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自動包裝機(jī)主要應(yīng)用于大量散裝物料的定量包裝，以方便運(yùn)輸、銷售和使用，按照定量原理，可將自動包裝機(jī)分為稱重式和定容式兩大類。近年來，隨著自動檢測和控制技術(shù)的發(fā)展，對自動包裝機(jī)精度要求越來越高，利用稱重方式更便于提高包裝機(jī)稱量精度，本文主要針對稱重式自動包裝機(jī)對其定量功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1.自動包裝機(jī)組成及工作原理

稱重式自動包裝機(jī)主要由儲料斗、給料門、稱重傳感器、稱重斗、卸料門、放料斗等幾部分相互配合，完成供料、稱重、卸料動作，實(shí)現(xiàn)對物料的自動包裝過程，其整體結(jié)構(gòu)圖儲料斗中物料足夠，在重力的作用下進(jìn)入重力供料裝置，完全打開料門進(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，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，經(jīng)過一定的空中落料，稱量斗穩(wěn)定，并且卡袋機(jī)構(gòu)卡緊時(shí)，卸料門打開，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，稱量部分完成對物料重量的稱量，來保證包裝的精度。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，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)面開有二個(gè)通風(fēng)口，可以用來安裝除塵系統(tǒng)。

■ 2.2 秤斗

是在稱量循環(huán)中用來盛料的，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，是用氣缸來控制的。當(dāng)秤斗門全部閉合時(shí)有一個(gè)接近開關(guān)提供關(guān)的信號，當(dāng)秤斗門還未關(guān)閉時(shí)又有連鎖裝置可以防止進(jìn)料門動作。在稱量料斗的底部裝有支撐架，用來安裝和校核時(shí)放置砝碼。秤斗的側(cè)面裝有一扇可開啟的門，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。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。

3.定量稱重系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

稱重傳感器稱量物料重量，并將其轉(zhuǎn)換為電量，通過顯示器顯示實(shí)測值，控制系統(tǒng)通過順序單元和繼電器單元完成實(shí)測值 與設(shè)定值（大給料重量 、小給料重量 ）的比較，控制料門動作，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)償算法對系統(tǒng)控制量進(jìn)行預(yù)測調(diào)整，使包裝的實(shí)際重量符合生產(chǎn)要求。通過一次實(shí)際稱量重量與給定重量的誤差值，對下一次給料過程進(jìn)行修正，從而保證物料的稱量誤差在最小的范圍內(nèi)。并且通過幾次給料過程的修正，使得實(shí)際稱量值自動調(diào)整回給定值重量。

■ 3.1 稱重控制算法

設(shè)包裝目標(biāo)重量為 ，大給料重量為 ，小給料重量為 ，實(shí)測重量為 ，終止提前給料量為 ，即： ( 式 1)

當(dāng)落下物料的實(shí)測重量小于 時(shí)，大、小給料氣缸同時(shí)打開，為大給料狀態(tài)；當(dāng)實(shí)測重量大于 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。  ( 式 2)

式中 S――兩步給料輸出

――實(shí)測重量

――大給料

――小給料

――大給料重量

――小給料重量

兩步給料狀態(tài)，可由下式表示：( 式 3)式中 ――動態(tài)誤差（即目標(biāo)重量 與動態(tài)實(shí)測值之差）

――大小給料切換界限

――大給料狀態(tài)

――小給料狀態(tài)

每次包裝時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)動態(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 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： ( 式 4)

當(dāng)稱量誤差超過允許誤差范圍 且有發(fā)散趨勢時(shí)，用多次誤差的統(tǒng)計(jì)值來修正 。當(dāng)稱量誤差超過允許誤差范圍且有收斂趨勢時(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 進(jìn)行補(bǔ)償。如式 5 所示。用常用的電纜即可；如果信號所傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，則可以采用屏蔽電纜。對于系統(tǒng)中負(fù)責(zé)通信的電纜，則對可靠性的要求更高，同時(shí)，考慮到部分通信電纜的信號頻率比較高，可以考慮采用專門的生產(chǎn)廠家所提供 的專用電纜；如果系統(tǒng)中的信號頻率較低，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)、比較大型的動力設(shè)備等。此外，還應(yīng)該 PLC 控制設(shè)備與高壓電器進(jìn)行分開存放，且存放柜中的 PLC 要與動力線遠(yuǎn)離。與 PLC 控制系統(tǒng)處于相同開關(guān)柜中的其他電感性元件，比如常見的繼電器、接觸器線圈等，則應(yīng)該與消弧電路并聯(lián)。

■ 2.5 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，對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會得到大幅提升。通常，可以采用采樣值數(shù)字濾波的方式，實(shí)現(xiàn)對干擾信號的有效濾除；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，對于所針對的不同對象，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.利用冗余技術(shù)提高可行性

對整個(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提升系統(tǒng)可行性，會導(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)來實(shí)現(xiàn)。

4.結(jié)束語

PLC 控制系統(tǒng)在使用過程中，所面對的應(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)用開發(fā)環(huán)節(jié)中，則只有采用更加適當(dāng)?shù)拇胧?，才能促進(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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