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1概    述
小包裝的稱重包裝是食品、種子和化工等行業(yè)生產(chǎn)中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。稱量包裝的準(zhǔn)確與否將直接影響到企業(yè)的信譽(yù)和經(jīng)濟(jì)效益。過去采用機(jī)械稱量、人工裝袋,勞動(dòng)強(qiáng)度大、速度慢、精度低。近年來,采用電子稱量裝置雖然可使其靜態(tài)稱量精度大大提高,但在各類連續(xù)稱量生產(chǎn)過程中,其動(dòng)態(tài)精度仍不能保證。因此,在快速自動(dòng)稱量中如何提高動(dòng)態(tài)稱量精度,一直是計(jì)量包裝企業(yè)急需解決的難題。
本文作者針對(duì)稱量裝置在應(yīng)用于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程中出現(xiàn)的精度低、重復(fù)性差、易受干擾和功能單一等不足,為了與連續(xù)的計(jì)量生產(chǎn)過程相適應(yīng),實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)的全部自動(dòng)化,通過應(yīng)用PLC作為動(dòng)態(tài)稱量包裝測控設(shè)備,在硬件和軟件設(shè)計(jì)中采用了一些措施和動(dòng)態(tài)控制方法,較好地兼顧了稱量速度與精度的矛盾,實(shí)現(xiàn)了稱量包裝自動(dòng)化生產(chǎn)中動(dòng)態(tài)稱重的高精度計(jì)量,并提出了滿足特殊形狀物料輸送的多功能解決辦法。
2研究目標(biāo)
（1）稱量范圍:50g~500g（雙傳感器）
（2）稱量精度:±0.3%
（3）可重復(fù)性:±0.2%
（4）供料級(jí)數(shù):三級(jí)（帶料厚控制機(jī)構(gòu)）
（5）采樣速率:≤15次/秒
（6）設(shè)定內(nèi)容:理論重量,主供料停振值,允許誤差范圍,過沖量的設(shè)定與自動(dòng)修正
（7）輸出控制:一級(jí)供料、二級(jí)供料、三級(jí)供料、存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)、擋板機(jī)構(gòu)等
（8)傳感器電源:DC10v
（9)零位及滿度:可調(diào)
（10)自動(dòng)去皮、超載報(bào)警、超差指示、重量LCD顯示、自動(dòng)反饋和校正功能。
3電子自動(dòng)包裝秤的組成和工作原理
電子自動(dòng)包裝秤通常由機(jī)械裝置和電氣控制系統(tǒng)兩大部分組成,其主要組成有:
機(jī)械裝置主要包括:提升系統(tǒng)、儲(chǔ)料倉、閘門、三級(jí)供料機(jī)構(gòu)、理料機(jī)構(gòu)、稱量斗、開斗機(jī)構(gòu)、出料口等。
電氣控制系統(tǒng)主要包括:稱重傳感器、放大器、PLC、料位檢測、料層厚度檢測、電磁振動(dòng)系統(tǒng)及電動(dòng)執(zhí)行器等,如圖1。

電氣控制系統(tǒng)以PLC為核心,配以稱重傳感器、變送器、各種電動(dòng)執(zhí)行器和機(jī)械裝置,實(shí)現(xiàn)物料的動(dòng)態(tài)在線稱重計(jì)量和包裝工作。
提升機(jī)構(gòu)將物料提升至儲(chǔ)料倉,物料通過儲(chǔ)料倉下的可移動(dòng)閘門進(jìn)入電磁供料系統(tǒng),由三級(jí)供料機(jī)構(gòu)將物料連續(xù)地送至稱料斗內(nèi),為使供料均勻,除了必須使電磁振動(dòng)穩(wěn)定可調(diào),同時(shí)還應(yīng)增加料層控制機(jī)構(gòu),在提高供料速度和計(jì)量精度的雙重要求下,供料機(jī)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能滿足開始為大流量供料,在接近設(shè)定值時(shí),采用小流量供料的結(jié)構(gòu)。物料進(jìn)入稱斗后,稱斗的重量信號(hào)直接由稱重傳感器轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào),經(jīng)放大器把該電壓信號(hào)放大后送入PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí),PLC控制停止下料,然后PLC控制打開稱斗,并控制自動(dòng)包裝（或輸送)設(shè)備聯(lián)鎖工作。于是,就完成了一次物料稱量包裝（或輸送)的自動(dòng)化過程。
4關(guān)鍵技術(shù)措施
4.1提高動(dòng)態(tài)稱重精度的硬件措施
通過上述稱量過程的描述分析可知,影響稱重靜態(tài)精度來源于傳感器和放大器組成的硬件系統(tǒng),如圖2所示。

該系統(tǒng)通過傳感器將物料重量W變換為成線性關(guān)系的電壓信號(hào)Ux,并通過放大器進(jìn)行放大。圖2中Un表示等效到放大器輸入端的噪聲和干擾電壓,AUi表示等效到輸入端的漂移電壓。設(shè)放大器的放大倍數(shù)為A,則Uo=A(Ux+Un+ΔUi)=AUx+AUn+A*ΔUi式中的第2項(xiàng)主要影響靈敏度,第三項(xiàng)主要影響系統(tǒng)的精度。
（1)影響傳感器的因素及解決辦法
傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性除決定傳感器本身的性能外,還與供電電源和傳感器的安裝有密切關(guān)系。本系統(tǒng)采用PT1500（1.5KG)兩只高精度稱重傳感器,每只傳感器單獨(dú)供電,通過調(diào)節(jié)其橋路電壓使兩只傳感器的輸出靈敏度K相同,兩只傳感器串聯(lián)輸出的電壓為Ux:=K(E1+E2)。為了提高每個(gè)傳感器供橋電源的穩(wěn)定性采用二次穩(wěn)壓,并對(duì)元器件進(jìn)行老化、測試后選配,特別是對(duì)基準(zhǔn)穩(wěn)壓管的老化處理和時(shí)漂測試,選擇時(shí)漂小的通過調(diào)節(jié)其工作電流使其工作在接近零溫度系數(shù)（＜2ppm/℃)下,使整個(gè)傳感器電源的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10ppm/℃。兩只稱重傳感器安裝在稱斗和底座之間。如果傳感器承受的重量與傳感器軸線存在夾角,則將產(chǎn)生橫向分力而引入誤差ΔW=W-Wcosα,這對(duì)于每次稱重=500g,在稱斗皮重為1KG的情況下,即兩只1500g的傳感器實(shí)際總荷重為1500g。當(dāng)α=5°時(shí),稱重誤差就為5.71g。因此,安裝傳感器時(shí)應(yīng)設(shè)法確保傳感器都能垂直受力。
（2)影響系統(tǒng)靈敏度的因素及解決辦法
影響系統(tǒng)靈敏度的主要因素是檢測電路的內(nèi)部噪聲和外部干擾電壓Un,它與放大器所工作的頻帶有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中,通過選擇低噪聲器件,在滿足采集速度所需足夠?qū)挼念l帶的前提下,通過選配電阻來提高放大電路本身的共模抑制能力,整個(gè)檢測系統(tǒng)采用雙層屏蔽,采樣時(shí)間選為工頻周期整數(shù)倍等項(xiàng)措施,使整個(gè)系統(tǒng)獲得了能分辨0.5g重量的靈敏度。
(3)影響準(zhǔn)確度的主要因素及解決辦法
影響準(zhǔn)確度的主要因素是整個(gè)檢測系統(tǒng)的非線性和漂移AUi。其中系統(tǒng)的非線性,在選配元器件校正的基礎(chǔ)上,采用了軟件修正;而對(duì)于隨溫度和時(shí)間產(chǎn)生的漂移電壓AUi,主要采用元器件的老化、測試與分選工藝,篩選掉時(shí)漂大的,然后選配溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,使整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)精度達(dá)到了0.1%,為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的較好的稱量精度奠定了基礎(chǔ)。
(4)對(duì)特殊條狀物料供料機(jī)構(gòu)的解決辦法本系統(tǒng)還針對(duì)條狀物料的稱重提出了解決
辦法,其主要難點(diǎn)是供料時(shí)易亂、易搭橋,因此作者經(jīng)實(shí)驗(yàn)提出了以振動(dòng)、舍去、整理與重投相結(jié)合的一種新型供料方法(圖略),即:料層穩(wěn)定的物料首選為振動(dòng)工作方式,料層開始堆積的則進(jìn)行"舍去",舍去后的物料先進(jìn)理料機(jī)構(gòu),整理后的物料再重新投入進(jìn)料倉。經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證效果較好。
4.2.提高動(dòng)態(tài)稱重精度的軟件措施
影響動(dòng)態(tài)稱重精度的主要因素是被稱物料的比重、不均勻度、流量和落差的大小,它受進(jìn)料倉的料位、電磁振動(dòng)的大小、料層控制機(jī)構(gòu)、稱料斗的安裝位置等多重因素影響。因此,改進(jìn)控制思路,借鑒靜態(tài)稱量精度高的特點(diǎn)是提高動(dòng)態(tài)計(jì)量精度的關(guān)鍵。為此,我們對(duì)應(yīng)采取了控制進(jìn)料倉的料位,利用三級(jí)電磁振動(dòng)的供料機(jī)構(gòu),增加料層控制閘板及減少傳感器安裝的落差距離等措施,采用"先快后慢,先大量后小量"的控制下料方式?？刂七^程為:w0為稱量前PLC所采集的稱斗皮重;由此PLC按照每包計(jì)量凈重量的85%、95%和100%算出快速下料的終了值w1、慢速下料終了值w2和稱量終了值w3。其控制過程可以這樣簡單說明:在下料開始的一段時(shí)間,PLC控制電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)快速下料,當(dāng)檢測達(dá)到快速下料的終了值w1時(shí),PLC控制電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)開始慢速下料;當(dāng)檢測達(dá)到慢速下料的終了值w2時(shí),PLC控制電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)開始"點(diǎn)動(dòng)"下料,直到達(dá)到或接近期望值wx時(shí)為止。
按照上述思路,通過編寫全動(dòng)態(tài)控制加料的快、慢速供料和點(diǎn)動(dòng)下料的軟件模塊;以及為消除空中落料對(duì)稱量精度的影響,所編寫的自動(dòng)尋找提前停機(jī)量的軟件模塊等軟件措施,充分保證了整個(gè)稱量系統(tǒng)的軟件功能。
(1)系統(tǒng)控制主程序;
(2)理料控制程序;
(3)初始化子程序;
(4)模擬量采樣與濾波子程序;
(5)落差及過沖量補(bǔ)償子程序;
(6)去皮子程序;
(7)零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤子程序;
(8)量程切換設(shè)定及顯示程序;
(9)重量設(shè)定與顯示程序;
(10)允許誤差的設(shè)定程序;
(11)自動(dòng)合格性判斷及計(jì)數(shù)程序等;
5結(jié)    論
采用PLC控制進(jìn)行物料稱重包裝,具有結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)量準(zhǔn)確、工作可靠的特點(diǎn),較好地兼顧了動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量的精度和速度,滿足了在線快速動(dòng)態(tài)重量計(jì)量的要求,另外在滿足異形物料生產(chǎn)廠家稱量要求的前提下,同時(shí)保證了系統(tǒng)具有較高的精度、較快的速度和極高的可靠性,提高了勞動(dòng)效率和衛(wèi)生要求,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本,同時(shí)由于裝置成本較低,使其具有較高的推廣使用價(jià)值。

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