智能型定量包裝秤的設(shè)計(jì)及其計(jì)量性能驗(yàn)證

劉遠(yuǎn)輝

摘要：針對(duì)散裝物料的定量包裝要求越來越高，不但要求包裝計(jì)量要又快又準(zhǔn)，還要求自動(dòng)化程度要高，更要滿足不同要求的各種包裝形式。DCS系列的智能型定量包裝稱重系統(tǒng)，是定量包裝技術(shù)的重要發(fā)展方向，在不斷地改良技術(shù)，以滿足上述要求，提高生產(chǎn)水平。本文提出DCS智能型定量包裝稱重系統(tǒng)（以下簡稱“DCS稱重系統(tǒng)”）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法。該系統(tǒng)是一種新式的、不同于集中式控制系統(tǒng)的新型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);雖然它的開發(fā)基礎(chǔ)是源于集中式控制系統(tǒng)，但經(jīng)過不斷地更新改良，已發(fā)展成多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，組合了過程控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)，結(jié)合了4C技術(shù)：即計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)等。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)并不存在很大的區(qū)別，但是有著完全不同的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：定量包裝;計(jì)量精度;DCS智能型定量包裝稱重系統(tǒng)

1.系統(tǒng)的組成

DCS稱重系統(tǒng)的組成有：秤斗、秤體、供料裝置、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、稱重傳感器和控制儀表等。

該系統(tǒng)把秤斗通過連接件掛在吊掛裝置的兩只（或三只）懸臂梁式傳感器上，有物料進(jìn)入料斗產(chǎn)生了重量信號(hào)后，智能型控制儀表會(huì)接收到由稱重傳感器傳輸過來的重量信號(hào)，進(jìn)而通過運(yùn)算，自動(dòng)完成控制定量稱重。

2.系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)與特點(diǎn)

（1）最大秤量范圍：可進(jìn)行多秤量選擇，25kg、50kg等均可。（2）稱量速度：最大秤量為25kg時(shí)，可以達(dá)到每小時(shí)計(jì)量包裝（200～400）包/袋;最大秤量為50kg時(shí)，則可達(dá)到每小時(shí)計(jì)量包裝（180～240）包/袋。（3）計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)：X（0.2）級(jí)，動(dòng)態(tài)測試時(shí)最大允許誤差：±0.14%（參照J(rèn)JG564-2002《重力式自動(dòng)裝料衡器》國家計(jì)量檢定規(guī)程）。（4）適用范圍：用于淀粉、面粉、飼料以及食品等粉狀物料，進(jìn)行自動(dòng)定量包裝。（5）系統(tǒng)特點(diǎn)：計(jì)量精度高、可以調(diào)整包裝稱量的速度、結(jié)構(gòu)合理、整體性好和環(huán)保操作等特點(diǎn)。

3.選擇稱重傳感器的原則

（1）傳感器型式的選擇條件秤量系統(tǒng)的類型和安裝空間位置是選擇傳感器型式的兩個(gè)重要考量。本文中設(shè)計(jì)的智能型定量包裝稱重系統(tǒng)，綜合考慮上述兩個(gè)因素，決定選用懸臂梁式的稱重傳感器。（2）應(yīng)適合使用場所的環(huán)境條件在一般的使用場合，根據(jù)環(huán)境要求，可選用適用的普通稱重傳感器。稱重系統(tǒng)設(shè)備所處的現(xiàn)場環(huán)境溫度如果會(huì)超出50℃，必須優(yōu)先考慮可以在高溫環(huán)境下正常工作的傳感器。（3）稱重傳感器量限的選擇待稱稱量值是否接近稱重傳感器的額定容量是會(huì)直接影響到秤量系統(tǒng)的稱量準(zhǔn)確度的，越接近則準(zhǔn)確性越高。實(shí)際上，由于稱重傳感器上的載荷包括有被稱物、秤體、料斗等，還會(huì)有因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)和沖擊而產(chǎn)生了力的存在，所以稱重傳感器的額定容量要大于物料的設(shè)定值，選用傳感器的量限大小要取決于稱量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。在一般情況下，在稱重傳感器額定容量范圍的30%～70%內(nèi)工作，系統(tǒng)的可靠性是可以得到有效保證的，同時(shí)還能保護(hù)傳感器避免因過度使用而損傷。

4.智能稱重控制儀的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

智能型定量稱重控制儀是自動(dòng)定量包裝稱重系統(tǒng)的主控部分，核心部件為微電腦，組合濾波器、高性能放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器，結(jié)合為一體化的測控系統(tǒng)，它有以下優(yōu)點(diǎn)：①體積小;②精度高;③可靠性好;④調(diào)試方便;⑤功能齊全。

5.稱重控制儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)稱重傳感器承受到物料的重量時(shí)，傳感器將重量信息轉(zhuǎn)化為毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，并輸出給儀表，由信號(hào)放大器放大后，再經(jīng)過A/D交換器轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量，計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)根據(jù)設(shè)定的指令進(jìn)行處理及分析，然后發(fā)出各類的控制信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過多級(jí)驅(qū)動(dòng)，控制電磁閥工作，從而完成整個(gè)控制過程。

6.稱重控制儀的軟件設(shè)計(jì)與功能

智能型定量稱重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需有以下四個(gè)部分：（1）監(jiān)控程序：用于調(diào)試，不控制儀表;（2）初始化及功能判斷程序：設(shè)置輸入、輸出口、中斷向量以及特定內(nèi)存等，此程序還有一個(gè)功能是判斷下一步的工作流程是計(jì)量或者自校;（3）自校程序：持續(xù)地對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行采樣、顯示，調(diào)校稱重傳感器的零點(diǎn)及儀表靈敏度，作為判斷指標(biāo)使用;（4）計(jì)量程序：本例中，根據(jù)圖3所示的編制，設(shè)計(jì)計(jì)量程序的功能和時(shí)序如下，粗喂料的過程經(jīng)歷t0～t1′時(shí)間段，到達(dá)t1時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉粗喂料;細(xì)喂料過程經(jīng)歷t1～t2′時(shí)間段，到達(dá)t2時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉細(xì)喂料;等待空間落料和顯示稱重這段時(shí)間為t2～t3;排放物料為t3～t4時(shí)間段。在圖中，關(guān)粗喂料的重量控制值設(shè)定為W1，關(guān)細(xì)喂料的重量控制值設(shè)定值為W2，實(shí)際物料重量控制值設(shè)定為W[1]。

圖3.計(jì)量程序的功能與時(shí)序：

7.氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)控制系統(tǒng)作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在整個(gè)定量包裝稱重系統(tǒng)中的作用十分重要。氣動(dòng)控制原理是當(dāng)清空料斗內(nèi)的物料時(shí)，氣流振動(dòng)器里充入高壓氣流，持續(xù)產(chǎn)生高頻率的振動(dòng)，料斗內(nèi)壁上粘附的積粉在高頻振動(dòng)下被振落清除，從而保證經(jīng)過計(jì)量稱重的物料都能落入包裝袋內(nèi)，由此稱量準(zhǔn)確度得以保證。DCS系列智能型定量包裝稱重系統(tǒng)需要配備（0.4～0.6）MPa的氣源，流量為0.1m3/min。

8.計(jì)量性能驗(yàn)證

在本次試驗(yàn)中，參照J(rèn)JG564-2002《重力式自動(dòng)裝料衡器》計(jì)量檢定規(guī)程，主要進(jìn)行定量包裝秤的靜態(tài)稱量試驗(yàn)和物料試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

a、靜態(tài)秤量試驗(yàn)：從零點(diǎn)起逐漸增加試驗(yàn)載荷至最大秤量，并逆順序卸下試驗(yàn)載荷至零點(diǎn)。選擇的試驗(yàn)載荷應(yīng)包括（接近）最大秤量和最小秤量及有特別要求的秤量。每一載荷點(diǎn)的示值誤差通過閃變點(diǎn)法，即通過施加0.1d小砝碼的方法進(jìn)行確定，進(jìn)而確定定量包裝秤的靜態(tài)試驗(yàn)允許誤差是否滿足X（0.2）級(jí)裝料衡器的要求。

b、物料試驗(yàn)：物料試驗(yàn)采取的是在最小裝料、中間裝料和最大裝料三個(gè)載荷點(diǎn)分別進(jìn)行，使用的物料為面粉。試驗(yàn)中，需要對(duì)樣機(jī)的包裝成品重量進(jìn)行連續(xù)不間斷的實(shí)測記錄，首先要記錄定量包裝秤儀表顯示值，之后在控制衡器上稱量面粉包的重量，作為面粉包的實(shí)際重量。根據(jù)兩批記錄值的結(jié)果，對(duì)樣機(jī)的稱量準(zhǔn)確度等級(jí)作出判斷。

結(jié)論：

簡而言之，DCS系列的智能型定量包裝稱重系統(tǒng)，是定量包裝技術(shù)的重要發(fā)展方向。該系統(tǒng)是一種新式的、不同于集中式控制系統(tǒng)的新型的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?；驹O(shè)計(jì)思路是采取分散控制、集中操作、運(yùn)用分級(jí)的管理方式，從而實(shí)現(xiàn)靈活地配置資源，而且組態(tài)方便。本文主要介紹了該系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)與特點(diǎn)，選擇稱重傳感器的原則，智能稱重控制儀的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，稱重控制儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，稱重控制儀的軟件設(shè)計(jì)與功能，氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)定量秤的性能規(guī)格，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可行性[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.1～154.

[2]程睿，魏國靜，吳澤全.可編程控制器在糧食定量包裝秤中的應(yīng)用[J]，農(nóng)機(jī)化研究，2016，（2）：124～125.