取当天的数据，对设定筛选条件的数据按照数据列表、直方图、单值移动极差图或均值极差图等方式进行分析，生成分析报告。当出现净重数据超出设定规范限时，或者按设定计算准则平均净重低于设定目标值时，数据分析单元指令报警单元发出警报。

静态模式用于长期数据分析与追溯，可以对整个数据库数据进行数据的分析、展示，以及按设定条件进行净重及包装物皮重方面的分析。系统可以按各种筛选条件，如天、月、季、年及任意时间段进行数据筛选分析、展示，做出灌装设备计量过程能力的长期分析，按照灌装头进行分析展示可以了解每个灌装头的能力状况，按照班组可以了解各个班组的操作状况，还可按产品等进行筛选分析、展示，更可以组合条件进行筛选展示分析。通过分析，为设备维修计划、包装物质量控制、员工管理与考核提供支持。为设备维护计划的编制及各种管理需要提供信息支持。分析是通过计算产品平均皮重、净重，皮重、净重的直方图、单值移动极差图或均值极差图、过程计量能力指数Cpk值、均值等而确定，与动态模式的分析方法一致，在此不再赘述。

本系统在动态模式和静态模式之间的切换不影响数据的自动采集存储及动态超限报警。

更进一步，所述系统还包括干预单元。当数据分析单元确定现净重数据超出设定规范限时，或者按设定计算准则平均净重低于设定目标值时，除了指令报警单元发出警报，还可以通过干预单元进行及时干预，实现PDCA循环(质量环)控制。例如，如果分析出平均净重低于目标值时，干预模块向该灌装单元发送指令，按照平均净重与目标值之间的差值，重新设定或修正灌装仪表目标灌装量值，从而令该灌装单元按照新设定的目标值灌装。

相应地，模式设置单元还可以由用户设置干预模式，干预模式包括自动干预模式和人工干预模式。

本系统具有较强的数据统计功能，可以实现各个时间段的计量数据分析与统计功能，为计量控制提供帮助。

本发明还提供一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法，其流程如图3所示。首先，从称重式灌装设备的计量仪表采集数据，所述数据包括灌装产品的皮重、净重。所述数据还可以包括系统通过设定，自动建立的与前述数据匹配的灌装日期、灌装时间、产品名称、批次、目标值、班组、班次、包装物厂家等。采集的数据被存储到数据库中。然后，从数据库中读取数据，针对所述数据生成净重、产品平均净重、Cpk值的直方图、单值移动极差图或均值极差图。当出现净重数据超出设定规范限时，或者按设定计算准则平均净重低于目标值时，发出警报。或者，当Cpk值小于设定值时发出警报。警报可以是语音、色彩、光警报等。

优选地，在对数据分析前还包括确定分析模式，分析模式包括动态模式和静态模式。动态模式用于当天计量过程能力分析，为操作人员提供支持。静态模式用于长期数据分析与追溯，可以对整个数据库数据进行数据的分析、展示，以及按设定条件进行净重及包装物皮重方面的分析，用于管理人员分析。

优选地，在对数据分析前还包括确定干预模式，干预模式包括人工干预模式和自动干预模式。当警报发出后，根据分析结果由人工或者自动修改或重新设定相应的灌装单元对应参数，使得灌装产品符合设定规范。

本发明还提供了一种称重式灌装设备计量在线SPC控制系统，其结构如图4所示。与图1所示的现有技术相比，该控制系统还包括数据采集卡8、工控机9，报警设备10(例如，音响设备)。数据采集卡8通过通讯线7连接到每一个称重仪表4。称重仪表4的数量、通讯线7的数量与称重式灌装设备的灌装头数(包装产品工位数)相同。一台工控机单独供一条多工位灌装机计量系统使用，也可供多灌装机的多个工位计量系统共用。

称重传感器组件1的上部平台放置相应的包装容器5，包装容器5中盛放有产品，空秤状态为系统的设置零点；在设备自动状态下，PLC通过光电管监测到包装容器5全部到位后，向称重仪表发出启动指令，称重仪表存储包装物重量并清零，设置过程零点，进入灌装计量过程。

称重传感器1感知包装容器5内的产品物料加载在称重传感器1的组件支架的上部平台上产生的重力，产生信号的变化，称重仪表4将信号的变化解析为灌装产品的重量值，与设定的目标值进行比较，当达到设定值时向过程控制PLC6发出信号，过程控制PLC6向灌装头组件发出关闭控制阀指令停止灌装，称重仪表4待状态稳定后记录此时的重量数据，即为包装产品的实际净重。

工控机9通过数据采集卡8、通讯线7获取称重仪表4暂时存储的灌装完成后产品的净重，并存储，同时与设定的净重规范限进行比对，少于规范限即向报警设备10发出信号，报警设备10进行语音报警/颜色报警，操作人员即可进行处置。

上述实施例只是本实用新型的一种较佳实时方式，每个称重仪表4在获取当前每件包装产品的重量值时，在灌装完毕状态稳定后将获取的重量值发送到计算机中，以便工控机9记录当前每件包装产品的净重。

在工控机9将确定的当前每件包装产品的净重保存在特定的数据库中时，工控机9还可以根据当前的灌装的相关信息，例如灌装时间，灌装的产品、班组以及班次等信息，将灌装的相关信息与确定的净重一并保存在数据库中。由于整个灌装的过程是周而复始的持续进行的，因此工控机9记录当前每个包装产品的净重，从而实现净重数据的全覆盖，即精确获取每个包装产品的净重。

另外，为了便于不同用户对获取到的每个包装产品的净重进行分析，该计量系统还包括局域网连接，所述工控机9通过局域网与远程计算机连接，远端用户可以实时掌握设备计量情况。

工控机9通过对记录的数据按一定设定规则进行计算分析，例如计算产品平均皮重、产品平均净重、Cpk值等，并生成皮重、净重的直方图、单值移动极差图或均值极差图和数据列表。如果设定批次的产品平均净重小于目标值，即发出报警信号，进行语音报警和颜色报警，操作人员据此对灌装机上的相应设置进行调整。在自动干预模式下，同时工控机9通过干预单元向过程控制PLC6发出指令，过程控制PLC6调整称重仪表，修改或重新设定仪表灌装参数。

由于本发明的在线SPC分析系统中利用工控机与各个称重仪表的紧密结合，进行数据采集、数学运算与信号分析处理，获取每个包装产品的净重，最大限度地获得了每个包装产品的净重信息，同时降低了劳动强度，还在过程中自动消除了人工抽检时，扣除的皮重是随机抽检空桶的平均重量所带来的误差。

由于本发明可以采集的信号较为齐全，既可以对每个包装产品计量数据进行记录，还可以监控包装物皮重，以及灌装过程的相关信息，从而监控包装产品的质量状况及其它工作过程，间接实现对包装产品的质量管理，同时还可用于宏观分析。通过计算机网络的远传功能，可以很方便地实现信息共享与干预控制。

本发明提供的在线SPC控制系统包括工控机及与灌装机包装产品数量相同的称重仪表，其中，位于灌装机上的各个称重仪表，将获取到的当前每件包装产品的重量信息发送到工控机中，工控机接收到该重量信息后，确定当前每个包装产品的净重并保存。由于在本系统中各个称重仪表将当前每个包装产品的重量信息发送到工控机中，通过工控机确定当前每个包装产品的净重，因此可以准确的确定每个包装产品的净重，从而满足净重的相应技术规范的要求。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种组合和变型而不脱离本的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，其特征在于，所述系统包括：

用于实时在线采集称重式灌装设备的数据的数据采集卡，所述数据包括产品的皮重、产品净重；

存储所述数据的数据库；

数据分析单元，所述数据分析单元从所述数据库中读取待分析数据，对产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数进行分析；其中，

所述系统还包括干预单元，当所述数据分析单元确定产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数在设定规范外时，所述数据分析单元指令所述干预单元对所述称重式灌装设备重新设定或修正灌装仪表目标灌装量值。

2.根据权利要求1所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，其特征在于，所述数据采集卡通过串口、并口、红外、蓝牙、网口、GSM、GPRS、3G中的任一种方式与称重式灌装设备的每个灌装单元的计量仪表相连。

3.根据权利要求1所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，其特征在于，采集的所述数据还包括与产品皮重、产品净重相匹配的如下匹配数据中的一种或多种：灌装单元、灌装日期、灌装时间、产品名称、批次、目标值、班组、班次、包装物厂家信息，所述数据分析单元根据上述匹配数据中的一种或多种从数据库读取数据。

4.根据权利要求1所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，其特征在于，还包括报警单元，当所述数据分析单元确定产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数在设定规范外时，指令报警单元发出警报。

5.根据权利要求1所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析系统，其特征在于，所述数据分析单元的分析还包括计算产品平均皮重，产品平均净重，产品皮重和产品净重的控制限，生成产品皮重和产品净重的直方图、单值移动极差图或均值极差图，并与规范限相比较。

6.一种称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法，其特征在于，所述方法包括：

从称重式灌装设备的计量仪表实时在线采集数据，所述数据包括灌装产品的皮重、净重；

将所述数据存储在数据库中；

从所述数据库中读取待分析数据，对产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数进行分析；其中，

所述方法还包括当数据分析单元确定产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数在设定规范外时，所述数据分析单元指令干预单元对所述称重式灌装设备重新设定或修正灌装仪表目标灌装量值。

7.根据权利要求6所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法，其特征在于，还包括采集与产品皮重、产品净重相匹配的如下匹配数据中的一种或多种：灌装单元、灌装日期、灌装时间、产品名称、批次、目标值、班组、班次、包装物厂家信息，根据上述匹配数据中的一种或多种从数据库读取数据。

8.根据权利要求6所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法，其特征在于，还包括当所述数据分析单元确定产品皮重、产品净重、产品平均皮重、产品平均净重或计量系统能力指数在设定规范外时，发出警报。

9.根据权利要求6所述的称重式灌装设备计量过程能力在线SPC分析方法，其特征在于，所述分析还包括计算产品平均皮重，产品平均净重、产品皮重和产品净重的控制限，生成产品皮重和产品净重的直方图、单值移动极差图或均值极差图，并与规范限相比较。