自动包装机主要应用于大量散装物料的定量包装，以方便运输、销售和使用，按照定量原理，可将自动包装机分为称重式和定容式两大类。近年来，随着自动检测和控制技术的发展，对自动包装机精度要求越来越高，利用称重方式更便于提高包装机称量精度，本文主要针对称重式自动包装机对其定量功能进行设计与实现。
1.自动包装机组成及工作原理

称重式自动包装机主要由储料斗、给料门、称重传感器、称重斗、卸料门、放料斗等几部分相互配合，完成供料、称重、卸料动作，实现对物料的自动包装过程，其整体结构图储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，完全打开料门进入大给料状态。当到达给定大给料重量

时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，完全关闭给料门，经过一定的空中落料，称量斗稳定，并且卡袋机构卡紧时，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装循环 [1]。根据每次灌装之后的实际重量，利用反馈控制算法，计算出下一个包装循环时小给料重量，控制这个重量，使整个系统可以自动调整回目标重量。

2.定量称重系统称量部分设计

定量称重系统是包装机的核心部分，称量部分完成对物料重量的称量，来保证包装的精度。本部分主要包括秤体、秤斗、传感器等。

■ 2.1 秤体

是钢制的装配式的箱体结构，它能支撑并把秤的全部部件包容在箱形结构内。箱体上装有二扇较大的门，在安装和维护时可以方便地接触内部部件。在箱体的侧面开有二个通风口，可以用来安装除尘系统。

■ 2.2 秤斗

是在称量循环中用来盛料的，秤斗用二根垂直的杆悬挂着，杆的下端用螺栓与秤斗固定，上端用二个轴承与传感器相连。料斗上装有二块挡板式卸料门，是用气缸来控制的。当秤斗门全部闭合时有一个接近开关提供关的信号，当秤斗门还未关闭时又有连锁装置可以防止进料门动作。在称量料斗的底部装有支撑架，用来安装和校核时放置砝码。秤斗的侧面装有一扇可开启的门，以便清扫料斗内部的积灰。

■ 2.3 称重式传感器

与称量斗相连，可以及时测得物料重量，本系统采用电阻应变式称重传感器，其结构为悬臂梁式。传感器的下端用二个轴承与二根垂直的杆悬挂着的杆相连，杆的下端用螺栓与秤斗固定。

3.定量称重系统控制部分设计

称重传感器称量物料重量，并将其转换为电量，通过显示器显示实测值，控制系统通过顺序单元和继电器单元完成实测值 与设定值（大给料重量 、小给料重量 ）的比较，控制料门动作，最终使系统达到包装目标重量 。本系统根据一般称重控制系统自身周期性往复称量的特点，采用智能补偿算法对系统控制量进行预测调整，使包装的实际重量符合生产要求。通过一次实际称量重量与给定重量的误差值，对下一次给料过程进行修正，从而保证物料的称量误差在最小的范围内。并且通过几次给料过程的修正，使得实际称量值自动调整回给定值重量。

■ 3.1 称重控制算法

设包装目标重量为 ，大给料重量为 ，小给料重量为 ，实测重量为 ，终止提前给料量为 ，即： ( 式 1)

当落下物料的实测重量小于 时，大、小给料气缸同时打开，为大给料状态；当实测重量大于 时，大给料气缸关闭，进入小给料状态，以免产生超调。当实测重量等于时，即到达终止提前给料量时，关闭小给料气缸，停止给料 [2]。其控制算法可用式 2 表示。  ( 式 2)

式中 S――两步给料输出

――实测重量

――大给料

――小给料

――大给料重量

――小给料重量

两步给料状态，可由下式表示：( 式 3)式中 ――动态误差（即目标重量 与动态实测值之差）

――大小给料切换界限

――大给料状态

――小给料状态

每次包装时，系统根据动态称量误差 及大小给料切换界限值 ，终止给料量 进行比较，按式 3 选择不同的给料状态。每次包装完毕，待系统稳定，系统根据静态称量误差 （ 为第 k 次称重时的静态称量值）对终止给料提前量 进行补偿，得到下次包装的终止给料提前量 ，为下次包装作好准备。这种称重补偿算法假设某种物料第 k ＋ 1 次称量时，其终止给料提前量 能在对 的基础上得以补偿，这种补偿取决于第 k 次称量后的静态误差 及其变化量。

补偿方法为： ( 式 4)

当称量误差超过允许误差范围 且有发散趋势时，用多次误差的统计值来修正 。当称量误差超过允许误差范围且有收敛趋势时，采用恒值补偿。当称量误差在允许范围之内时，不对 进行补偿。如式 5 所示。用常用的电缆即可；如果信号所传输的距离较远，则可以采用屏蔽电缆。对于系统中负责通信的电缆，则对可靠性的要求更高，同时，考虑到部分通信电缆的信号频率比较高，可以考虑采用专门的生产厂家所提供 的专用电缆；如果系统中的信号频率较低，且整个系统的要求不高，则可以考虑采用带屏蔽的双绞线即可。在实际的部署与使用中，PLC 控制系统要尽可能地远离较强的干扰源，比如高频焊机、比较大型的动力设备等。此外，还应该 PLC 控制设备与高压电器进行分开存放，且存放柜中的 PLC 要与动力线远离。与 PLC 控制系统处于相同开关柜中的其他电感性元件，比如常见的继电器、接触器线圈等，则应该与消弧电路并联。

■ 2.5 软件设计中的措施

在 PLC 控制系统中，如果采用更加合适的控制模型与算法，对整个系统的稳定性会得到大幅提升。通常，可以采用采样值数字滤波的方式，实现对干扰信号的有效滤除；采用不完全的微分方式，可以有效防止在控制过程中产生震荡；如果采用选择性的控制调解模式，则可以使接近危险区域的被控量脱离危险，将故障先兆及时排除，有效避免事故的发生。所以，对于所针对的不同对象，则应该采用多种或综合控制算法模式，使得整个 PLC 控制系统的精度与稳定性得到保证。

3.利用冗余技术提高可行性

对整个系统的安全性、可行性要求极高的地方，如果单单采用硬件的方式来提升系统可行性，会导致系统生产和使用成本的大幅增加，因此，就有必要采用冗余技术来实现。

4.结束语

PLC 控制系统在使用过程中，所面对的应用环境与条件存在较大的差异，且干扰源也有很大的不同。所有，在具体的操作与应用开发环节中，则只有采用更加适当的措施，才能促进整个系统以更加安全、可行的方式进行工作。

参考文献

＊ [1] 司徒莹 , 叶剑成 . 基于 PLC 的小零件流水线清洗控制系统 [J].自动化技术与应用 . 2016(09)

＊ [2] 胡鹏 , 钱进 , 徐凯 , 唐坚 , 陈静 . 基于总线技术的中小型压力机控制系统的智能化设计 [J]. 锻压装备与制造技术 . 2016(04)

＊ [3] 孙阳阳 , 姚国鹏 , 钟 . 700℃超超临界燃煤发电机组关键部件验证试验平台控制系统设计 [J]. 热力发电 . 2016(09)

 

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