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自動(dòng)包裝機(jī)主要應(yīng)用于大量散裝物料的定量包裝，以方便運(yùn)輸、銷(xiāo)售和使用，按照定量原理，可將自動(dòng)包裝機(jī)分為稱重式和定容式兩大類。近年來(lái)，隨著自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)包裝機(jī)精度要求越來(lái)越高，利用稱重方式更便于提高包裝機(jī)稱量精度，本文主要針對(duì)稱重式自動(dòng)包裝機(jī)對(duì)其定量功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1.自動(dòng)包裝機(jī)組成及工作原理
稱重式自動(dòng)包裝機(jī)主要由儲(chǔ)料斗、給料門(mén)、稱重傳感器、稱重斗、卸料門(mén)、放料斗等幾部分相互配合，完成供料、稱重、卸料動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的自動(dòng)包裝過(guò)程，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

當(dāng)儲(chǔ)料斗中物料足夠，在重力的作用下進(jìn)入重力供料裝置，完全打開(kāi)料門(mén)進(jìn)入大給料狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)給定大給料重量時(shí)，關(guān)閉給料門(mén)，留一條狹縫，進(jìn)入小給料狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)給定小給料重量時(shí)，完全關(guān)閉給料門(mén)，經(jīng)過(guò)一定的空中落料，稱量斗穩(wěn)定，并且卡袋機(jī)構(gòu)卡緊時(shí)，卸料門(mén)打開(kāi)，物料進(jìn)入放料斗，再落入袋內(nèi)，完成一個(gè)包裝循環(huán)[1]。根據(jù)每次灌裝之后的實(shí)際重量，利用反饋控制算法，計(jì)算出下一個(gè)包裝循環(huán)時(shí)小給料重量，控制這個(gè)重量，使整個(gè)系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整回目標(biāo)重量。
2.定量稱重系統(tǒng)稱量部分設(shè)計(jì)
定量稱重系統(tǒng)是包裝機(jī)的核心部分，稱量部分完成對(duì)物料重量的稱量，來(lái)保證包裝的精度。本部分主要包括秤體、秤斗、傳感器等。
■2.1秤體
是鋼制的裝配式的箱體結(jié)構(gòu)，它能支撐并把秤的全部部件包容在箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)。箱體上裝有二扇較大的門(mén)，在安裝和維護(hù)時(shí)可以方便地接觸內(nèi)部部件。在箱體的側(cè)面開(kāi)有二個(gè)通風(fēng)口，可以用來(lái)安裝除塵系統(tǒng)。
■2.2秤斗
是在稱量循環(huán)中用來(lái)盛料的，秤斗用二根垂直的桿懸掛著，桿的下端用螺栓與秤斗固定，上端用二個(gè)軸承與傳感器相連。料斗上裝有二塊擋板式卸料門(mén)，是用氣缸來(lái)控制的。當(dāng)秤斗門(mén)全部閉合時(shí)有一個(gè)接近開(kāi)關(guān)提供關(guān)的信號(hào)，當(dāng)秤斗門(mén)還未關(guān)閉時(shí)又有連鎖裝置可以防止進(jìn)料門(mén)動(dòng)作。在稱量料斗的底部裝有支撐架，用來(lái)安裝和校核時(shí)放置砝碼。秤斗的側(cè)面裝有一扇可開(kāi)啟的門(mén)，以便清掃料斗內(nèi)部的積灰。

■2.3稱重式傳感器
與稱量斗相連，可以及時(shí)測(cè)得物料重量，本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器，其結(jié)構(gòu)為懸臂梁式，如圖2所示。傳感器的下端用二個(gè)軸承與二根垂直的桿懸掛著的桿相連，桿的下端用螺栓與秤斗固定。

■2.4軟件設(shè)計(jì)中的措施
在PLC控制系統(tǒng)中，如果采用更加合適的控制模型與算法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)得到大幅提升。通常，可以采用采樣值數(shù)字濾波的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的有效濾除；采用不完全的微分方式，可以有效防止在控制過(guò)程中產(chǎn)生震蕩；如果采用選擇性的控制調(diào)解模式，則可以使接近危險(xiǎn)區(qū)域的被控量脫離危險(xiǎn)，將故障先兆及時(shí)排除，有效避免事故的發(fā)生。所以，對(duì)于所針對(duì)的不同對(duì)象，則應(yīng)該采用多種或綜合控制算法模式，使得整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性得到保證。
3.定量稱重系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)
定量稱重系統(tǒng)控制部分如圖3所示，稱重傳感器稱量物料重量，并將其轉(zhuǎn)換為電量，通過(guò)顯示器顯示實(shí)測(cè)值，控制系統(tǒng)通過(guò)順序單元和繼電器單元完成實(shí)測(cè)值    與設(shè)
定值（大給料重量    、小給料重量    ）的比較，控制料門(mén)動(dòng)作，最終使系統(tǒng)達(dá)到包裝目標(biāo)重量    。

本系統(tǒng)根據(jù)一般稱重控制系統(tǒng)自身周期性往復(fù)稱量的特點(diǎn)，采用智能補(bǔ)償算法對(duì)系統(tǒng)控制量進(jìn)行預(yù)測(cè)調(diào)整，使包裝的實(shí)際重量符合生產(chǎn)要求。通過(guò)一次實(shí)際稱量重量與給定重量的誤差值，對(duì)下一次給料過(guò)程進(jìn)行修正，從而保證物料的稱量誤差在最小的范圍內(nèi)。并且通過(guò)幾次給料過(guò)程的修正，使得實(shí)際稱量值自動(dòng)調(diào)整回給定值重量。
■3.1稱重控制算法 

設(shè)不止目標(biāo)重量為Wg，大給料重量為W_A，小給料重量為W_B，實(shí)測(cè)重量為W_K，終止提前給料量為?，即：

?=Wg-W_B（式1）

當(dāng)落下物料的實(shí)測(cè)重量小于W_A時(shí)，大、小給料氣缸同時(shí)打開(kāi)，為大給料狀態(tài)；當(dāng)實(shí)測(cè)重量大于W_B時(shí)，大給料氣缸關(guān)閉，進(jìn)入小給料狀態(tài)，以免產(chǎn)生超調(diào)。當(dāng)實(shí)測(cè)重量等于時(shí)，即到達(dá)終止提前給料量時(shí)，關(guān)閉小給料氣缸，停止給料[2]。其控制算法可用式2表示。

每次包裝時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)態(tài)稱量誤差    及大小給料切換界限值，終止給料量進(jìn)行比較，按式3選擇不同的給料狀態(tài)。每次包裝完畢，待系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)根據(jù)靜態(tài)稱量誤差    （為第k次稱重時(shí)的靜態(tài)稱量值）對(duì)終止給料提前量進(jìn)行補(bǔ)償，得到下次包裝的終止給料提前量，為下次包裝作好準(zhǔn)備。
這種稱重補(bǔ)償算法假設(shè)某種物料第k＋1次稱量時(shí)，其終止給料提前量能在對(duì)的基礎(chǔ)上得以補(bǔ)償，這種補(bǔ)償取決于第k次稱量后的靜態(tài)誤差及其變化量。
補(bǔ)償方法為：

當(dāng)稱量誤差超過(guò)允許誤差范圍且有發(fā)散趨勢(shì)時(shí)，用多次誤差的統(tǒng)計(jì)值來(lái)修正    。當(dāng)稱量誤差超過(guò)允許誤差范圍且有收斂趨勢(shì)時(shí)，采用恒值補(bǔ)償。當(dāng)稱量誤差在允許范圍
之內(nèi)時(shí)，不對(duì)    進(jìn)行補(bǔ)償。如式5所示。

式中    ――智能補(bǔ)償算法
x――開(kāi)始進(jìn)入累計(jì)補(bǔ)償?shù)姆Q量次數(shù)，累計(jì)補(bǔ)償持續(xù)到稱量誤差趨于收斂為止。
3.2控制算法流程圖

當(dāng)實(shí)測(cè)重量大于目標(biāo)重量時(shí)，預(yù)測(cè)小給料重量有減小趨勢(shì)；當(dāng)實(shí)測(cè)重量小于目標(biāo)重量時(shí)，預(yù)測(cè)小給料重量有增大趨勢(shì)，將下一次包裝的實(shí)測(cè)重量向目標(biāo)重量調(diào)回。理想狀態(tài)下小給料結(jié)束后，還有一部分空間落料重量，其值應(yīng)該是一個(gè)恒定的值，實(shí)際中物料性質(zhì)以及工作環(huán)境等因素影響引起的系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致空間落料量的變化，最終影響稱量結(jié)果的不準(zhǔn)確。加入智能補(bǔ)償算法后，達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整空間落料量效果，減小了包裝機(jī)系統(tǒng)誤差，保證該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求得以滿足。

用常用的電纜即可；如果信號(hào)所傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，則可以采用屏蔽電纜。對(duì)于系統(tǒng)中負(fù)責(zé)通信的電纜，則對(duì)可靠性的要求更高，同時(shí)，考慮到部分通信電纜的信號(hào)頻率比較高，可以考慮采用專門(mén)的生產(chǎn)廠家所提供的專用電纜；如果系統(tǒng)中的信號(hào)頻率較低，且整個(gè)系統(tǒng)的要求不高，則可以考慮采用帶屏蔽的雙絞線即可。
在實(shí)際的部署與使用中，PLC控制系統(tǒng)要盡可能地遠(yuǎn)離較強(qiáng)的干擾源，比如高頻焊機(jī)、比較大型的動(dòng)力設(shè)備等。此外，還應(yīng)該P(yáng)LC控制設(shè)備與高壓電器進(jìn)行分開(kāi)存放，且存放柜中的PLC要與動(dòng)力線遠(yuǎn)離。與PLC控制系統(tǒng)處于相同開(kāi)關(guān)柜中的其他電感性元件，比如常見(jiàn)的繼電器、接觸器線圈等，則應(yīng)該與消弧電路并聯(lián)。
3.3利用冗余技術(shù)提高可行性
對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可行性要求極高的地方，如果單單采用硬件的方式來(lái)提升系統(tǒng)可行性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)生產(chǎn)和使用成本的大幅增加，因此，就有必要采用冗余技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.結(jié)束語(yǔ)
PLC控制系統(tǒng)在使用過(guò)程中，所面對(duì)的應(yīng)用環(huán)境與條件存在較大的差異，且干擾源也有很大的不同。所有，在具體的操作與應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中，則只有采用更加適當(dāng)?shù)拇胧拍艽龠M(jìn)整個(gè)系統(tǒng)以更加安全、可行的方式進(jìn)行工作。

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