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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。所有這些都促進和推動了食品加工技術(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)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。原產(chǎn)品出廠主要采取分包包裝形式，以大包裝居多，運至銷區(qū)后再根據(jù)市場需求進行小包裝。因此生產(chǎn)廠主要進行了兩個方面的工作，一是實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量，二是解決計量包裝問題，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，該類企業(yè)正從半手工半機械轉(zhuǎn)型為具有現(xiàn)代化的設(shè)備和技術(shù)水準。而隨著產(chǎn)品市場的競爭日益激烈，食品機械和其它工業(yè)機械一樣，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、高精度的專用計量包裝設(shè)備成為較為緊要的任務(wù)。世界發(fā)達國家都把農(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現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的大量轉(zhuǎn)化，提高利用與經(jīng)濟價值，這是發(fā)展國民經(jīng)濟，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，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，延時釆樣，自動去除皮重和落差修正等即可使稱量達到準確值。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稱重，利用多個分量組合的原理達到目標重量。在達到目標重量后輸送給包裝機進行產(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，起始于上世紀七十年代，最初是在英國設(shè)計并制造出來的。它通過將目標包裝量分成若干等份進行同時稱重，然后將稱得的若干分量累加在一起并求取最佳目標質(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)公認的高科技電子計量產(chǎn)品。高精度電子稱重組合秤之所以能得到市場的認可，主要有以下幾點原因：
（1）我國食品需求仍有很大的空間，但目前國內(nèi)食品計量包裝行業(yè)剛剛進入起步階段，許多生產(chǎn)廠家還處于七八十年代的老式機械生產(chǎn)階段，包裝機械制造業(yè)任重道遠。
（2）基于市場的認可和需求，本次設(shè)計基于以下幾點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可的幾點原因：（1）目前國內(nèi)沒有專用的此類大包裝設(shè)備。（2）由于人工費的迅速增加，單靠手工操作完成的計量包裝只會增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。只要該類設(shè)備價格合理，就會有很大的潛在市場。（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)。該項目完成后經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在提高生產(chǎn)效率、減少勞動力、降低勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量及衛(wèi)生和安全性，從而使企業(yè)降低勞動成本、減少開支、達到增產(chǎn)增收的目的。因此我國計量包裝機械行業(yè)的廣大科技工作者,要敢于創(chuàng)新，善于學習，堅持科學技術(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)市場的高自動化、高速度、高效能的計量包裝機械，為我國食品工業(yè)和包裝機械產(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、單片機為電氣系統(tǒng)控制核心，但由于工控機和單片機系統(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，具有擴展能力強、抗干擾能力好等優(yōu)點，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、法國等幾個發(fā)達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力最為雄厚，當時我國只能靠高價從國外購買，自上世紀九十年代中后期以來，國內(nèi)市場陸續(xù)進口的電子組合秤，其組合斗數(shù)一般為8~16斗，其計量速度一般為50~90包/分.計量精度可達±0.2%,但價格均較高，一臺電子稱重組合秤當時的售價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)濟成本上的負擔，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)外消費和收入的差距。于是國內(nèi)也相繼開始對此類產(chǎn)品進行摸索和研制。并由最初的進口發(fā)展為合資再到現(xiàn)在的自主研制。現(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)得到了廣泛認同和普遍推廣。據(jù)統(tǒng)計，2008年，電子組合秤的累計銷售額已超過了7億元"I。市場使用率已超過中等發(fā)達國家。總的來說該類產(chǎn)品經(jīng)歷了數(shù)字、模擬、單片機、工控機和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。上世紀八十年代初期，在食品計量包裝領(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稱重，同時向同一臺包裝設(shè)備供料；尤其對于形狀不規(guī)則又無法進行分割、單重不一或非顆粒狀物料來說，采用單頭電子秤已無法實現(xiàn)計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、高性能的稱重計量設(shè)備，主要使用在形狀不規(guī)則.單重不均勻，價格較貴且需要精確計量和需要進行快速計量的固體產(chǎn)品.它最先是由邏輯電路和單片機技術(shù)為支撐，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為由計算機或PLC進行控制的高技術(shù)產(chǎn)品.目前它是食品計量包裝行業(yè)公認的一種正確地測量的高精度、高技術(shù)、高速度、高性能的計量系統(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。我國的食品包裝機械的生產(chǎn)指標較之發(fā)達國家的指標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，我國包裝機械岀口額還不足總產(chǎn)值的10%,進口額卻占總產(chǎn)值的90%回。這說明我國對包裝機械的需求缺口仍舊很大，國產(chǎn)包裝機械與國外產(chǎn)品相比，主要差距在科技水平上，對于一個食品消費大國來說這遠遠滿足不了國內(nèi)需求。從中國食品協(xié)會所匯總統(tǒng)計的計量包裝機械制造數(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械，或是和國外機械設(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，只有很少量的已達到現(xiàn)代化代的水平。目前食品包裝機械的開發(fā)主要是包裝機械制造企業(yè)根據(jù)市場的需求在進行調(diào)整，并且能夠自行開發(fā)研制的食品加工包裝機械制造企業(yè)卻寥寥無幾。很多食品生產(chǎn)企業(yè)對我國包裝機械的整體技術(shù)水平認識不足，只注重設(shè)備的價格，從而導(dǎo)致了低檔產(chǎn)品的發(fā)展，間接的阻礙了該類機械的升級換代和創(chuàng)新?？傮w上看，目前國內(nèi)機械包裝行業(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)，遠遠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水平，積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗。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與傳感器控制的機電一體化自動生產(chǎn)線，它具有其它同類設(shè)備無法比擬的優(yōu)點，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)生標準。計量包裝速度是衡量一臺組合秤的主要指標，目前國外自動包裝機的包裝速度最高達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，鄭州某包裝機械公司、江蘇某公司、廣州某公司等，其顆粒自動包裝機的包裝速度已達到每分鐘140包左右，其計量范圍也有很大提高。雖然設(shè)備的性能有很大改善，但目前能完全實現(xiàn)自動化的該類設(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)計創(chuàng)新的更是寥寥無幾。因此了解了國外先進設(shè)備的技術(shù)生產(chǎn)原理，吸收國外先進的技術(shù)生產(chǎn)經(jīng)驗，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，相信會很快會使整個食品加工包裝機械制開發(fā)出有以下幾點性能的組合包裝設(shè)備。
1.技術(shù)含量高、可靠性強。
2.易改造、成套供應(yīng)能力強。
3.滿足高速度、高精度、高準確度的性能要求。
4.整個系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)完全自動化。
5.機身小、重量輕，易于攜帶并且成本低。

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