智能型定量包裝秤的設計及其計量性能驗證

劉遠輝

摘要：針對散裝物料的定量包裝要求越來越高，不但要求包裝計量要又快又準，還要求自動化程度要高，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，是定量包裝技術的重要發展方向，在不斷地改良技術，以滿足上述要求，提高生產水平。本文提出DCS智能型定量包裝稱重系統（以下簡稱“DCS稱重系統”）的設計與應用方法。該系統是一種新式的、不同于集中式控制系統的新型的計算機控制系統;雖然它的開發基礎是源于集中式控制系統，但經過不斷地更新改良，已發展成多級計算機控制系統，是以通信網絡為紐帶，組合了過程控制級、監控級，結合了4C技術：即計算機技術、顯示技術、通信技術以及控制技術等。在系統功能方面，DCS和集中式控制系統并不存在很大的區別，但是有著完全不同的實現方法。

關鍵詞：定量包裝;計量精度;DCS智能型定量包裝稱重系統

1.系統的組成

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

該系統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，有物料進入料斗產生了重量信號后，智能型控制儀表會接收到由稱重傳感器傳輸過來的重量信號，進而通過運算，自動完成控制定量稱重。

2.系統的主要技術指標與特點

（1）最大秤量范圍：可進行多秤量選擇，25kg、50kg等均可。（2）稱量速度：最大秤量為25kg時，可以達到每小時計量包裝（200～400）包/袋;最大秤量為50kg時，則可達到每小時計量包裝（180～240）包/袋。（3）計量準確度等級：X（0.2）級，動態測試時最大允許誤差：±0.14%（參照JJG564-2002《重力式自動裝料衡器》國家計量檢定規程）。（4）適用范圍：用于淀粉、面粉、飼料以及食品等粉狀物料，進行自動定量包裝。（5）系統特點：計量精度高、可以調整包裝稱量的速度、結構合理、整體性好和環保操作等特點。

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的類型和安裝空間位置是選擇傳感器型式的兩個重要考量。本文中設計的智能型定量包裝稱重系統，綜合考慮上述兩個因素，決定選用懸臂梁式的稱重傳感器。（2）應適合使用場所的環境條件在一般的使用場合，根據環境要求，可選用適用的普通稱重傳感器。稱重系統設備所處的現場環境溫度如果會超出50℃，必須優先考慮可以在高溫環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直接影響到秤量系統的稱量準確度的，越接近則準確性越高。實際上，由于稱重傳感器上的載荷包括有被稱物、秤體、料斗等，還會有因為結構的振動和沖擊而產生了力的存在，所以稱重傳感器的額定容量要大于物料的設定值，選用傳感器的量限大小要取決于稱量系統的整體設計。在一般情況下，在稱重傳感器額定容量范圍的30%～70%內工作，系統的可靠性是可以得到有效保證的，同時還能保護傳感器避免因過度使用而損傷。

4.智能稱重控制儀的設計要點

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

5.稱重控制儀的硬件結構設計

當稱重傳感器承受到物料的重量時，傳感器將重量信息轉化為毫伏級的電壓信號，并輸出給儀表，由信號放大器放大后，再經過A/D交換器轉換成計算機可識別的數字量，計算機接收到數據后會根據設定的指令進行處理及分析，然后發出各類的控制信號，這些信號經過多級驅動，控制電磁閥工作，從而完成整個控制過程。

6.稱重控制儀的軟件設計與功能

智能型定量稱重系統的軟件設計需有以下四個部分：（1）監控程序：用于調試，不控制儀表;（2）初始化及功能判斷程序：設置輸入、輸出口、中斷向量以及特定內存等，此程序還有一個功能是判斷下一步的工作流程是計量或者自校;（3）自校程序：持續地對標準值進行采樣、顯示，調校稱重傳感器的零點及儀表靈敏度，作為判斷指標使用;（4）計量程序：本例中，根據圖3所示的編制，設計計量程序的功能和時序如下，粗喂料的過程經歷t0～t1′時間段，到達t1時，系統關閉粗喂料;細喂料過程經歷t1～t2′時間段，到達t2時，系統關閉細喂料;等待空間落料和顯示稱重這段時間為t2～t3;排放物料為t3～t4時間段。在圖中，關粗喂料的重量控制值設定為W1，關細喂料的重量控制值設定值為W2，實際物料重量控制值設定為W[1]。

圖3.計量程序的功能與時序：

7.氣動控制系統設計

氣動控制系統作為控制執行機構，在整個定量包裝稱重系統中的作用十分重要。氣動控制原理是當清空料斗內的物料時，氣流振動器里充入高壓氣流，持續產生高頻率的振動，料斗內壁上粘附的積粉在高頻振動下被振落清除，從而保證經過計量稱重的物料都能落入包裝袋內，由此稱量準確度得以保證。DCS系列智能型定量包裝稱重系統需要配備（0.4～0.6）MPa的氣源，流量為0.1m3/min。

8.計量性能驗證

在本次試驗中，參照JJG564-2002《重力式自動裝料衡器》計量檢定規程，主要進行定量包裝秤的靜態稱量試驗和物料試驗。具體實驗內容如下：

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

b、物料試驗：物料試驗采取的是在最小裝料、中間裝料和最大裝料三個載荷點分別進行，使用的物料為面粉。試驗中，需要對樣機的包裝成品重量進行連續不間斷的實測記錄，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，作為面粉包的實際重量。根據兩批記錄值的結果，對樣機的稱量準確度等級作出判斷。

結論：

簡而言之，DCS系列的智能型定量包裝稱重系統，是定量包裝技術的重要發展方向。該系統是一種新式的、不同于集中式控制系統的新型的多級計算機控制系統。基本設計思路是采取分散控制、集中操作、運用分級的管理方式，從而實現靈活地配置資源，而且組態方便。本文主要介紹了該系統的組成，系統的主要技術指標與特點，選擇稱重傳感器的原則，智能稱重控制儀的設計要點，稱重控制儀的硬件結構設計，稱重控制儀的軟件設計與功能，氣動控制系統設計，試驗定量秤的性能規格，并通過試驗來驗證該設計方法的可行性[2]。

參考文獻：

[1]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，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用[J]，農機化研究，2016，（2）：124～125.