定量包装秤已广泛应用于食品 、饲料、 化工等行业 。例如 , 饲料称量计量包装是饲料工业的重要生产环节。饲料称量计量包装的准确与否将直接影响到企业的信誉和经济效益 。过去采用机械称量 、 人工装袋 , 工人劳动强度大 、 效率低 、 称量精度差 。近几年 , 也开始采用电子称量装置使其静态称量精度大大提高, 但在饲料加工连续生产过程中, 其动态精度仍不能保证, 因此, 在快速自动称量中如何提高动态称量精度 , 一直是饲料加工企业急需解决的难题。
电子定量称重过程是一个动态过程, 而要准确计量物料的质量使其尽量接近标准值, 就需要使动态过程向静态稳定趋近 , 为此, 在产品设计时, 从电气控制及机械结构方面都将计量过程分为2 个阶段 : 粗喂料阶段和细喂料阶段 。前者保证称重的速度, 后者保证称重的精度。这样一来可能产生 2 个问题 : 一是保证计量精度但称重速度不够 ; 二是有较高的称量速度但计量精度不易保证。我国目前称重范围在 29 ～ 100kg 的电子秤 ,计量精度和速度以及其他性能指标 ,与国外同类产品接近。但是 25kg 以下的小计量电子秤, 尤其是 0. 5 ～5kg的计量秤, 与国外同类产品相比有一定的差距。
作者在为某企业研制饲料自动化生产设备中, 发现由于使用环境的差异或控制策略等原因 , 许多定量包装秤的使用不尽如人意 , 尤其是企业为提高生产效率, 快速、 连续生产时,称量精度很难保证, 为此, 本文应用PLC 作为动态称量包装测控设备,在硬件和软件设计中采用了一些措施和动态控制方法 , 较好地解决了称量速度与精度的矛盾, 实现了饲料连续生产中动态称量计量的精度。
1　 系统工作原理
用称量传感器、 放大器和 PLC组成测控系统来完成饲料的称重 、 计量、 包装的生产工艺过程, 如图 1 所示。该系统以 PLC 为核心, 配以称重传感器 、 放大器、 各种电动执行器和机械装置, 实现饲料的动态在线称重计量和包装工作。
称斗的上方是成品仓 , 该仓中的原料是来自饲料混合工序生产的饲料散状成品料。成品仓下是 1 台电动机驱动的螺旋进料装置, 启动电动机, 则该成品仓中的粉状饲料就随着传输绞笼的旋转而进入称斗中称量 。称斗上装有 3 个S 粱式应变式拉力传感器, 称斗的质量信号直接由该传感器组转换成与之相对应的电信号 , 经放大器把该电信号放大后送入PLC 进行数据处理, 当到达预定值时 , PLC 停止下料, 然后 PLC 控制开秤斗门, 并控制打包机自动装袋后由传送带送出 。于是就完成了饲料称量打包的自动化过程。
2 　提高动态称量的硬件措施
影响称重静态精度来源于传感器和放大器组成的硬件系统 。
该系统用 3 个拉力传感器将饲料质量 W 变换成线性关系的电信号U x , 并通过放大器进行放大 。图中U n 表示等效到放大器输入端的噪声和干扰电压, △U i 表示等效到输入端的飘移电压。设 2 级放大器的放大倍数为 A , 则
U 0 =A ( U x +U n +U i ) =AU x+AU n +AU i
式中的第 2 项主要影响灵敏度 ,第3 项主要影响系统的精度。
2. 1 　影响传感器的因素及解决办法
传感器输出信号的稳定性除决定传感器本身的性能外, 还与供电电源和传感器的安装有密切关系。本系统采用 3 只 UH61 -100u 型称重传感器, 每只传感器单独供电, 通过调节其桥路电压使3 只传感器的输出灵敏度K 相同 , 3 只传感器串联输出的电压为 U x =K ( E1 +E2 +E3) 。为了提高每个传感器供桥电压的稳定性, 采用2 次降压 , 并对元件进行老化, 测试后进行选配, 特别是对基准稳压管 2DW233 的老化处理和时漂测试, 选择时漂小的, 通过调节其工作电流使其在接近零温度系数下, 使整个传感器电源的温度稳定性优1. 0 × 10 -5 / ℃。
3 只拉力传感器安装在称斗和称架之间 。如果传感器承受的质量与传感器轴线存在夹角 α 则将产生横向分力而引入误差△W =W -Wcosα 。这对于每次称重 25kg, 在称斗皮重100kg 的情况下 , 即 3 只 100kg 的传感器实际负重为 125kg。当 α = 4° 时 ,称重误差就为 0. 43kg 。因此, 安装传感器时应确保传感器能垂直受力 。
2. 2　 影响系统灵敏度的因素及解决办法
影响系统灵敏度的主要因素是检测电路的内部噪声和外部干扰电压U n , 它与放大器所工作的频带相关。在研制中 , 通过选择低噪声器件 , 在满足采集速度所需足够宽的频带的前提下 , 通过选配电阻来提高放大电路本身的共模抑制能力 , 整个检测系统采用双层屏蔽, 采样时间选为工频周期整数倍等项措施, 使整个系统获得了能分辨 5g质量的灵敏度。
2. 3 　影响准确度的主要因素及解决办法
影响准确度的主要因素是整个检测系统的非线性和漂移△U i , 其中对于系统的非线性, 在选配元器件校正的基础上, 采用了软件修正;而对于随温度和时间产生的漂移电压△U i , 主要采用元器件的老化、 测试与分选工艺, 筛选掉时漂大的 , 然后选配温度系数进行补偿, 使整个系统的静态精度达到 0. 07 %, 为实现动态精度称量奠定了基础 。
3　 提高动态称重精度的软件措施
影响动态称重的主要因素是被称重物料的密度 、 流量和落差的大小,它是由成品料仓的压力和 PLC 所控制的进料驱动装置产生的 。因此 , 改进控制思路, 借鉴静态称量精度高的特点是提高动态计量的关键。为此,我们选用双速变径变距螺旋下料机,采用 “先快后慢 , 最后点动” 的控制下料方式 , 见图 3 。图中:W X0 为称重前 PLC 所采集的称斗皮重;由此PLC 按照每包计量净质量的 90 %、95%和100%算出快速下料的终了值W X1 、 慢速下料的终了值 W X2 和称量终了值 W X 。其控制过程可以这样简单说明: 在下料开始一段时间, PLC控制绞笼电动机快速下料, 当检测达到快速下料终了值 W X2 时, PLC 关闭绞笼电动机后采用 “点动” 下料,当达到或接近期望值 W X 时为止。
按照上述思路 , 通过编写全动态控制加料的快 、 慢速和点动下料的软件模块 , 以及为消除空中落料对称量精度的影响, 编写了自动寻找提前停机量的软件模块等软件措施。该系统使用 1 年来 , 经计量部门 2 次测试,整个系统计量准确度优于2 %。
4 　结论
采用 PLC 控制进行饲料称重包装 , 具有结构简单 、 计量准确 、 工作可靠, 较好的兼顾了动态称重计量的精度和速度, 满足了在线快速动态质量计量的要求 , 对水泥、 食盐 、 面粉等的称重包装有借鉴作用和推广价值 。

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