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。
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。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Ux,并通过放大器进行放大。Un表示等效到放大器输入端的噪声和干扰电压,△Ui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
U0=A(Ux+Un+Ui)=AUx+AUn+AUi
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Ux=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Un,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△Ui,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△Ui,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。WX0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WX1、慢速下料的终了值WX2和称量终了值WX。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WX2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WX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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