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定量包裝秤已廣泛應(yīng)用于食品 、飼料、 化工等行業(yè) 。例如 , 飼料稱(chēng)量計(jì)量包裝是飼料工業(yè)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。飼料稱(chēng)量計(jì)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(guò)去采用機(jī)械稱(chēng)量 、 人工裝袋 , 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大 、 效率低 、 稱(chēng)量精度差 。近幾年 , 也開(kāi)始采用電子稱(chēng)量裝置使其靜態(tài)稱(chēng)量精度大大提高, 但在飼料加工連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中, 其動(dòng)態(tài)精度仍不能保證, 因此, 在快速自動(dòng)稱(chēng)量中如何提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)量精度 , 一直是飼料加工企業(yè)急需解決的難題。

電子定量稱(chēng)重過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程, 而要準(zhǔn)確計(jì)量物料的質(zhì)量使其盡量接近標(biāo)準(zhǔn)值, 就需要使動(dòng)態(tài)過(guò)程向靜態(tài)穩(wěn)定趨近 , 為此, 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí), 從電氣控制及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面都將計(jì)量過(guò)程分為2 個(gè)階段 : 粗喂料階段和細(xì)喂料階段 。前者保證稱(chēng)重的速度, 后者保證稱(chēng)重的精度。這樣一來(lái)可能產(chǎn)生 2 個(gè)問(wèn)題 : 一是保證計(jì)量精度但稱(chēng)重速度不夠 ; 二是有較高的稱(chēng)量速度但計(jì)量精度不易保證。我國(guó)目前稱(chēng)重范圍在 29 ～ 100kg 的電子秤 ,計(jì)量精度和速度以及其他性能指標(biāo) ,與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品接近。但是 25kg 以下的小計(jì)量電子秤, 尤其是 0. 5 ～5kg的計(jì)量秤, 與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比有一定的差距。

作者在為某企業(yè)研制飼料自動(dòng)化

生產(chǎn)設(shè)備中, 發(fā)現(xiàn)由于使用環(huán)境的差異或控制策略等原因 , 許多定量包裝秤的使用不盡如人意 , 尤其是企業(yè)為提高生產(chǎn)效率, 快速、 連續(xù)生產(chǎn)時(shí),稱(chēng)量精度很難保證, 為此, 本文應(yīng)用PLC 作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)量包裝測(cè)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 , 較好地解決了稱(chēng)量速度與精度的矛盾, 實(shí)現(xiàn)了飼料連續(xù)生產(chǎn)中動(dòng)態(tài)稱(chēng)量計(jì)量的精度。

1　 系統(tǒng)工作原理

用稱(chēng)量傳感器、 放大器和 PLC組成測(cè)控系統(tǒng)來(lái)完成飼料的稱(chēng)重 、 計(jì)量、 包裝的生產(chǎn)工藝過(guò)程, 如圖 1 所示。該系統(tǒng)以 PLC 為核心, 配以稱(chēng)重傳感器 、 放大器、 各種電動(dòng)執(zhí)行器和機(jī)械裝置, 實(shí)現(xiàn)飼料的動(dòng)態(tài)在線(xiàn)稱(chēng)重計(jì)量和包裝工作。

圖 1 中稱(chēng)斗的上方是成品倉(cāng) , 該倉(cāng)中的原料是來(lái)自飼料混合工序生產(chǎn)的飼料散狀成品料。成品倉(cāng)下是 1 臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋進(jìn)料裝置, 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī), 則該成品倉(cāng)中的粉狀飼料就隨著傳輸絞籠的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入稱(chēng)斗中稱(chēng)量 。稱(chēng)斗上裝有 3 個(gè)S 粱式應(yīng)變式拉力傳感器, 稱(chēng)斗的質(zhì)量信號(hào)直接由該傳感器組轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電信號(hào) , 經(jīng)放大器把該電信號(hào)放大后送入PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定值時(shí) , PLC 停止下料, 然后 PLC 控制開(kāi)秤斗門(mén), 并控制打包機(jī)自動(dòng)裝袋后由傳送帶送出 。于是就完成了飼料稱(chēng)量打包的自動(dòng)化過(guò)程。

2 　提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)量的硬件措施

影響稱(chēng)重靜態(tài)精度來(lái)源于傳感器和放大器組成的硬件系統(tǒng), 見(jiàn)圖2 。

該系統(tǒng)用 3 個(gè)拉力傳感器將飼料質(zhì)量 W 變換成線(xiàn)性關(guān)系的電信號(hào)U _x , 并通過(guò)放大器進(jìn)行放大 。圖中U _n 表示等效到放大器輸入端的噪聲和干擾電壓, △U _i 表示等效到輸入端的飄移電壓。設(shè) 2 級(jí)放大器的放大倍數(shù)為 A , 則

U ₀ =A ( U _x +U _n +U _i ) =AU _x+AU _n +AU _i

式中的第 2 項(xiàng)主要影響靈敏度 ,第3 項(xiàng)主要影響系統(tǒng)的精度。

2. 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 3 只 UH61 -100u 型稱(chēng)重傳感器, 每只傳感器單獨(dú)供電, 通過(guò)調(diào)節(jié)其橋路電壓使3 只傳感器的輸出靈敏度K 相同 , 3 只傳感器串聯(lián)輸出的電壓為 U _x =K ( E1 +E2 +E3) 。為了提高每個(gè)傳感器供橋電壓的穩(wěn)定性, 采用2 次降壓 , 并對(duì)元件進(jìn)行老化, 測(cè)試后進(jìn)行選配, 特別是對(duì)基準(zhǔn)穩(wěn)壓管 2DW233 的老化處理和時(shí)漂測(cè)試, 選擇時(shí)漂小的, 通過(guò)調(diào)節(jié)其工作電流使其在接近零溫度系數(shù)下, 使整個(gè)傳感器電源的溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)1. 0 × 10 ^-5 / ℃。

3 只拉力傳感器安裝在稱(chēng)斗和稱(chēng)架之間 。如果傳感器承受的質(zhì)量與傳感器軸線(xiàn)存在夾角 α 則將產(chǎn)生橫向分力而引入誤差△W =W -W_cosα 。這對(duì)于每次稱(chēng)重 25kg, 在稱(chēng)斗皮重100kg 的情況下 , 即 3 只 100kg 的傳感器實(shí)際負(fù)重為 125kg。當(dāng) α = 4° 時(shí) ,稱(chēng)重誤差就為 0. 43kg 。因此, 安裝傳感器時(shí)應(yīng)確保傳感器能垂直受力 。

2. 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(cè)電路的內(nèi)部噪聲和外部干擾電壓U _n , 它與放大器所工作的頻帶相關(guān)。在研制中 , 通過(guò)選擇低噪聲器件 , 在滿(mǎn)足采集速度所需足夠?qū)挼念l帶的前提下 , 通過(guò)選配電阻來(lái)提高放大電路本身的共模抑制能力 , 整個(gè)檢測(cè)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 5g質(zhì)量的靈敏度。

2. 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(cè)系統(tǒng)的非線(xiàn)性和漂移△U _i , 其中對(duì)于系統(tǒng)的非線(xiàn)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△U _i , 主要采用元器件的老化、 測(cè)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 0. 07 %, 為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精度稱(chēng)量奠定了基礎(chǔ) 。

3　 提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)重精度的軟件措施

影響動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的主要因素是被稱(chēng)重物料的密度 、 流量和落差的大小,它是由成品料倉(cāng)的壓力和 PLC 所控制的進(jìn)料驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的 。因此 , 改進(jìn)控制思路, 借鑒靜態(tài)稱(chēng)量精度高的特點(diǎn)是提高動(dòng)態(tài)計(jì)量的關(guān)鍵。為此,我們選用雙速變徑變距螺旋下料機(jī),采用 “先快后慢 , 最后點(diǎn)動(dòng)” 的控制下料方式 , 見(jiàn)圖 3 。圖中:W _X0 為稱(chēng)重前 PLC 所采集的稱(chēng)斗皮重;由此PLC 按照每包計(jì)量?jī)糍|(zhì)量的 90 %、95%和100%算出快速下料的終了值W _X1 、 慢速下料的終了值 W _X2 和稱(chēng)量終了值 W _X 。其控制過(guò)程可以這樣簡(jiǎn)單說(shuō)明: 在下料開(kāi)始一段時(shí)間, PLC控制絞籠電動(dòng)機(jī)快速下料, 當(dāng)檢測(cè)達(dá)到快速下料終了值 W _X2 時(shí), PLC 關(guān)閉絞籠電動(dòng)機(jī)后采用 “點(diǎn)動(dòng)” 下料,當(dāng)達(dá)到或接近期望值 W _X 時(shí)為止。

按照上述思路 , 通過(guò)編寫(xiě)全動(dòng)態(tài)控制加料的快 、 慢速和點(diǎn)動(dòng)下料的軟件模塊 , 以及為消除空中落料對(duì)稱(chēng)量精度的影響, 編寫(xiě)了自動(dòng)尋找提前停機(jī)量的軟件模塊等軟件措施。該系統(tǒng)使用 1 年來(lái) , 經(jīng)計(jì)量部門(mén) 2 次測(cè)試,整個(gè)系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確度優(yōu)于2 %。

4 　結(jié)論

采用 PLC 控制進(jìn)行飼料稱(chēng)重包裝 , 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 計(jì)量準(zhǔn)確 、 工作可靠, 較好的兼顧了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重計(jì)量的精度和速度, 滿(mǎn)足了在線(xiàn)快速動(dòng)態(tài)質(zhì)量計(jì)量的要求 , 對(duì)水泥、 食鹽 、 面粉等的稱(chēng)重包裝有借鑒作用和推廣價(jià)值 。

 

參 考 文 獻(xiàn)

1　 K .E.諾登著, 陸泊勤等譯.工業(yè)過(guò)程用電子稱(chēng) 〔M〕.北京:冶金工業(yè)出版社, 1991.

2　 許林成.包裝機(jī)械原理與設(shè)計(jì) 〔M〕.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1988.

3　 王書(shū)鶴.可編程序控制系統(tǒng) 〔M〕.山東大學(xué)教材, 1999.

4    孫廷耀.關(guān)于如何選用稱(chēng)重傳感器的幾點(diǎn)建議 〔J〕.計(jì)量技術(shù), 2001, ( 1) :53～ 54.

 

 

 

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