DB8320型立式包裝機稱重控制系統的研究與改進

孫惠琳，曹成茂

(安徽農業大學 工學院，合肥　230036)

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DB8320型立式包裝機稱重控制系統的研究與改進

孫惠琳，曹成茂

(安徽農業大學 工學院，合肥230036)

摘要：立式包裝機在批量加工流程中需要針對加工位置、包裝數量、包裝速度、物料質量等重要參數進行檢測與校正，否則無法保證良好的包裝效果。為此，給出了DB8320型立式包裝機控制系統設計，詳細闡述了包裝機稱重控制系統的改進方法，并利用西門子SMART700IE液晶觸摸屏為用戶提供一個簡單直觀的人機交互方式，實現實時顯示、監測與控制。整個系統穩定可靠、符合預期的精度要求，包裝效果良好。

關鍵詞：立式包裝機；監測控制；稱重系統；液晶觸摸屏

0引言

包裝機稱重系統是包裝機稱量過程中的精確控制系統，是保證填充物在填充過程中質量精確的決定因素。經過包裝機稱重系統處理后，稱重中的漂移與非線性得到很大改善，包裝機的實用性增強，進一步達到包裝產品品質提高的效果。

傳統包裝機稱重系統的設計側重于機械方式，電氣方面的設計僅局限于包裝機其他操作，包裝過程也常常取決于操作人員的經驗。近年來，國內的包裝機稱重系統雖然在電控上有所改進，但仍然有很大的改良空間。

為了實現稱重效果的高標準，針對自主研發的DB8320型立式包裝機設計了一種稱重檢測控制系統，可實現對下料填充過程質量參數信息的處理與控制。該系統中還使用西門子SMART700IE觸摸屏，用戶可直觀地對整個包裝機控制過程、稱重過程進行監控與操作。

1包裝機基本結構及工作過程

DB8320型立式包裝機是一臺智能型包裝設備，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等部件組成，基本結構如圖1所示。

設備開啟前進行包裝質量、包裝速度、包裝袋長設定，然后打開主開關，物料由粗細下料傳送帶投入料倉，在料倉內進行精確稱重處理，符合質量誤差范圍要求的物料即可觸發卸料閥，使物料卸入包裝袋中；縱封器上的縱封滾輪對接處加熱加壓將包裝袋縱向熱封牢固，然后滾輪運動，橫封器進行橫向熱封形成橫向封口；切斷裝置上的旋轉切刀與固定切刀相接觸將橫向封口沿中線切斷分開，同時實現包裝袋的頂封和下一個包裝袋的底封，完成整個包裝工序。

各傳感器在測量點處輸出的信號可作為包裝流程中各個步驟開啟和完成的標志，保證機器的穩步運行。

2包裝機控制系統設計

2.1系統總體結構

整個包裝機控制系統主要由西門子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、各類電機及變壓器等構成。其中，輸入信號有自動手動信號、啟動信號、停止信號、供膜信號、色標檢測、料滿檢測、打碼防偏移檢測及電動機過載保護等；輸出信號有縱封氣缸電磁閥、橫封氣缸電磁閥、打碼氣缸電磁閥、切刀氣缸電磁閥、供料電動機、供膜電動機及空氣壓縮機等。包裝機控制主電路圖如圖2所示。

2.2稱重系統工作原理

稱重系統通過使用JLBS-P鋁合金S型稱重傳感器(量程0～10V)輸出質量信號，采用16位BSQ-2變送器，連接EM231CN模擬量輸入模塊實現A/D轉換，將A/D值送給S7-200PLC處理，用上位機完成對液晶觸摸屏SMART700IE和S7-200PLC的設定和編程；S7-200PLC采用RS-485方式與SMART700IE、上位機進行相互通訊。稱重控制系統工作原理圖如圖3所示。

1.粗下料皮帶　2.細下料皮帶　3.稱重傳感器　4.支座　5.控制柜　6.包裝材料　7.光電開關　8.成型器　9.調節螺釘　 11腳輪　 12.拉膜電機

圖2　包裝機控制主電路圖

圖3　稱重控制系統工作原理圖

3稱重控制系統非線性校正

由于傳感器、放大器等測量系統的非線性度，導致輸入值(被測量值)與輸出值(顯示值)之間不是嚴格的線性關系，會嚴重影響稱重儀器的精度。經過硬件的溫度補償處理后，仍然會有漂移現象。

為使實物質量-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。通過標定多點后，只知道這些標定點的A/D輸出值與相應的質量，若稱重傳感器上加載未知質量時，A/D轉換器會輸出不同的A/D值。為了得到這個A/D值對應的質量值，根據有限個點上的A/D值和質量的對應關系，用yi=F(xi)來代替y=f(x)。式中，xi為已知點i上A/D轉換器輸出的A/D值，yi為相應的質量值。當F(x)為N次代數多項式時，則F(x)為N次代數插值多項式，用拉格朗日N次代數插值表達式表示為

F(x)=m0+m1x+m2x2+…+mnxn

其中，m0，m1，m2，…，mn為待定系數。

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，線性插值函數已經可以獲得較高的逼近程度。經計算得

F(x)=m0+m1x+m2x2+…+mnxn

由于需要測重的物料質量較小，所以選用0～70g分成若干區間進行插值，獲得A/D值對應的質量值。

4稱重控制系統軟件設計

包裝機在開啟前，在包裝機控制系統平臺上進行V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4軟件開發。系統參照用戶設定的各項參數以及稱重傳感器實時檢測的參數信息，發送電機控制命令，進行各環節包裝動作，每個動作之間通過適當的延時銜接。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實驗數據和成果

5.1稱重校正

采用的實驗測試對象是標準砝碼。方法為：將砝碼放在稱重機構的測量盤上，待測量讀數穩定后記錄結果。

經過實驗測量，從標準為0～70g的測量數據中每組挑選5個，記錄下并求平均值、質量差、測重差及相對測重比。測量數據如表1所示，數據分析如表2所示。

表2中最后一列相對測重比反映在二維的測重電壓值V與砝碼量m曲線上，就是曲線的斜率，從表2的數據可以看出：斜率的大小有波動，說明應變片的線性度不是很好，因此需要進行軟件上的線性化處理。

因此，將表2得到的平均測重和測重差、砝碼質量作為分段插值函數的參數，整合后得到一個線性公式，即可計算砝碼質量。以此公式重新按照表1的方式測量5組數據。數據校正后的測量數據，如表3所示。

從表3可知，經過數據校正后，稱重模塊在0～70g之內都有很好的測量精確度。

表1　測量數據

表2　 數據分析

表3　 數據校正后的測量數據

5.2觸摸屏顯示、監控和報警

使用西門子SMART700IE液晶觸摸屏實現實時顯示、監控和報警。開機畫面如圖6所示，當前質量等參數顯示如圖7所示，實時監控如圖8所示，質量與A/D輸入值(電壓)曲線如圖9所示。

圖6　開機畫面

圖7　當前質量等參數

圖8　實時監控

圖9　質量與A/D輸入值(電壓)曲線

6結論

1)通過液晶觸摸屏監控顯示、設計可實現整個包裝機控制過程，并提供相應的報警視圖指示和實時質量顯示等。

2)通過數據校正，稱重機構誤差平均達到千分之三，達到國際標準，從而證實稱重機構及數據校正方法有效可靠，其精確度能滿足包裝需求，可以應用在精確包裝上。

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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：1003-188X(2016)07-0142-05

中圖分類號：TH6

文獻標識碼：A

作者簡介：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，博士生導師，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51305181)

收稿日期：2015-06-16