（机械电子工程专业论文）粒状物料小包装自动称重封装控制系统的设计与研制.pdf

：7 - ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄丝墨导师签名：糜螽簦日期：竺! ! ! ! ：! 摘要 摘要 包装机械作为现代包装工业的基本设备，是商品生产和加工过程中必不可少 的关键性技术设备。实现包装的机械化和自动控制化，尤其是实现具有高度灵活 性的自动包装技术，不仅体现了现代生产的发展方向，同时也可以获得巨大的经 济效益。称重设备是包装机械的一个关键环节，它的性能指标直接影响整个包装 设备的整机性能。本文针对目前我国很多小型企业现有设备技术水平低，称重控 制精度和生产效率低的实际情况，提出一种基于企业现有设备，通过改进控制方 式来设计和研制了一个自动称重与封装控制系统，研究成果对企业自主开发同类 型产品具有实用意义。 论文在分析原有自动称重设备和粒状包装物包装流程的基础上，完成了整个 设备的总体改造方案设计，为原有设备配备了皮带式物料输送装置和热封口装 置，实现了包装物的自动上料和产品的自动封装和下料。对原有称重设备的称重 控制进行了改进，采用了螺杆定量挤出和称重传感器修正相结合的控制方式，提 高了称重的精度和速度。 基于p l c 技术完成了自动称重封装控制系统的设计，开发了控制程序。采用 西门子$ 7 - 2 0 0p l c 、变频器和电机、称重传感器和编码器构成一个闭环控制系 统，实现了高速动态定量称重，并开发了自动控制、状态显示、监控、参数输入 等人机操作界面。经试检验验证，在包装1 k g 物料时，称重精度为o 5 ，称重 包装速度可达4 0 袋分钟。 关键词颗粒状包装物；自动称重；控制系统：人机界面 北京工业大学硕士学位论文 a b s tr a c t p a c k a g i n gm a c h i n e r y , a st h eb a s i ce q u i p m e n to fm o d e mp a c k a g i n gi n d u s t r y , i s t h ee s s e n t i a lt e c h n i c a l e q u i p m e n t o fc o m m o d i t yp r o d u c t i o n a n d p r o c e s s i n g m e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o no fp a c k a g i n gt e c h n o l o g y , i np a r t i c u l a r , t oa c h i e v ea 1 1 i 曲d e g r e eo ff l e x i b i l i t yo f t h ea u t o m a t i cp a c k a g i n gt e c h n o l o g y , n o to n l yr e f l e c t e d t h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fm o d e mp r o d u c t i o n ，b u ta l s og e te n o r m o u se c o n o m a c b e n e f i t s w e i g h i n ge q u i p m e n ti s ak e yp a r to fp a c k a g i n gm a c h i n e ，i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y a f f e c t st h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h ep a c k a g i n ge q u i p m e n t i nt h i sp a p e r , a g a i n s tal o to fs m a l l b u s i n e s s e sw i t hl o wt e c h n i c a ll e v e lo fe x i s t i n ge q u i p m e n t ，w e i g h i n gp r e c i s i o na n dt h ea c t u a l s i t u a t i o no fl o wp r o d u c t i v i t yi no u rc o u n t r y , i sp r o p o s e db a s e do ne x i s t i n ge q u i p m e n te n t e r p r i s e s ， t h r o u g hi m p r o v e dc o n t r o lm e t h o d st od e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa na u t o m a t i cw e i g h i n ga n d p a c k a g i n gc o n t r o ls y s t e m s ，r e s e a r c ho nt h ec o m p a n yd e v e l o p e dp r o d u c t sw i t ht h et y p eo fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t i n ga u t o m a t i cw e i g h i n ge q u i p m e n ta n dg r a n u l a rp a c k a g i n go f p a c k a g i n gp r o c e s sb a s e do nt h ec o m p l e t et r a n s f o r m a t i o no f t h eo v e r a l ld e s i g no ft h ee q u i p m e n tf o r o r i g i n a le q u i p m e n tw i t hab e l tt y p em a t e r i a lh a n d l i n ge q u i p m e n ta n dh e a ts e a l i n gd e v i c e ，t o a c h i e v et h ep a c k a g i n ga u t o m a t i cf e e d i n ga n da u t o m a t i cp a c k a g i n go fp r o d u c t sa n dc u t t i n g w e i g h i n ge q u i p m e n tw e i g h i n gt h eo r i g i n a l c o n t r o lw a si m p r o v e du s i n gq u a n t i t a t i v es c r e w e x t r u s i o na n dw e i g h i n gs e n s o rc o r r e c t i o nc o n t r o lm e t h o dc o m b i n i n gi m p r o v e dw e i g h i n ga c c u r a c y a n ds p e e d c o m p l e t et h ea u t o m a t i cw e i g h i n gp a c k a g i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，d e v e l o p m e n tc o n t r o l p r o c e d u r e sb a s e do np l ct e c h n o l o g y a p p l ys i e m e n ss 7 - 2 0 0p l c 。i n v e r t e ra n dm o t o r , l o a dc e l l a n de n c o d e rt of o r mac l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v eh i g h - s p e e dd y n a m i cw e i g h i n g ，a n d t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o l ，s t a t u sd i s p l a y , m o n i t o r , i n p u tp a r a m e t e r ss u c ha sh u m a n 。m a c h i n e i n t e r f a c e t h ep i l o tt e s tv e r i f i e dt h ep a c k i n gm a t e r i a l1 k g ，t h ew e i g h i n ga c c u r a c yo fo 5 ， w e i g h i n gp a c k i n gs p e e d so f u pt o4 0b a g s | m i n u t e k e y w o r d sg r a n u l a rp a c k i n g ：a u t o m a t i cw e i g h i n g ；c o n t r o ls y s t e m ；m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 】： 第1 章绪论1 1 1 概述：1 1 2 国内外自动称重封装设备现状及发展趋势1 1 2 1 国内自动称重设备现状及发展趋势1 1 2 2 国外自动称重封装设备现状及发展趋势3 1 3 课题研究背景及意义5 1 4 本文完成的主要工作6 第2 章自动称重封装设备总体设计8 2 1 设备功能概述8 2 1 1 原有系统概述8 2 1 2 被包装物的性能分析8 2 2 物料输送装置结构9 2 3 自动称重装置1 2 2 3 1 现行典型称重装置1 2 2 3 2 给料装置1 5 2 4 封口装置1 7 2 5 本章小结2 0 第3 章设备的控制系统2 1 3 1 控制系统整体设计2 l 3 1 1 控制系统概述2 l 3 1 2 控制系统电气设计2 1 3 2 自动称重控制2 4 3 2 1 称重传感器的原理与选择2 4 3 2 2 称重部分误差分析2 6 3 2 3 降低称重传感器的测量误差2 8 3 3 变频器的选择3 0 3 4 光电编码器的选择3 l 3 5 本章小结3 2 第4 章设备的软件设计3 3 4 1 软件整体结构3 3 4 2 自动称重模块3 5 4 3 故障及报警监控模块3 7 4 4 其它模块3 8 4 5 本章小结3 9 第5 章人机界面设计4 0 5 1 人机界面简介4 0 5 2 触摸屏及人机界面开发工具4 l 5 2 1 触摸屏t p l 7 7 a 4 1 5 3 1s i m a t i cw i n c c 软件4 2 i i i 北京工业大学硕十学位论文 5 3 2 自动称重封装系统人机界面4 4 5 4 实际检测情况4 7 5 5 本章小结4 8 结论和展望4 9 结论4 9 展望4 9 致谢5 0 参考文献5 1 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 随着时代的发展，技术的进步，包装机械在包装领域中正起着越来越大的作 用，其主要作用有以下几点：( 1 ) 可大大提高劳动生产率。( 2 ) 能有效地保证包装 质量。( 3 ) 能实现手工包装无法实现的操作，如真空包装、充气包装、贴体包装、 等压灌装等。( 4 ) 可降低劳动强度，改善劳动条件。( 5 ) 可降低包装成本。( 6 ) 能 可靠地保证产品卫生。( 7 ) 可促进相关工业的发展。 包装机械的种类繁多，按其主要功能可分为如下几类： ( 1 ) 充填机 充填机是将精确数量的包装品装入到各种容器内的包装机。其主要种类有： 容积式充填机、称重式充填机、计数式充填机。 ( 2 ) 封口机 封口机是将充填有包装物的容器进行封口的机械，其主要种类有：无封口 材料封口机、有封口材料封口机、有辅助封口材料封口机。 ( 3 ) 裹包机 裹包机是用柔性的包装材料，全部或部分地将包装物裹包起来的包装机。其主要 种类有：全裹式裹包机、半裹式裹包机。 ( 4 ) 多功能包装机这类包装机具有两种或两种以上的功能。 自动称重和封装技术是包装机械的关键组成部分，它的性能直接影响包装机 械的整机性能。 1 2 国内外自动称重封装设备现状及发展趋势 1 2 1 国内自动称重设备现状及发展趋势 我国包装机械起步较晚，1 9 8 0 年尚未形成工业体系，改革开放后，我国包 装机械得到迅速发展，年平均增长速度大于3 0 ，进入2 0 世纪9 0 年代后，仍以 2 0 以上的速度增长。经过2 0 多年的发展，我国包装机械已成为机械工业中十大 行业之一，无论是产量还是品种，都取得了令人瞩目的成就。全国包装工业总产 值从1 9 8 0 年的7 2 亿元增长到现在的2 3 0 0 多亿元，如今国内的包装工业每年为 几万亿元的工农业产品和上千亿美元的出口商品提供包装，在国民经济发展中 起到了重要作用。 我国包装机械制造业还存在不少问题。一是缺乏宏观调控，因包装机械企业 起点低、“先天不足”，且跨部门、跨行业，存在统筹规划、宏观指导难的问题， 北京工业大学硕士学位论文 在投资开发新产品方面往往一哄而起，出现低水平重复的无序竞争。二是缺乏资 金投入，这也是机械行业的共性，难以吸引大量资金投入，难以进行大量的技 术改造。因经费不足，企业用于研究和开发的投资占销售额平均水平不到19 6 ，不 能做到生产一代，开发一代，研究一代。由于没有技术储备，引进技术、消化吸收 工作不力，使企业新产品少，缺乏市场竞争力。三是缺乏专业技术人员，因包装 机械业目前的利润水平不高，难以吸引优秀的技术人才，以致人才队伍参差不齐， 自主开发产品和创新能力薄弱，甚至消化吸收国外同类产品的能力都很弱口1 。 此外，根据不完全统计，以巧克力糖果为例，如果按1 5 0 克袋，售价1 5 元 袋来计。为了保障消费者的合法权益，企业用车间工人人工包装的话平均每袋会 多装2 9 ，而用进口的包装机械则只会多装0 8 9 ，那么每袋就节省1 2 9 ，从而节 省金额o 1 2 元。一台进口的包装机械的包装速度一般可达7 0 袋分，假如一天开8 小时，一年有3 0 0 天在运做，那么年产量就为1 0 0 8 万袋，通过计算光原料即可节 省1 2 0 9 6 万元年。如果加上节省劳动力的成本，节省的成本就更加可观了口1 。 鉴于我国的现状以及考虑到目前出口的对象主要是东南亚、中东及非洲市 场，在未来一段时间里我国定量包装机械制造业应以注重开发快速、成本较低的 包装设备为主，使设备往更小型、更灵活机动、多用途、高效率发展h 1 。 近年来国内的自动称重设备也取得了长足的发展，伴随着国际市场的适时开 拓与进入，势必给称重包装设备的市场带来更好的利润发展空间。但是产品技术 含量不高，尤其是在定量称重环节，无论是称量精度还是速度都难以达到欧美国 家产品的标准。国内企业生产的定量称重包装设备大约速度为1 5 3 0 包分，精度 为o 5 ，价格大约在1 0 - 3 0 万元台；国外企业生产的定量称重包装设备的速度为 3 0 包一7 0 包分，精度为0 4 - 0 5 ，价格约为5 0 1 9 0 万元台。可以这么说，目前 国内的定量称重包装设备的速度上不去的关键是在动态称重的速度上，即在保证 一定精度要求的前提下，动态物流定量称重的速度上不去。因此要通过吸收国外 经验和自主创新，不断缩小与发达国家产品的技术差距，是今后行业发展过程中 的重中之重。 在这样的形势下，我国的包装机械产品由于品种少、技术水平低、产品可靠 性差等原因，面临着激烈的国际竞争。特别是我国近些年来，加快发展相关产品 的深加工，建设节约型社会，发展循环经济和加大技术创新力度，造成了新一轮 技术引进高潮，如我国近年对农产品深加工总投资达! u 3 2 0 多亿元，加工和包装 设备8 0 以上靠进口。同时也给国内包装企业快速发展提供了良好的市场空间。 包装机械装备的全面更新换代是中国包装机械发展的总趋势。更新换代的主 要特点是：大量移植采用民用和军用工业的各种现代化高精技术、电子技术、微 电子技术、边缘技术、模糊技术，进一步提高包装机械装备和生产线的可靠性、 安全性、无人作业性等自动化水平。更新换代的方式是采取更换局部零、部件或 2 第1 章绪论 关键性部件和关键性技术，使原包装机械装备或生产线的生产能力、性能、效率、 机型和组装方式等得到更新。这样对大部分部件、机组零件获得重复利用，既达 到提高装备价值，且又节省了原材料和大量劳动力，降低了成本。这种发展趋势 表明，包装机械装备、生产线愈来愈向标准化、系列化、综合化、组装化、联机 化的模式发展。 1 2 2 国外自动称重封装设备现状及发展趋势 目前国外生产定量称重包装设备的企业大体可以分为两类，一类是包装机械 制造企业，如德国的w o l f v e r p a c k 、日本的t o y om a c n u f a c h i n g 等公司；另一类是 衡器制造企业，瑞士的m e t t e r - t o l e d o 、德国的p f r e u n d t 等公司。 美国、日本、德国、意大利是世界上包装机械四大强国。美国是世界上包装 机械发展历史较长的国家，早已形成了独立完整的包装机械业体系，其品种和产 量均居世界之首。1 0 多年来，美国始终保持着世界包装机械生产和消费大国的地 位。其产品以高、大、精、尖产品居多，且大多数采用计算机控制，使包装机械 向高速度、高效率、高质量的方向发展。对商品包装材料所需的温度、湿度、强 度、电压和包装的数量等都编成程序输入电脑，进行自动控制。这不仅可以提高 包装机械的使用效率，提高包装机械的精密度和准确度，同时还能大大减轻操作 人员的劳动强度1 。 日本的包装机械制造厂以中小企业为主，包装机械的品种齐全，产品品种近 5 0 0 种，规格有7 0 0 多个。包装机械以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、 易安装、操作方便、自动化程度高等优点。9 0 年代以来，已将变频调整、光电追 踪、无触点电子开关、动态数据显示等技术运用在包装机械中。日本包装机械大 部分用于食品包装领域。 德国、意大利、英国、瑞士和法国等，都是世界上很重要的包装机械生产国 家。欧洲各国包装机械业的一个共同特点，是出口比例( 出口额占产值的比例) 都很大。德国的包装机械在计量、制造、技术性能等方面居领先地位，特别是啤 酒、饮料灌装设备具有高速、成套、自动化程度高、可靠性好等特点，享誉全球 一些大公司生产的包装机械集机一电一仪及微机控制于一体，采用光电感应，以光 标控制，并配有防静电装置。其大型自动包装机不仅包装容积大，而且能集制袋、 称重、充填、抽真空、封口等工序在一台单机上完成。德国包装机械业多年来始 终处于稳定增长状态，出口比例占8 0 左右，德国是世界上最大的包装机械出口 国。意大利是继美国、日本、德国之后的世界最大的包装机械生产国，又是仅次 于德国的第二大包装机械出口国。意大利的包装机械多用于食品工业，具有性能 优良、外观考究、价格便宜的特点。 目前，国际包装机械竞争日趋激烈，在功能上集物料自动输送、称重、自动 控制和信息处理等为一体，在技术上集机、电、仪及微机控制于一体的综合性包 北京工业大学硕士学位论文 装系统是现在包装机械技术发展与应用的前沿，它以高效、环保、低能耗等显著 特点，正逐渐成为包装机械发展的主流。未来包装机械应配合产业自动化趋势， 朝研发技术、人才及发展更高速包装机等方向进行。 国外包装机械行业将朝着高自动化、高生产率等方向发展： ( 1 )高自动化未来包装机械产业将配合产业自动化趋势，朝着四个方向 发展：一是机械功能多元化。工商业产品己趋向精致化及多元化，在大环境变化 趋势下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的包装机种类方面能适应市场需求。 二是结构设计标准化、模组化。充分利用原有机型模组化设计，可在短时间内转 换新机型。三是控制智能化。目前包装机械厂家普遍使用p l c 控制器，虽然p l c 弹性很大，但仍未具有电脑所拥有的强大功能。未来包装机械必须具备多功能、 调整操作简单等条件，基于电脑的智能型仪器将成为包装控制器的新趋势。四是 结构高精度化。结构设计及结构运动控制等决定着包装机械性能的优劣，未来包 装机械可通过电机、编码器及数字控制( n c ) 等高精密控制器来完成，并适度 地做产品延伸。 ( 2 ) 高生产率包装机械厂商越来越注重开发快速、成本较低的包装设备， 未来的发展趋势是设备更小型、更灵活机动、多用途、高效率。此趋势还包括节 约时间、降低成本，因此包装界所追求的是组合化、简洁化、可移动的包装设备。 在包装机械自动化方面，自动化操作程序已获得广泛应用，如：p l c 设备、数据 收集系统等。 ( 3 ) 配套性只重视主机生产，而不考虑配套设备完整，将使包装机械应 有的功能不能发挥出来。因此开发配套设备，使主机的功能得到最大的扩张，是 提高设备的市场竞争力和经济性至关重要的因素。德国在为用户提供生产自动线 或生产流水线设备时注重成套完整性，无论是高技术附加值还是较简单的设备门 类，都按配套性要求提供。 ( 4 ) 简便性未来包装机械必须具备多功能、调整操作简单等条件，基于电脑 的智能型仪器将成为各类包装控制器的新趋势。制造业者与最终消费者将趋向购 买操作简易且安装容易的包装机械，尤其是当前制造业大量裁员，对简易操作系 统的需求将与日俱增。因此，要想在未来包装市场取得一席之地，高效率的客户 服务与机械维修将是最重要的竞争条件之一。 ( 5 ) 广泛采用先进的设计方法和技术世界包装机械强国为适应市场不断变 化的要求，广泛采用了先进的设计方法和设计技术。如可靠性设计、工业造型设 计、并行设计、计算机辅助设计和计算机仿真设计技术等口1 。 国外的自动称重设备在控制方式主要可以分为以下两个发展阶段： 第一阶段主要是采用继电接触器的控制方式，由于包装机械具有动作复杂、 频繁等特点，且有大量的执行元件，所以需要大量的中间继电器构成控制系统， 4 第1 章绪论 这样的系统噪声大、寿命短、结构复杂，可靠性差，包装速度的提高受到极大的 限制。 第二阶段开始使用可编程逻辑控制器( p l c ) 取代继电接触器式的控制系统， 同时采用伺服电机作为执行元件，并结合h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 等人机 互动技术。 目前，包装设备的控制系统正在朝着第三个阶段发展，即采用大量伺服控制 系统以多轴伺服系统取代大量的齿轮箱结构，机械结构模块化设计，分离传动， 机电一体化程度不断提高，使机械、电子科学、信息科学、控制理论等相关技术 进行有机结合，实现整体最优控制效果口3 。 由于传感器和电子技术的快速发展，电子称重技术日趋成熟，体现出快速、 准确、操作简便、消除人为误差、功能多样化等主要特点，称重方式也由过去的 机械、离线和静态方式发展成为自动、在线、动态方式，自动在线称重和动态称 重将成为主导的称重方式。 1 3 课题研究背景及意义 随着人类社会的进步，国民经济的发展，人民生活水平的提高，人们越来越 重视包装的质量、品种类型，包装机械作为现代包装工业的基本设备，是商品生 产和加工过程中必不可少的关键性技术设备，自动称重技术的发展为实现包装机 械的自动化提供了重要动力。进入2 1 世纪，世界新科技革命发展的势头更加迅 猛，电子信息技术进一步成为推动称重技术发展的重要引擎。称重系统已由一个 单一的称重装置而逐渐的发展成为一个集物料自动输送、称重、自动控制和信息 处理等功能为一体的综合性称重系统阳1 。自动称重技术已经成为工艺技术、储运 技术、预包装技术、收货业务和商业销售领域中不可缺少的部分。面对日益激烈 的市场竞争，在产品生产、加工过程中实现高速、准确的称重，有助于提高效率， 节约资源，降低成本，而动态物流高速定量称重，也正是国际上一些对定量称重 包装颇有研究的著名高校和衡器制造企业正在追逐的方向。 控制系统是自动称重与封装设备的重要组成部分，它的作用在于对整个自 动工作循环进行控制和协调，包括使各种包装运动按一定顺序进行；必要的压 力、温度、时间、速度的调节及其控制；各种质量检测，自动安全保护，自动计 量、计数的实现；物料的供停，故障的自动报警等控制n 0 | 。 实现包装的机械化和自动控制化，尤其是实现具有高度灵活性的自动包装技 术，不仅体现了现代生产的发展方向，同时也可以获得巨大的经济效益u 。以p l c 为核心的动态高速定量称重技术，以其高可靠性，先进性，开放性，可扩展性等 突出特点，在现代的生产和物流系统中得到了广泛的应用。但是，在日益激烈的 5 北京工业大学硕士学位论文 市场竞争中，很多小型企业要想立足本行业发展，需要面对加大技术投入和提高 商品质量等多方面的压力。这些小型企业现有的设备是比较落后的，仍然采用继 电接触控制，存在着精度低、操作复杂，人工参与环节多、工作环境差等问题。 而购买一套新的自动化生产设备，不管是国内还是国外的设备，对他们来说都是 很难承受的，他们希望对现有的设备进行必要的技术改进，以满足企业不断发展 的需要。 本课题是为满足某些小型企业提高生产效率和市场竞争力，改善员工工作环 境的需求，基于企业现有设备改进而设计的一个自动称重与封装控制系统。以往 这些小企业的生产设备仍采用继电接触控制系统，在从送料、称重、封装等生产 ) m - r 过程中多处需要人工参与，且各个生产和加工设备是相互独立的，它一方面 劳动强度大、速度慢、准确度差，生产效率和经济效益都很低；另一方面，粉粒 状物料飞溅严重，工作环境恶劣，浪费大。因此，通过深入分析现有设备的技术 特点并在借鉴国内外先进自动称重设备技术的基础上，对现有设备功能进行扩 展，设计了一个自动称重封装系统，帮助这些小企业实现从多人工参与生产的半 自动化到自动化生产的跨跃。也将对具有相似包装设备改造和升级提供理论依据 和重要的参考价值。 1 4 本文完成的主要工作 本文对某企业原料加工后的包装过程控制系统进行改进，即应用p l c 、变 频器、传感器、编码器、触摸屏等组成控制系统，将开关量设置、复位操作以及 设定、修改系统参数、准确计量等功能进行了有机的结合，实现物料输送、称重、 封装连续自动控制。 本文完成的主要研究工作有： ( 1 ) 自动称重与封装设备总体改造方案的设计 在分析被包装物料的基本性能的基础上，对设备各个组成部分进行选型； ( 2 ) 自动称重与封装控制系统的设计 设备控制系统方案的设计； 电气元件的选择，其中包括p l c 控制器、光电编码器、变频器等； 根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从 而确定p l c 的i o 点数，包括开关量的f o 点数，模拟量的通道数，以及特殊功 能模块等； 控制系统电气图的绘制； 根据控制要求绘制程序流程图，编写p l c 程序； 使用人机界面编程软件开发监控程序和界面。 7 北京工业大学硕士学位论文 第2 章自动称重封装设备总体设计 2 1 设备功能概述 设备经过改造后，实现了对物料的输送、自动称重和封装一系列连续控制， 即通过输料装置和出料装置及时为自动称重系统输送物料，称重系统对物料进行 准确的计量，对装入包装袋中的物料进行包装，使得整个工作过程的连续、准确、 操作简便，生产的产品符合重量、精度、美观等基本要求。整体设备的组成框图 如图2 - 1 所示。 匝回圆圆 图2 1 设备组成框图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe q u i p m e n t 2 1 1 原有系统概述 在改造前，公司所使用的称重设备技术比较落后，需要手动操作整个设备工 作过程是：由工人控制脚踏开关启动设备，设备的出料量通过电机控制螺旋给料 器，称重部分的显示是通过电子秤，而且整个称重过程需要人工将成品物料倒入 料斗，人工参与撑袋，观察电子秤上的重量显示等环节，自动化程度相当低，而 且控制精度难以保证。 本文的所设计的粒状物料小包装自动称重封装控制系统完全能够解决上述 设备存在的不足，提高生产效率。 ( 1 ) 增加了物料自动传送和封装部分。 ( 2 ) 整个过程只需人工送袋，工作程序简单，大大减小工人的工作强度。 ( 3 )自动出料称重过程由控制器完成，称重的精度得到了很好的控制。 ( 4 ) 交互式的动态人机界面提高了该系统的自动化程度，符合该公司未来 发展的需求。 ( 5 ) 保证了称重封装设备定量精度高、对物料的适应性强等特点，同时提 高了其包装速度。、 2 1 2 被包装物的性能分析 固体物料的输送主要是由物料的物理一化学属性、流动性、时间性因素而定。 其物理一化学属性包括间隙度，密度，颗粒大小分布，颗粒的形状；其流动性表 征了物料的流动趋势，用表面摩擦角来评定，即物料在压紧力( 产生垂直方向的 剪应力) 作用下，其自身的流动趋势。 第2 章自动称重封装设备总体设计 散装固料从料仓下落时经常会有物料在筒仓的出料口处形成拱状或桥状堆 积现象，如图2 2 所示。这就阻碍了上面的物料向下流动，这些现象是由于颗粒 物料之间的机械性阻碍产生的，或是由于颗粒物料在载荷( 即上方的物料) 作用 下压紧而产生的。 图2 - 2 物料下落时的现象 f i g 2 - 2t h ew h e r e a b o u t so ft h ep h e n o m e n o no f m a t e r i a l 本设备的包装对象是硅藻土粉粒料，主要由无定形的s i o 。组成，并含有少 量f e 2 0 3 、c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 等有机杂质。机械机构是定量称重系统的主要工 作机构，其性能优劣直接影响到系统的成本以及最后的计量精确度n 羽。为了保证 物料能沿着整个筒仓的卸料区域下落，螺旋的卸料容量必须沿着楔形区域增大。 具有等螺距的，圆锥形轴和叶片的螺旋，或等直径，螺距渐小的螺旋，这两种螺 旋可使物料以正确的方式卸料，避免了物料的堵塞。 故在控制设计时，为了保证物料能沿着整个筒仓的卸料区域下落，采用了等 螺距螺杆进行卸料，使得卸料容量沿着楔形区域增大，从机械结构方面为设备精 度的提高提供了保证。 2 2 物料输送装置结构 生产中的粒料种类非常多，可按照粒度对其进行分类。例如白糖、大米、绿 豆、药丸、花生等等可称之为颗粒。颗粒料在物化特性上在某些方面与液体料相 似，例如有一定的流动性，但其流动性、流速主要取决于粒度、颗粒形状等；此 外，密度还是影响其定量准确度的关键。 目前在市场上适合于粉粒料的输送装置有很多种，但出于成本和体积上考 虑，常用的输送设备有带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机、振动输送机等。 ( 1 ) 带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。应用它可以 将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输 送流程。通用带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、改向、装 载、卸载、清扫等装置组成，其结构如图2 3 所示。 9 北京工业大学硕士学位论文 8 1 一张紧滚筒；2 一张紧装置；3 一装料漏斗；4 一改向滚筒： 5 一支承托辊；6 一卸载装置；8 一驱动滚筒；9 一驱动装置 图2 - 3 带式输送机 f i g 2 3b e l tc o n v e y o r 带式输送机因为它具有输送量大、结构简单、维修方便、成本低、通用性强 等优点，广泛地应用非常广泛。主要缺点：是输送轻质粉状物料时易飞扬，倾斜 角度不能太大。 ( 2 ) 斗式提升机用胶带或链条作牵引件，将一个个料斗固定在牵引件上， 牵引件有上下转动鼓轮张紧并带动运行，物料从提升机下部加入料斗内，提升至 顶部时，料斗绕过转轮，物料便从斗内卸出，从而达到将低处物料升至高处的目的， 其结构如图2 4 所示。这种机械的运行部件装在机壳内，在适当的位置装有观察 口。具有占地面积小，可把物料提升到较高的位置( 3 0 - - 一5 0 m ) ，生产率范围较 大( 3 - - 一1 6 0 m 3 h ) ，防止灰尘的优点。缺点：对过载敏感，必须连续均匀地供料。 1 、2 支架；3 一张紧装置；4 一驱动装置；5 一装料口 图2 4 斗式提升机 f i g 2 - 4b u c k e te l e v a t o r ( 3 )螺旋输送机是一种不带挠性牵引构件的连续输送机械。它工作时机 利用旋转的螺旋将被输送的物料在固定的机壳内推移而进行输送，物料由于重力 和对于槽壁的摩擦力作用，在运动中不随螺旋一起旋转，而是以滑动形式沿着物 1 0 第2 章自动称蕈封装设备总体设计 料槽移动。其结构如图2 - 5 所示。 螺旋输送机的特点：结构简单，横截面尺寸小，制造成本低，密封性能好， 便于在生产需要的位置进行中间装料和卸料，操作安全方便。缺点：运输过程中 ， 8 卜电动机；2 一传动装置；3 一轴承；4 一进料口 5 一输送螺旋6 一料槽；7 一出料口；8 一机架 图2 - 5 螺旋输送机 f i g 2 5s c r e wc o n v e y o r 物料易破碎，同时螺旋叶片及料槽磨损较大，在输送物料时物料与壳体及螺旋间 均有摩擦，因此单位动力消耗较大，过载能力较低。 ( 4 ) 振动输送机振动输送机是一种利用振动技术使输送机中的输送构件 达到接近共振或扩大共振状态，从而对松散态颗粒物料进行中、短距离输送的输 送机械。结构简单，制造方便，价格便宜，占地小，维护管理方便等特点。但输 送能力低，有振动产生的噪音，不宜用于潮湿、粘性大或粒度小的粉末物料的输 送。其结构如图2 - 6 所示n 3 。1 引。 1 一激振器；2 一隔振弹簧：3 一座体；4 一主振弹簧；5 一工作体 图2 - 6 振动输送机 f i 9 2 6v i b r a t i n gc o n v e y o r 为了系统运行稳定，提高生产产品的质量，改变原来人工输送物料的方式， 由于称重包装的物料是粉粒状，非易燃易爆，备料斗高度较小，故选用了运行平 稳，可以避免出现飞溅、撤落现象的槽型皮带机来输送成品料。输送形式为倾斜 输送，驱动的形式是电动滚筒驱动，皮带宽度为：8 0 0 m m 。输送速度采用变频 调速，一般为10 - - - 6 0 m m i n 。 北京工业大学硕士学位论文 2 3 自动称重装置 2 3 1 现行典型称重装置 随着科学技术的不断发展以及一些新技术的应用，人们为了解决因动态定量 称重而带来的精度问题相应的定量称重设备也在不断地研究改进中。目前市场上 典型的定量称重设备按工作原理分主要有电子皮带秤、失重秤、电脑组合秤、定 量自动秤，下面我们将对这四种类型作具体介绍： 电子皮带秤 电子皮带秤的大体结构如图2 - 7 所示，主要是由传送带、电辊筒、重力传感 器、料斗等设备组成。为了提高称重配料的精度，电子皮带秤一般采用全悬浮式 结构，以消除皮带张力变化的影响。作为动力的电辊筒采用变频调速，具有调速 平滑、体积小、重量轻、易调整易保养的特点。 抽 图2 7 电子皮带秤 f i g 2 7b e l ts c a l e s 电子皮带秤一般的控制原理：在皮带输送机自动输送散装物料的过程中，皮 带秤通过传感器将单位面积( 称重段) 上受到的负荷信号与变化速度( 皮带转速) 信号传送给控制器，控制器对其进行积分运算得出瞬时流量值，同时将瞬时流量 值以4 - - - 2 0 m h 模拟电流形式送往p i d 调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差 通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速，使之精确地以用户设定的给料流量给 料，从而达到定量给料的目的。 目前，电子皮带秤在欧洲是能够做到较高精度的，例如德国申克( s c h e n c k ) 的皮带配料秤，动态配料精度可达到2 。而我国由于受到机械制造及材料等基 础工业的制约，皮带秤计量精度一般只能达到5 左右，与容积计量相差无几， 1 2 第2 章自动称重封装设备总体设计 长期稳定性较差，特别是皮带秤上的皮带就很容易损坏，需要经常更换皮带，这 既增加了维护费用，也增加了工人的劳动强度，更主要的是影响了生产呦3 。 失重秤 失重秤( 英文l o s s i n w e i g h t ) 又名差分减料秤，是九十年代开始应用于工业 过程称重连续计量的。它的主要结构如图2 - 8 所示，秤体是基于斗式秤的结构， 能直接进行砝码标定，机械故障率低，维护也比皮带秤容易得多。 殿料仓 r 均匀 ， 计蜃：控制仪 图2 8 失重称的结构 f i g 2 8t h es t r u c t u r eo fl o s s - i n - w e i g h t 失重秤由料斗、喂料器( 单、双轴螺旋喂料器) 、称重系统和调节器组成， 在操作中，料斗、物料和喂料器共同连续地进行称重。随着物料送出后，测量真 实的失重速率，并将它与所需要的失重速率( 设定值) 加以比较。通过调解喂料 器速率来自动修正偏离设定点的偏值。从而可以均匀准确地连续喂送物料。 它的工作原理如下：开机后计量控制仪控制原料仓闸门打开，原料仓的物料 进入计量斗内，当计量斗物料到达一定重量后，即停止加料，此时计量控制仪精 确称量，并根据预置流量开启振动排料器或螺旋输送器排料。在物料的不断排出 的同时，计控制仪定时检测计量斗的重量物料，而投下的物料重量就是它和开始 时物料总量的差值。 由于失重秤不受物料冲击力、秤体皮重变化的影响，配料精度较高，尤其是 用于小流量物料时，容易获得较高的计量精度。近年来在工程塑料、化纤、光纤 等等众多行业已广泛普及。有些行业由于采用了连续失重计量，可以保证落料按 比例混合，而弱化搅拌需要，简化了工艺。国外发达国家这一产品已经非常成熟， 如德国申克公司，布达本拉( b r a b e n d e r ) ，瑞士开创( k t r o n ) 公司，技术处于国际最 北京工业大学硕士学位论文 领先地位。其中开创公司由于采取了数字传感器技术，动态精度可达0 2 5 ，以 工业过程称重而言，基本和静态秤的精度不相上下瞄。 电脑组合秤 电脑组合秤又称选择组合衡器，是衡器行业中新近发展起来的一种智能组合 型定量自动包装衡器。它是由多个具有独立的进料出料结构的称重单元组成，一 般电脑组合秤由8 3 2 个称重单元组成。电脑利用排列组合原理将各称重单元的 载荷量进行自动优选组合计算，得出最佳、最接近定量值的组合进行包装。 电脑组合称的结构如图2 - 9 所示，一开始物料通过提升式输送机或斗式升降 机送到暂存斗，当物料加到预先设置的水平位置时，置于暂存斗上方的水平光电 检测器通过检测发出信号，使提升输送机构停止进料。进入暂存斗的物料由线振 盘送到缓冲料斗，再由缓冲料斗送至称重料斗进行称量。这些称量斗称量之后把 各自的重量数据输入电脑，由电脑进行巡回检测组合，并根据这些组合电脑从中 选出最接近目标重量值的组合。选中组合的称重料斗内物料由控制机构打开，物 料卸下，并通过集合滑槽到达集料斗，再进入到下面的自动包装机中。这样上述 工作反复进行，从而达到高速、高准确度的定量称重。 。础兰= = = ：恐瀚。 l z 移霾 图2 - 9 电脑组合称的结构 f i g 2 9t h es t r u c t u r eo fc o m p u t e rc o m b i n a t i o ns a y 电脑组合秤完全不同于只有一个称重斗称重的传统式定量包装秤系统，机构 更为复杂，但它称重速度快、精度高，在欧美国家的市场占有率正在逐年上升。 目前我国