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0引言
國(guó)內(nèi)糧食包裝企業(yè)大多采用人工加簡(jiǎn)易包裝機(jī)進(jìn)行粗放式半自動(dòng)閥口包裝,包裝時(shí)灰塵飛揚(yáng)、污染較嚴(yán)重,且用工較多、勞動(dòng)強(qiáng)度較大。因此,全自動(dòng)糧食包裝設(shè)備不僅可以減少糧食包裝環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境的污染,防止工人塵肺病的發(fā)生,有效替代人工在惡劣環(huán)境下的工作,減少用工量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,還能夠帶動(dòng)傳統(tǒng)包裝機(jī)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí),提高糧食包裝廠家的生產(chǎn)效率。為此,以PLC為主控制器,設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng),能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效減少糧食的包裝誤差。
1精密包裝機(jī)的工作原理
1.1包裝計(jì)量設(shè)備的選擇
目前,市場(chǎng)上常用的包裝計(jì)量設(shè)備有定量給料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤和螺旋秤3種。其中,螺旋秤是指稱重給料機(jī)對(duì)粉狀、散粒狀進(jìn)行連續(xù)輸送、動(dòng)態(tài)計(jì)量及控制給料的生產(chǎn)計(jì)量設(shè)備。螺旋秤設(shè)備如圖1所示。螺旋秤工作原理為:通過對(duì)絞刀轉(zhuǎn)動(dòng)速度和圈數(shù)的控制,確定排出的物料體積,同時(shí)稱重傳感器對(duì)已包裝入袋的物料質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);然后,將質(zhì)量信號(hào)和和絞刀速度數(shù)據(jù)一起送入PLC控制器;最后,控制系統(tǒng)將實(shí)際流量信號(hào)和預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比,并通過PID控制器驅(qū)動(dòng)變頻器,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)喂料絞刀的速度,從而實(shí)現(xiàn)定量給料。根據(jù)全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)生產(chǎn)線配重系統(tǒng)的要求,本文選用螺旋秤作為系統(tǒng)送料計(jì)量設(shè)備。

1.2包裝計(jì)量裝置的整體結(jié)構(gòu)
包裝計(jì)量裝置主要包括原料倉、伺服電機(jī)、螺旋送料機(jī)、秤臺(tái)和PLC控制系統(tǒng)等部件,如圖2所示。

定量配重裝置各零部件的功能描述如下:
1)原料倉:待包裝糧食進(jìn)入口;
2)伺服電機(jī):驅(qū)動(dòng)螺旋送料機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn);
3)螺旋送料機(jī):將糧食從原料倉輸送到包裝袋;
4)秤臺(tái):將包裝袋里面的糧食質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)送給嵌入式控制系統(tǒng);
5)PLC控制系統(tǒng):根據(jù)秤臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送回來的糧食質(zhì)量信號(hào),給伺服電機(jī)發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)螺旋送料機(jī)加料量的智能控制。
1.3包裝計(jì)量裝置的工作原理
包裝計(jì)量裝置的整個(gè)工程流程由PLC控制器控制,自動(dòng)完成糧食的計(jì)量和包裝。整個(gè)工作流程為:系統(tǒng)開始正常工作后,由上級(jí)供料系統(tǒng)向原料倉供料;PLC控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的包裝袋質(zhì)量、目標(biāo)定量值和快慢給料閾值信息,驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制螺旋送料機(jī)開始進(jìn)行快速給料操作;秤臺(tái)獲取包裝袋已裝物料的模擬質(zhì)量信息,經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等操作,發(fā)送至PLC控制器,由其判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的快速給料閾值;若達(dá)到快速給料閾值,則螺旋送料機(jī)開始進(jìn)行慢速給料操作,當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)定量值后,停止給料;該包裝過程結(jié)束,開啟下一包裝過程。包裝計(jì)量裝置的工作流程如圖3所示。

1.4包裝計(jì)量裝置機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
包裝計(jì)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,該部分設(shè)計(jì)的合理性和效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本、可行性和精確度具有重要的影響。
包裝計(jì)量裝置機(jī)械部分包括送料機(jī)、計(jì)量設(shè)備及嵌入式控制器等。其中,計(jì)量設(shè)備是定量配重裝置機(jī)械部分最重要的部件,而螺旋桿是計(jì)量設(shè)備的核心。
螺旋秤在糧食包裝計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用中,最重要的零件是螺桿。螺旋秤中的螺桿,應(yīng)該使設(shè)備符合大部分糧食的精密包裝,因此在對(duì)螺桿的設(shè)計(jì)中不僅要滿足設(shè)備對(duì)產(chǎn)量和要求,還要符合設(shè)備關(guān)于精度的要求。螺旋桿設(shè)計(jì)示意如圖4所示。

螺桿外徑參數(shù)設(shè)定越大,每次帶出的糧食質(zhì)量越大,計(jì)量誤差也越大;參數(shù)設(shè)定越小,因增加電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù),包裝效率就越低。為了防止電機(jī)的抖動(dòng)導(dǎo)致糧食的溢出,引起計(jì)量誤差,設(shè)計(jì)中將螺桿和伺服電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
2全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)伺服系統(tǒng)的建模
2.1伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型
伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)、聯(lián)軸器、螺旋和定位螺旋絲桿等幾個(gè)部分。伺服電機(jī)的角位移量是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸入值;伺服電機(jī)帶出的糧食體積是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸出值。經(jīng)過研究分析后,將伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為如圖5所示的模型。

3電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
PLC是全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心控制器件,其動(dòng)作傳輸信號(hào)采用按鈕、位置開關(guān)直接和PLC輸入端相連,控制性能可靠。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的分析與研究,該系統(tǒng)總共需要12個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)。考慮到系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性,本文選用西門子公司的S7-200控制器。系統(tǒng)的PLC輸入輸出端口分配如表1和表2所示。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的工藝流程和控制過程可知其采用順序控制,因此本文PLC軟件設(shè)計(jì)采用順序控制法,控制程序包括手動(dòng)和全自動(dòng)兩種模式。PLC控制主程序如圖8所示。

4測(cè)試與分析
為了檢測(cè)基于PLC的全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的精確度,采用該設(shè)備進(jìn)行了小麥的包裝試驗(yàn)。為了提高試驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性,一共進(jìn)行了10次測(cè)試,結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出:全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi),準(zhǔn)確率滿足設(shè)計(jì)的千分之五要求,大大提高了全自動(dòng)糧食包裝機(jī)的計(jì)量精度,符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
5結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)包裝產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展需求,以糧食包裝機(jī)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了基于PLC的全自動(dòng)糧食自動(dòng)包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用螺旋秤作為送料計(jì)量設(shè)備,并根據(jù)定量配重裝置的整體結(jié)構(gòu)與工作原理,設(shè)計(jì)了定量配重裝置機(jī)械部分,建立了自動(dòng)包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型,從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi),準(zhǔn)確率滿足設(shè)計(jì)的5‰要求,大大提高了全自動(dòng)糧食包裝機(jī)的計(jì)量精度,符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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