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1.稱重組合秤控制系統(tǒng)的背景及其研究意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，素以民以食為天的中國消費(fèi)者在對食品的需求上正發(fā)生著一系列翻天覆地的變化，我國的糧食加工業(yè)已從農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工型態(tài)走入工業(yè)制造形態(tài)。不但從量的追求而且從質(zhì)的方面都在追求更大的提升。方便、快捷、安全衛(wèi)生已成為食品工業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)。所有這些都促進(jìn)和推動(dòng)了食品加工技術(shù)的發(fā)展。作為糧食生產(chǎn)大國，我國農(nóng)產(chǎn)品的加工和包裝在近些年來越來越受到政府的重視丁隨著消費(fèi)水平的增長，副食品的生產(chǎn)與包裝必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。原產(chǎn)品出廠主要采取分包包裝形式，以大包裝居多，運(yùn)至銷區(qū)后再根據(jù)市場需求進(jìn)行小包裝。因此生產(chǎn)廠主要進(jìn)行了兩個(gè)方面的工作，一是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量，二是解決計(jì)量包裝問題，目前此類行業(yè)已經(jīng)具備一定的企業(yè)規(guī)模和技術(shù)水準(zhǔn)，該類企業(yè)正從半手工半機(jī)械轉(zhuǎn)型為具有現(xiàn)代化的設(shè)備和技術(shù)水準(zhǔn)。而隨著產(chǎn)品市場的競爭日益激烈，食品機(jī)械和其它工業(yè)機(jī)械一樣，其競爭力已不僅僅取決于量的多少，而更決定于速度的快慢以及產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。因此研制高速度、高精度的專用計(jì)量包裝設(shè)備成為較為緊要的任務(wù)。世界發(fā)達(dá)國家都把農(nóng)產(chǎn)品的加工產(chǎn)業(yè)放在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的首位，高度重視農(nóng)產(chǎn)品加工和深度利用技術(shù)的開發(fā)，即如何通過精深加工來實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的大量轉(zhuǎn)化，提高利用與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，解決農(nóng)村問題的關(guān)鍵所在。
在組合秤問世之前，常規(guī)的產(chǎn)品定量包裝是靠單頭秤稱量完成的。若被稱物品重量均勻，該類型的單頭秤只需具備零區(qū)設(shè)定，延時(shí)釆樣，自動(dòng)去除皮重和落差修正等即可使稱量達(dá)到準(zhǔn)確值。然而對于質(zhì)量部不均勻、形狀不規(guī)則的被稱物品，釆用單頭秤己無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品稱重精度和稱重速度上的要求。為解決此類問題，一些國外廠家開始釆用多頭單秤同時(shí)稱重，利用多個(gè)分量組合的原理達(dá)到目標(biāo)重量。在達(dá)到目標(biāo)重量后輸送給包裝機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的成品包裝，這即稱重組合秤的最初雛形⑴。稱重組合秤又稱電腦組合秤、電子多頭秤等，它是一種基于組合稱重技術(shù)的新型高科技技術(shù)產(chǎn)品，起始于上世紀(jì)七十年代，最初是在英國設(shè)計(jì)并制造出來的。它通過將目標(biāo)包裝量分成若干等份進(jìn)行同時(shí)稱重，然后將稱得的若干分量累加在一起并求取最佳目標(biāo)質(zhì)量，然后完成最終包裝⑵。稱重組合秤的岀現(xiàn)，不但成功的解決了諸如薯片、干果等質(zhì)量不均勻、形狀不規(guī)則產(chǎn)品的計(jì)量包裝，還有效的解決了傳統(tǒng)單秤稱重帶來的稱重速度慢、精度差的問題，是目前食品生產(chǎn)包裝行業(yè)公認(rèn)的高科技電子計(jì)量產(chǎn)品。高精度電子稱重組合秤之所以能得到市場的認(rèn)可，主要有以下幾點(diǎn)原因：
（1）我國食品需求仍有很大的空間，但目前國內(nèi)食品計(jì)量包裝行業(yè)剛剛進(jìn)入起步階段，許多生產(chǎn)廠家還處于七八十年代的老式機(jī)械生產(chǎn)階段，包裝機(jī)械制造業(yè)任重道遠(yuǎn)。
（2）基于市場的認(rèn)可和需求，本次設(shè)計(jì)基于以下幾點(diǎn)有必要研制專用食品制品包裝
設(shè)備，這也是得到目前市場認(rèn)可的幾點(diǎn)原因：（1）目前國內(nèi)沒有專用的此類大包裝設(shè)備。（2）由于人工費(fèi)的迅速增加，單靠手工操作完成的計(jì)量包裝只會(huì)增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。只要該類設(shè)備價(jià)格合理，就會(huì)有很大的潛在市場。（3）此類設(shè)備還可用于其他行業(yè)，如化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)行業(yè)。該項(xiàng)目完成后經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在提高生產(chǎn)效率、減少勞動(dòng)力、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量及衛(wèi)生和安全性，從而使企業(yè)降低勞動(dòng)成本、減少開支、達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。因此我國計(jì)量包裝機(jī)械行業(yè)的廣大科技工作者,要敢于創(chuàng)新，善于學(xué)習(xí)，堅(jiān)持科學(xué)技術(shù)領(lǐng)先，研發(fā)出我國食品加工行業(yè)急需的、適合國內(nèi)市場的高自動(dòng)化、高速度、高效能的計(jì)量包裝機(jī)械，為我國食品工業(yè)和包裝機(jī)械產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展做出令世人贊嘆的業(yè)績。
（3）目前市場上的稱重組合秤大多釆用工控機(jī)、單片機(jī)為電氣系統(tǒng)控制核心，但由于工控機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)自身存在一些無法消除的缺陷，如兼容性差、輸出功率弱等。這就給包裝設(shè)備帶來了先天性的性能不足，因此也就無法滿足各種環(huán)境下的生產(chǎn)需求。而可編程邏輯控制器卻可以解決此類問題，與其它智能控制系統(tǒng)相比，可編程邏輯控制器有著極其優(yōu)越的工業(yè)控制性能，它專用于各種惡劣的現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，具有擴(kuò)展能力強(qiáng)、抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)，本課題釆用這種類型的控制器取代傳統(tǒng)的控制單元,從而使系統(tǒng)有著無可比擬的優(yōu)越性。
2稱重組合秤控制系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢
基于組合稱量技術(shù)的高精度組合秤始于20世紀(jì)70年代，最初是在英國研制并制造出來的。其后又在日本、德國、美國、法國等幾個(gè)發(fā)達(dá)國家得以研制和推廣PL我國此類行業(yè)起步甚晚，開始于上世紀(jì)90年代，最初研制生產(chǎn)技術(shù)有國外全權(quán)掌握，其中以日本和德國的實(shí)力最為雄厚，當(dāng)時(shí)我國只能靠高價(jià)從國外購買，自上世紀(jì)九十年代中后期以來，國內(nèi)市場陸續(xù)進(jìn)口的電子組合秤，其組合斗數(shù)一般為8~16斗，其計(jì)量速度一般為50~90包/分.計(jì)量精度可達(dá)±0.2%,但價(jià)格均較高，一臺(tái)電子稱重組合秤當(dāng)時(shí)的售價(jià)是幾十萬到一百多萬不等，這無疑給一些中小企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)成本上的負(fù)擔(dān)，大大的影響了該類設(shè)備在國內(nèi)的推廣，也滯后了市場食品加工生產(chǎn)的速度，拉大了國內(nèi)外消費(fèi)和收入的差距。于是國內(nèi)也相繼開始對此類產(chǎn)品進(jìn)行摸索和研制。并由最初的進(jìn)口發(fā)展為合資再到現(xiàn)在的自主研制?，F(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)已趨于成熟，設(shè)備成本大大降低，性能和質(zhì)量也有很大提高，已在國內(nèi)企業(yè)得到了廣泛認(rèn)同和普遍推廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年，電子組合秤的累計(jì)銷售額已超過了7億元"I。市場使用率已超過中等發(fā)達(dá)國家?？偟膩碚f該類產(chǎn)品經(jīng)歷了數(shù)字、模擬、單片機(jī)、工控機(jī)和PLC控制技術(shù)的發(fā)展過程.稱量斗數(shù)也從雙頭、三頭逐漸向多頭發(fā)展?？偟膩砜?，這些稱量設(shè)備主要采用為容積法和一般稱重法。上世紀(jì)八十年代初期，在食品計(jì)量包裝領(lǐng)域，應(yīng)用較多的仍是單頭電子秤即常規(guī)電子秤，該類設(shè)備稱重精度低、速度慢，為保證計(jì)量精度，而又要提高包裝速度.一些國外廠家釆用幾套單頭電子秤同時(shí)稱重，同時(shí)向同一臺(tái)包裝設(shè)備供料；尤其對于形狀不規(guī)則又無法進(jìn)行分割、單重不一或非顆粒狀物料來說，采用單頭電子秤已無法實(shí)現(xiàn)計(jì)量的高精度和高速度的要求。于是基于組合稱量技術(shù)的多頭稱重電子組合秤就誕生了。它是一種具有高速度、高性能的稱重計(jì)量設(shè)備，主要使用在形狀不規(guī)則.單重不均勻，價(jià)格較貴且需要精確計(jì)量和需要進(jìn)行快速計(jì)量的固體產(chǎn)品.它最先是由邏輯電路和單片機(jī)技術(shù)為支撐，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為由計(jì)算機(jī)或PLC進(jìn)行控制的高技術(shù)產(chǎn)品.目前它是食品計(jì)量包裝行業(yè)公認(rèn)的一種正確地測量的高精度、高技術(shù)、高速度、高性能的計(jì)量系統(tǒng)。
食品包裝行業(yè)近些年在我國迅速發(fā)展，食品廠家之間的競爭也愈演愈烈，在國內(nèi)食品業(yè)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，就目前食品包裝包裝機(jī)械來看，雖然在共性技術(shù)和常規(guī)裝備方面已形成較為完善的產(chǎn)品包裝體系，但在關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)上仍不見起色，初級產(chǎn)品的低水平與高端產(chǎn)品的高性能要求的矛盾一直得不到解決。我國的食品包裝機(jī)械的生產(chǎn)指標(biāo)較之發(fā)達(dá)國家的指標(biāo)還存在著很大的差距。這就要求在食品生產(chǎn)過程中，所使用的加工包裝裝備的技術(shù)性能，在保障終端產(chǎn)品的生產(chǎn)效率等方面有著更高的要求。但是，我國包裝機(jī)械岀口額還不足總產(chǎn)值的10%,進(jìn)口額卻占總產(chǎn)值的90%回。這說明我國對包裝機(jī)械的需求缺口仍舊很大，國產(chǎn)包裝機(jī)械與國外產(chǎn)品相比，主要差距在科技水平上，對于一個(gè)食品消費(fèi)大國來說這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)需求。從中國食品協(xié)會(huì)所匯總統(tǒng)計(jì)的計(jì)量包裝機(jī)械制造數(shù)據(jù)來看，我國大部分企業(yè)還在低水平上徘徊，高起點(diǎn)的很少。這些企業(yè)的包裝技術(shù)水平還相對落后，我們使用的大部分還是簡單機(jī)械，或是和國外機(jī)械設(shè)備配套的附屬設(shè)施。單靠人工、半人工的生產(chǎn)方式還很常見。從整體技術(shù)水平來看，我國大部分計(jì)量包裝設(shè)備還處在歐美90年代的水平，只有很少量的已達(dá)到現(xiàn)代化代的水平。目前食品包裝機(jī)械的開發(fā)主要是包裝機(jī)械制造企業(yè)根據(jù)市場的需求在進(jìn)行調(diào)整，并且能夠自行開發(fā)研制的食品加工包裝機(jī)械制造企業(yè)卻寥寥無幾。很多食品生產(chǎn)企業(yè)對我國包裝機(jī)械的整體技術(shù)水平認(rèn)識(shí)不足，只注重設(shè)備的價(jià)格，從而導(dǎo)致了低檔產(chǎn)品的發(fā)展，間接的阻礙了該類機(jī)械的升級換代和創(chuàng)新。總體上看，目前國內(nèi)機(jī)械包裝行業(yè)的產(chǎn)品大包裝還比較落后，企業(yè)生產(chǎn)都由工人手工完成，效率低，速度慢，不能適應(yīng)企業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各方面的要求。
通過近幾十年的發(fā)展，目前我國的組合包裝技術(shù)已有很大提高，特別是產(chǎn)品的包裝工藝上已接近世界先進(jìn)水平，積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。尤其是高速度包裝設(shè)備在外國技術(shù)巳經(jīng)成熟的情況下，國內(nèi)部分該類企業(yè)也已積極投入研制，已由最初的起步到發(fā)展再到完善與成熟，特別是由PLC與傳感器控制的機(jī)電一體化自動(dòng)生產(chǎn)線，它具有其它同類設(shè)備無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在這方面它取代了以前單靠人工稱重并包裝的程序，使得產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)得以在艱苦的環(huán)境下完成，因此提高了食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)量包裝速度是衡量一臺(tái)組合秤的主要指標(biāo)，目前國外自動(dòng)包裝機(jī)的包裝速度最高達(dá)150包/分，國內(nèi)比較著名的組合秤制造公司如廣州的某公司，鄭州某包裝機(jī)械公司、江蘇某公司、廣州某公司等，其顆粒自動(dòng)包裝機(jī)的包裝速度已達(dá)到每分鐘140包左右，其計(jì)量范圍也有很大提高。雖然設(shè)備的性能有很大改善，但目前能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的該類設(shè)備在國內(nèi)并不常見，在原有國外設(shè)備基礎(chǔ)上有設(shè)計(jì)創(chuàng)新的更是寥寥無幾。因此了解了國外先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)生產(chǎn)原理，吸收國外先進(jìn)的技術(shù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，增加開發(fā)力度，是縮小和國外同類產(chǎn)品差距的有效途徑。目前需要的是對這些企業(yè)進(jìn)行支持和合理安排，分別讓其開發(fā)不同性能的設(shè)備，相信會(huì)很快會(huì)使整個(gè)食品加工包裝機(jī)械制開發(fā)出有以下幾點(diǎn)性能的組合包裝設(shè)備。
1.技術(shù)含量高、可靠性強(qiáng)。
2.易改造、成套供應(yīng)能力強(qiáng)。
3.滿足高速度、高精度、高準(zhǔn)確度的性能要求。
4.整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)完全自動(dòng)化。
5.機(jī)身小、重量輕，易于攜帶并且成本低。

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