DB8320型立式包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

孫惠琳，曹成茂

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥　230036)

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DB8320型立式包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

孫惠琳，曹成茂

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥230036)

摘要：立式包裝機(jī)在批量加工流程中需要針對(duì)加工位置、包裝數(shù)量、包裝速度、物料質(zhì)量等重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與校正，否則無法保證良好的包裝效果。為此，給出了DB8320型立式包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了包裝機(jī)稱重控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法，并利用西門子SMART700IE液晶觸摸屏為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)測(cè)與控制。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、符合預(yù)期的精度要求，包裝效果良好。

關(guān)鍵詞：立式包裝機(jī)；監(jiān)測(cè)控制；稱重系統(tǒng)；液晶觸摸屏

0引言

包裝機(jī)稱重系統(tǒng)是包裝機(jī)稱量過程中的精確控制系統(tǒng)，是保證填充物在填充過程中質(zhì)量精確的決定因素。經(jīng)過包裝機(jī)稱重系統(tǒng)處理后，稱重中的漂移與非線性得到很大改善，包裝機(jī)的實(shí)用性增強(qiáng)，進(jìn)一步達(dá)到包裝產(chǎn)品品質(zhì)提高的效果。

傳統(tǒng)包裝機(jī)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)側(cè)重于機(jī)械方式，電氣方面的設(shè)計(jì)僅局限于包裝機(jī)其他操作，包裝過程也常常取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。近年來，國(guó)內(nèi)的包裝機(jī)稱重系統(tǒng)雖然在電控上有所改進(jìn)，但仍然有很大的改良空間。

為了實(shí)現(xiàn)稱重效果的高標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)自主研發(fā)的DB8320型立式包裝機(jī)設(shè)計(jì)了一種稱重檢測(cè)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下料填充過程質(zhì)量參數(shù)信息的處理與控制。該系統(tǒng)中還使用西門子SMART700IE觸摸屏，用戶可直觀地對(duì)整個(gè)包裝機(jī)控制過程、稱重過程進(jìn)行監(jiān)控與操作。

1包裝機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作過程

DB8320型立式包裝機(jī)是一臺(tái)智能型包裝設(shè)備，主要由物料定量供給部件、拉膜部件、橫封部件、縱封部件及電氣控制系統(tǒng)等部件組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備開啟前進(jìn)行包裝質(zhì)量、包裝速度、包裝袋長(zhǎng)設(shè)定，然后打開主開關(guān)，物料由粗細(xì)下料傳送帶投入料倉(cāng)，在料倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行精確稱重處理，符合質(zhì)量誤差范圍要求的物料即可觸發(fā)卸料閥，使物料卸入包裝袋中；縱封器上的縱封滾輪對(duì)接處加熱加壓將包裝袋縱向熱封牢固，然后滾輪運(yùn)動(dòng)，橫封器進(jìn)行橫向熱封形成橫向封口；切斷裝置上的旋轉(zhuǎn)切刀與固定切刀相接觸將橫向封口沿中線切斷分開，同時(shí)實(shí)現(xiàn)包裝袋的頂封和下一個(gè)包裝袋的底封，完成整個(gè)包裝工序。

各傳感器在測(cè)量點(diǎn)處輸出的信號(hào)可作為包裝流程中各個(gè)步驟開啟和完成的標(biāo)志，保證機(jī)器的穩(wěn)步運(yùn)行。

2包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)包裝機(jī)控制系統(tǒng)主要由西門子S7-200CN PLC、模擬量輸入模塊EM231CN、S型稱重傳感器、西門子SMART700IE觸摸屏、各類電機(jī)及變壓器等構(gòu)成。其中，輸入信號(hào)有自動(dòng)手動(dòng)信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、供膜信號(hào)、色標(biāo)檢測(cè)、料滿檢測(cè)、打碼防偏移檢測(cè)及電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)等；輸出信號(hào)有縱封氣缸電磁閥、橫封氣缸電磁閥、打碼氣缸電磁閥、切刀氣缸電磁閥、供料電動(dòng)機(jī)、供膜電動(dòng)機(jī)及空氣壓縮機(jī)等。包裝機(jī)控制主電路圖如圖2所示。

2.2稱重系統(tǒng)工作原理

稱重系統(tǒng)通過使用JLBS-P鋁合金S型稱重傳感器(量程0～10V)輸出質(zhì)量信號(hào)，采用16位BSQ-2變送器，連接EM231CN模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，將A/D值送給S7-200PLC處理，用上位機(jī)完成對(duì)液晶觸摸屏SMART700IE和S7-200PLC的設(shè)定和編程；S7-200PLC采用RS-485方式與SMART700IE、上位機(jī)進(jìn)行相互通訊。稱重控制系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示。

1.粗下料皮帶　2.細(xì)下料皮帶　3.稱重傳感器　4.支座　5.控制柜　6.包裝材料　7.光電開關(guān)　8.成型器　9.調(diào)節(jié)螺釘　 11腳輪　 12.拉膜電機(jī)

圖2　包裝機(jī)控制主電路圖

圖3　稱重控制系統(tǒng)工作原理圖

3稱重控制系統(tǒng)非線性校正

由于傳感器、放大器等測(cè)量系統(tǒng)的非線性度，導(dǎo)致輸入值(被測(cè)量值)與輸出值(顯示值)之間不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，會(huì)嚴(yán)重影響稱重儀器的精度。經(jīng)過硬件的溫度補(bǔ)償處理后，仍然會(huì)有漂移現(xiàn)象。

為使實(shí)物質(zhì)量-傳感器輸出值特性是一條直線，采用分段插值算法來克服非線性。通過標(biāo)定多點(diǎn)后，只知道這些標(biāo)定點(diǎn)的A/D輸出值與相應(yīng)的質(zhì)量，若稱重傳感器上加載未知質(zhì)量時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)輸出不同的A/D值。為了得到這個(gè)A/D值對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值，根據(jù)有限個(gè)點(diǎn)上的A/D值和質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用yi=F(xi)來代替y=f(x)。式中，xi為已知點(diǎn)i上A/D轉(zhuǎn)換器輸出的A/D值，yi為相應(yīng)的質(zhì)量值。當(dāng)F(x)為N次代數(shù)多項(xiàng)式時(shí)，則F(x)為N次代數(shù)插值多項(xiàng)式，用拉格朗日N次代數(shù)插值表達(dá)式表示為

F(x)=m0+m1x+m2x2+…+mnxn

其中，m0，m1，m2，…，mn為待定系數(shù)。

一般，壓力傳感器線性度較好，沒有必要采用高階的插值函數(shù)，線性插值函數(shù)已經(jīng)可以獲得較高的逼近程度。經(jīng)計(jì)算得

F(x)=m0+m1x+m2x2+…+mnxn

由于需要測(cè)重的物料質(zhì)量較小，所以選用0～70g分成若干區(qū)間進(jìn)行插值，獲得A/D值對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值。

4稱重控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

包裝機(jī)在開啟前，在包裝機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4軟件開發(fā)。系統(tǒng)參照用戶設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)以及稱重傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的參數(shù)信息，發(fā)送電機(jī)控制命令，進(jìn)行各環(huán)節(jié)包裝動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作之間通過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)銜接。稱重控制主流程圖如圖4所示，稱重控制子流程圖如圖5所示。

圖4　稱重控制主流程圖

圖5　稱重控制子流程圖

5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果

5.1稱重校正

采用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象是標(biāo)準(zhǔn)砝碼。方法為：將砝碼放在稱重機(jī)構(gòu)的測(cè)量盤上，待測(cè)量讀數(shù)穩(wěn)定后記錄結(jié)果。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，從標(biāo)準(zhǔn)為0～70g的測(cè)量數(shù)據(jù)中每組挑選5個(gè)，記錄下并求平均值、質(zhì)量差、測(cè)重差及相對(duì)測(cè)重比。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)據(jù)分析如表2所示。

表2中最后一列相對(duì)測(cè)重比反映在二維的測(cè)重電壓值V與砝碼量m曲線上，就是曲線的斜率，從表2的數(shù)據(jù)可以看出：斜率的大小有波動(dòng)，說明應(yīng)變片的線性度不是很好，因此需要進(jìn)行軟件上的線性化處理。

因此，將表2得到的平均測(cè)重和測(cè)重差、砝碼質(zhì)量作為分段插值函數(shù)的參數(shù)，整合后得到一個(gè)線性公式，即可計(jì)算砝碼質(zhì)量。以此公式重新按照表1的方式測(cè)量5組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)校正后的測(cè)量數(shù)據(jù)，如表3所示。

從表3可知，經(jīng)過數(shù)據(jù)校正后，稱重模塊在0～70g之內(nèi)都有很好的測(cè)量精確度。

表1　測(cè)量數(shù)據(jù)

表2　 數(shù)據(jù)分析

表3　 數(shù)據(jù)校正后的測(cè)量數(shù)據(jù)

5.2觸摸屏顯示、監(jiān)控和報(bào)警

使用西門子SMART700IE液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控和報(bào)警。開機(jī)畫面如圖6所示，當(dāng)前質(zhì)量等參數(shù)顯示如圖7所示，實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖8所示，質(zhì)量與A/D輸入值(電壓)曲線如圖9所示。

圖6　開機(jī)畫面

圖7　當(dāng)前質(zhì)量等參數(shù)

圖8　實(shí)時(shí)監(jiān)控

圖9　質(zhì)量與A/D輸入值(電壓)曲線

6結(jié)論

1)通過液晶觸摸屏監(jiān)控顯示、設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)包裝機(jī)控制過程，并提供相應(yīng)的報(bào)警視圖指示和實(shí)時(shí)質(zhì)量顯示等。

2)通過數(shù)據(jù)校正，稱重機(jī)構(gòu)誤差平均達(dá)到千分之三，達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從而證實(shí)稱重機(jī)構(gòu)及數(shù)據(jù)校正方法有效可靠，其精確度能滿足包裝需求，可以應(yīng)用在精確包裝上。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0142-EA

Research and Improvement of DB8320 Packaging Machine Weighing Control System

Sun Huilin, Cao Chengmao

(School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)

Abstract：Many important parameters of the vertical packing machine need to be detected and checked in the mass production and processing, such as processing position, number of packages, packaging rate,material quality and so on.If not, good packaging effect can’t be guaranteed.The control system of the vertical packing machine DB8320 is designed, meanwhile the improvement design of the weighing system is described in detail in this paper.And a simple and intuitive interview mode is provided to users by means of SIEMENS SMART700IE LCD touch-sensitive screen, which can realize real-time display, monitoring and controlling.The whole system has advantages as follows:stability and reliability,in accord with the expected accuracy,and good packaging effect.

Key words：vertical packaging machine; detection and control; weighing system; LCD touch screen

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0142-05

中圖分類號(hào)：TH6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孫惠琳(1989-)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，(E-mail)493282639@qq.com。通訊作者：曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305181)

收稿日期：2015-06-16