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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 。過去采用機(jī)械稱量 、 人工裝袋 , 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大 、 效率低 、 稱量精度差 。近幾年 , 也開始采用電子稱量裝置使其靜態(tài)稱量精度大大提高, 但在飼料加工連續(xù)生產(chǎn)過程中, 其動(dòng)態(tài)精度仍不能保證, 因此, 在快速自動(dòng)稱量中如何提高動(dòng)態(tài)稱量精度 , 一直是飼料加工企業(yè)急需解決的難題。
電子定量稱重過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程, 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 。前者保證稱重的速度, 后者保證稱重的精度。這樣一來可能產(chǎn)生 2 個(gè)問題 : 一是保證計(jì)量精度但稱重速度不夠 ; 二是有較高的稱量速度但計(jì)量精度不易保證。我國目前稱重范圍在 29 ～ 100kg 的電子秤 ,計(jì)量精度和速度以及其他性能指標(biāo) ,與國外同類產(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, 與國外同類產(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),稱量精度很難保證, 為此, 本文應(yīng)用PLC 作為動(dòng)態(tài)稱量包裝測(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)稱量計(jì)量的精度。
1　 系統(tǒng)工作原理
用稱量傳感器、 放大器和 PLC組成測(cè)控系統(tǒng)來完成飼料的稱重 、 計(jì)量、 包裝的生產(chǎn)工藝過程, 如圖 1 所示。該系統(tǒng)以 PLC 為核心, 配以稱重傳感器 、 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)在線稱重計(jì)量和包裝工作。
稱斗的上方是成品倉 , 該倉中的原料是來自飼料混合工序生產(chǎn)的飼料散狀成品料。成品倉下是 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), 則該成品倉中的粉狀飼料就隨著傳輸絞籠的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入稱斗中稱量 。稱斗上裝有 3 個(gè)S 粱式應(yīng)變式拉力傳感器, 稱斗的質(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 控制開秤斗門, 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量打包的自動(dòng)化過程。
2 　提高動(dòng)態(tài)稱量的硬件措施
影響稱重靜態(tài)精度來源于傳感器和放大器組成的硬件系統(tǒng) 。
該系統(tǒng)用 3 個(gè)拉力傳感器將飼料質(zhì)量 W 變換成線性關(guān)系的電信號(hào)U x , 并通過放大器進(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 型稱重傳感器, 每只傳感器單獨(dú)供電, 通過調(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)定性優(yōu)1. 0 × 10 -5 / ℃。
3 只拉力傳感器安裝在稱斗和稱架之間 。如果傳感器承受的質(zhì)量與傳感器軸線存在夾角 α 則將產(chǎn)生橫向分力而引入誤差△W =W -Wcosα 。這對(duì)于每次稱重 25kg, 在稱斗皮重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 , 通過選擇低噪聲器件 , 在滿足采集速度所需足夠?qū)挼念l帶的前提下 , 通過選配電阻來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)的非線性和漂移△U i , 其中對(duì)于系統(tǒng)的非線性, 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)精度稱量奠定了基礎(chǔ) 。
3　 提高動(dòng)態(tài)稱重精度的軟件措施
影響動(dòng)態(tài)稱重的主要因素是被稱重物料的密度 、 流量和落差的大小,它是由成品料倉的壓力和 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 , 見圖 3 。圖中:W X0 為稱重前 PLC 所采集的稱斗皮重;由此PLC 按照每包計(jì)量凈質(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 和稱量終了值 W X 。其控制過程可以這樣簡(jiǎn)單說明: 在下料開始一段時(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 , 通過編寫全動(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)稱量精度的影響, 編寫了自動(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 , 經(jīng)計(jì)量部門 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)稱重計(jì)量的精度和速度, 滿足了在線快速動(dòng)態(tài)質(zhì)量計(jì)量的要求 , 對(duì)水泥、 食鹽 、 面粉等的稱重包裝有借鑒作用和推廣價(jià)值 。

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