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组合秤控制系统的研究 摘要 随着科学技术的进步和社会的发展，人们对产品包装的要求越来越高， 企业的经营活动越来越以客户需求为中心。在竞争日益激烈的当代，降低 成本是每个公司稳定生存的有效途径。在食品行业，对于不规则产品的包 装，越来越多的公司开始选择组合秤，因为组合秤不仅能降低大量的人工 成本，且能避免大量的食品浪费，因此组合秤在工业生产中的应用越来越 广泛。 但是在组合秤的研制和应用中，往往没有考虑到不同的组合方式、不 同的组合模型的差异，在一定程度上造成了组合秤称重单元配置的浪费， 提高了组合秤的制造成本，使得组合秤的价格昂贵，妨碍了组合秤的进一 步应用和推广。 本论文从组合秤的原理出发，对组合数学问题进行概率统计分析，对 不同组合方式的组合性能进行对比，从理论上分析了影响组合秤合格组合 概率的因素。 利用l a b v i e w 开发组合仿真及分析软件，对组合秤组合性能进行仿真 分析，可以得出在不同的组合原理、不同的组合方式、不同的组合模式下 组合秤的合格率。仿真系统的界面设定了不同的选择方式，可以任意选择 不同的项目进行仿真。在此软件中，各个称重斗中物料的质量可以直观的 展示，目标重量、料斗中物料的标准差、误差类型、组合秤的精度、运行 次数均可以设定。运行结束，组合秤的合格率就可以显示出来，另外用图 片展示了组合以后质量和分布的概率密度函数等一些反映组合秤合格率的 曲线。在此软件中，还设定了时间，可以显示组合秤运行的时间，可以反 应组合速度的快慢。 通过对组合秤的组合性能理论分析和仿真研究，得出影响组合秤合格 率的因素。组合秤与传统电子秤相比，称量准确且称量速度快。对于组合 秤来说，料斗中加料性能影响组合秤的合格率。针对不同物料的加料性能， 可以找到最佳组合配置和组合计算模型，从而在满足组合准确度和速度的 要求下，降低组合秤的配置成本，对生产企业和用户具有一定的经济效益， 有利于组合秤的应用和推广。 根据仿真系统结果，选择总秤数为1 2 头，选择秤数为4 头的组合秤， 做出其控制系统。组合秤控制系统的设计，主要包括组合秤硬件和软件的 设计。 在硬件设计中，包括了计算机、数据采集卡、i 0 卡、电荷放大器、电 磁振动给料器、步进电机等硬件的选择，针对组合秤特性以及各个部件的 性能，选择不同型号的硬件。 在软件设计中，用l a b v i e w 软件做出了数据采集系统，电磁振动给料 器的控制系统和步进电机的控制系统，并给出了组合秤控制程序的流程图。 依托l a b v i e w 强大的前面板功能，组合秤的控制系统具有非常人性化的界 面，便于工人的操作。 关键词：组合秤，仿真系统，控制系统，数据采集，电磁振动给料器，步 进电机 t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mo f c o m b i n e db a l a n c e a b s t r a c t w t ht h ep r o g r e s so ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to f t h e s o c i e t y , p e o p l eh a v eh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n to nt h ep r o d u c t p a c k a g i n g ，a n dt h eb u s i n e s sa c t i v i t i e sp u tc u s t o m e rd e m a n da st h ec e n t e r i nt h e i n c r e a s i n g l yc o m p e t i t i v ew o r l d ，i ti sa l le f f e c t i v ew a yf o rt h es t a b l es u r v i v a lo f e v e r yc o m p a n yt or e d u c ec o s t s i n t h ef o o di n d u s t r i e s ，m o r ea n dm o r e c o m p a n i e sc h o o s ec o m b i n e db a l a n c ef o r t h ep a c k a g i n go f t h ei r r e g u l a rp r o d u c t s ， b e c a u s et h ec o m b i n e db a l a n c ec a nn o t o n l y1 0 w e rt h el a b o rc o s t sb u ta l s oa v o i d a m o u n to ff o o dw a s t e ，t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n e db a l a n c ei su s e dm o r ea n dm o r e w i d e l yi nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o na r e a i nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ec o m b i n e db a l a n c e ，i td i dn o tc o n s i d e r t h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o n s ，w h i c hc a u s e dt h ew a s t ei nt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e w e i g h i n gu n i to fc o m b i n e db a l a n c et oc e r t a i ne x t e n t ，a n di n c r e a s e dt h ec o s t sa n d p r i c eo ft h ec o m b i n e db a l a n c e ，a n do b s t r u c t e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o ft h ec o m b i n e db a l a n c e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ft h ec o m b i n e db a l a n c e 。a n dd i ds o m e a n a l y s i s o fp r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c sf o rt h em a t h e m a t i c a l p r o b l e mo f c o m b i n a t i o n ，a n dc o n t r a s t e dt h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n s 。a n d a n a l y z e dt h ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h ep a s sr a t eo fc o m b i n e db a l a n c ei nt h e o r y t h ec o m b i n e ds i m u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mi sm a d eb yt h es o f t w a r eo f l a b v i e w , a n dt h es y s t e mc a nd os i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h ec o m b i n a t i o n p e r f o r m a n c eo fc o m b i n e db a l a n c e t h ep a s sr a t eo fc o m b i n e db a l a n c ec a nb e d r a w ni nd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n s d i f f e r e n tc o m b i n a t i o nm o d e s t h ei n t e r f a c eo f s i m u l a t i o ns y s t e ms e t sd i f f e r e n to p t i o n s ，a n dw ec a nc h o o s ed i f f e r e n ti t e m st o s i m u l a t et h ec o m b i n e db a l a n c e i nt h i ss o f t w a r e t h eq u a l i t yo ft h em a t e r i a li n t h ew e i g h i n gh o p p e rc a nb e d i s p l a y e dd i r e c t l y , a n dt h et a r g e tw e i g h t ，t h e s t a n d a r dd e v i a t i o no ft h em a t e r i a li nt h eh o p p e r ，e r r o rt y p e ，t h ep r e c i s i o no ft h e c o m b i n e db a l a n c ea n dr u n n i n gt i m e sc a nb es e t t h ep a s sr a t eo ft h ec o m b i n e d i i l b a l a n c ec a nb ed i s p l a y e dw h e nt h ec o m b i n e db a l a n c ef i n i s hr u n n i n g i na d d i t i o n ， t h e r ea r es o m ec u r v es c a l e st h a tr e f l e c tt h ep a s sr a t eo ft h ec o m b i n e db a l a n c e i n t h i ss o f t w a r e ，t h e r ei sat i m ec o n t r o l ，w h i c hc a nd i s p l a yt h er u n n i n gt i m e ，a n d c a nr e f l e c tt h es p e e do ft h ec o m b i n e db a l a n t e t h ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h ep a s sr a t eo fc o m b i n e db a l a n c ea r ed e r i v e d t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho fc o m b i n a t i o n p e r f o in l a n c eo fc o m b i n e db a l a n c e c o m p a r i n gt h ec o m b i n e db a l a n c ew i t ht h e c o n v e n t i o n a le l e c t r o n i cs c a l e t h ec o m b i n e db a l a n c ew e i g h sm o r ea c c u r a t e l y a n df a s t f o rt h ec o m b i n e db a l a n c e ，t h ef e e d i n gp e r f o r m a n c eo ft h em a t e d a li n t h eh o p p e ra f f e c t st h ep a s sr a t eo ft h ec o m b i n e db a l a n c e a c c o r d i n gt ot h e f e e d i n gp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，w ec a nf m dt h eb e s tc o m b i n e d c o n f i g u r a t i o na n dt h eb e s tc o m b i n e dc a l c u l a t i o nm o d e l ，a n dt h e nw ec a nr e d u c e t h ec o s t so ft h ec o n f i g u r a t i o no fc o m b i n e db a l a n c ei nt h ec a s et om e e ta c c u r a c y a n ds p e e do fc o m b i n a t i o n i tb r i n g ss o m ee c o n o m i cb e n e f i t st oe n t e r p r i s e sa n d u s e r s a n di ti sc o n d u c i v et ot h ea p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o no fc o m b i n e db a l a n c e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns y s t e m ，is e l e c t e dac o m b i n e d b a l a n c ea n dm a d ei t sc o n t r o ls y s t e m t h ec o m b i n e db a l a n c ec o n t a i n e d12u n i t s t h ec o n t r 0 1s y s t e mo ft h ec o m b i n e db a l a n c ei n c l u d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ec o m b i n e db a l a n c e i nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e ，ic h o s et h ec o m p u t e r , d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ， i oc a r d s ，c h a r g ea m p l i f i e r , e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nf e e d e r , s t e p p i n gm o t o r a n do t h e rh a r d w a r e s ic h o s ed i f f e r e n tt y p e so fh a r d w a r ea c c o r d i n gt ot h e f e a t u r eo ft h ec o m b i n e db a l a n c ea n dt h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u sp a r t s i nt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，im a d et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h e c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nf e e d e ra n ds t e p p e rm o t o rb yu s i n g t h es o f t w a r el a b v i e w ：a n did r e wt h ef l o wc h a r to fc o n t r 0 1p r o g r a i i lo f c o m b i n e db a l a n c e b e c a u s et h es o f t w a r el a b v i e wh a st h ef r o n tp a n e l ，s ot h e c o n t r o ls y s t e mo fc o m b i n e db a l a n c eh a sav e r yu s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ea n di ti s e a s yf o rt h ew o r k e r st oo p e r a t e k e yw o r d s ：c o m b i n e db a l a n c e ，s i m u l a t i o ns y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m ，d a t a a c q u i s i t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nf e e d e r , s t e p p e rm o t o r 组合秤控制系统的研究 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 目前根据商品的运输，储存，销售及使用的需要，几乎所有的商品在工厂里都要进 行包装，包装具有便于运输，帮助储存，促进销售，方便使用等优点。 随着现代化工业的迅猛发展，社会经济的日益繁荣，全国各地的商品零售超市如雨 后春笋般的涌现【1 1 ，市场上出现了越来越多的定量包装商品，我国小称量定量包装技术有 了长足的进步【舶，为了使产品达到定量，各种零售商品的制造商，尤其是食品生产行业， 纷纷配置了包装计量检测设备与食品计量仪器。对于散体物品，一般的定量秤在准确度 和速度上都能达到满意的效果，而对于一些形状不规则、质量不均匀的块粒状物料或个 体，如高级糖果、脱水蔬菜、膨化食品，定量秤却不能达到满意的效果，目前工厂普遍 选用组合秤来对此类产品进行包装。 以前的各种称重设备，存在着许多的问题，如准确性不高，设备陈旧，技术落后， 测量重复性差等。企业需要对商品进行定量包装，在准确度、速度方面也有要求，组合 秤就是在此背景下发展起来的。一般的定量秤，在称量精度较高的时候，称量速度就比 较慢，而组合秤称重精度较高且速度很快，对于单重物料和不规则形状物料，它更具有 优势。因此，在称重领域，组合秤是高技术的象征，它的高精度、高速度代表了目前称 重技术的最高水平及发展方向【，】。 在我国，组合秤的发展速度较慢，许多中小食品企业没有经济能力购买高价位的组 合秤，它们希望能购买价位较低的组合秤来进行产品的称量。 目前，如何提高组合秤的称量精度和速度越来越多的依赖于专用测量硬件的开发， 依赖控制方式的提高，但这些都是要建立在对组合计算的透彻研究之上的，只有对各种 组合计算模式完全了解，才能更好的研发新的硬件和控制方式来提高组合秤的性能。仿 真程序的设计和对组合秤组合计算原理的分析，能给组合秤的研究者提供很好的参考价 值。 在本课题中进行了组合秤组合原理的分析，从理论上说明了组合秤准确度高，精确 度高的原因。完成了组合秤的仿真系统，并对仿真结果进行分析。在仿真系统中，可以 设定不同的组合方式，不同的组合原理等，通过比较合格率的高低，可以看出影响组合 秤合格率的因素以及判定那种组合，那种原理是比较优秀的，从而为设计组合秤的控制 系统提供依据。最后设计了组合秤的控制系统，此控制系统是由硬件和软件组成的，能 够自动控制组合秤的运行，且控制界面友好，在界面上可设置各种参数，查看过程数据， 方便工人操作。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究现状 目前国内的组合称重技术的发展较慢，组合秤的制造技术比不上国外【4 】，主要是由 于我国经济不发达，产品制造能力低，且组合模型没有研究透彻。目前已经出现专门生 产组合秤的公司，如广东海川智能机器有限公司，此公司可生产1 6 头、1 8 头、2 0 头、 2 4 头和3 层记忆斗组合秤，最高称量速度可达15 0 次分，定量准确度、速度都没有达 到应有的水平，与国际先进技术还存在一定的差距。上海大和衡器有限公司生产的型号 为s i g m a f l f r o n t i e r 的组合秤，最快速度可达2 4 0 次分，最小分度值为o 1 9 。这虽然是 建在中国的公司，但主要是日本大和控股，运用的依然是日本的技术。 广东工业大学唐志祥在1 9 9 4 年对包装计量组合秤工作原理进行了初步研究。他提 出每次采用固定数目的单元来组合，从而减少组合运算的计算量，提高组合秤工作速度。 但是他没有考虑到在向称重斗加料时，各单元物料的质量分布情况，导致每次获得的有 合格组合的概率非常的低。陈羽锋等人在组合秤的工作原理上，针对总称量头数的不同， 提出了组合秤的两种工作原理。 随着经济的发展，国内的食品厂开始慢慢的了解组合秤，使用组合秤进行定量称重。 但是，由于组合秤价位较高，只有一些大型的食品厂才有能力购买。特别是对于进口组 合秤，一般的企业都不愿意投入大量的资金去购买，所以无法体验到世界最先进称重设 备所带来的高效率。目前，国内制造组合秤的企业的出现，使更多的发展型企业有机会 购买组合秤来提高他们的工作效率，组合秤不再被视为“贵族产品”。越来越多的公司 用速度更快、自动化程度更高、蕴含高科技的组合秤来作为自己的定量称重包装系统， 它们纷纷淘汰以往用容杯，甚至全人工定量称重包装这些落后的包装方式，从而掀起一 场提高生产效率、改善生产环境、文明生产、降低成本、管理自动化的新革命。 国外，目前最先进的智能组合秤，在包装油炸土豆片时，最快速度已可以达到1 4 0 包分，对于一般颗粒状产品的物料，总计包装速度可高达2 4 0 包分，并且有向更高方 向发展的趋势。近几年，最新型的智能组合秤是以一种最新理念设计而成的，它的最高 速度已超过了4 0 0 包分，还有一种智能组合秤，是超小称量的，分度值可达o o l g ，精 确度非常的高。 在一些技术发达的国家，大量的食品公司在对产品定量包装的时候都是采用组合 秤，它们运用微机控制、智能控制等新技术、新理论来提高定量的速度和准确度。只有 德国、日本、法国、美国等几个少数发达国家掌握着组合秤的控制技术，但是由于称重 单元数目多、机构复杂、技术先进，所以价格昂贵。 关于组合秤在国外普遍应用的原因，除了国外经济发达，具有先进的技术外，众所 周知，国外食品厂的综合运营成本非常高，他们工人的工资大约是国内工人的3 0 倍， 人工成本高促使外国企业纷纷使用组合秤。大量工作人员的减少，使得公司的劳动管理、 2 组合秤控制系统的研究 卫生管理、生活安排和质量稳定性等都能得到保证。因此，大型的名牌企业都是采用高 效自动化的组合秤。一家年产1 7 0 0 吨的颗粒状食品厂家，产品包装规格为2 0 0 克每袋， 按每天工作8 小时、全年工作3 0 0 天计算，采用1 0 头电脑组合秤进行定量称重与采用 容杯计量方式相比，组合秤每年不仅可为厂家节省6 1 0 名操作工人的人工费用，更由 于组合秤的高精度( 单袋误差士0 3 1 0 9 ) ，相对一般称量机的单袋误差士5 9 ，一年下来可 以为厂家节省原料3 4 6 3 吨之多，这无形中就为公司带来了利益。而对于一些形状不规 则的产品，采用容杯式或一般电子秤完成精确定量是难以做到的，这种情况下使用组合 秤，不但能提高工作效率，还能大幅度提高包装精度。随着企业规模的扩大，组合秤所 彰显的优点更加的突出。组合秤的使用除给企业带来可计算的直接效益外，还有设备维 护、卫生管理、操作方便、工作效率高等方面潜在的间接利益。国外将组合秤尊称为“定 量称重领域的王者 ，他们是如此的重视采用组合秤，可见组合秤的优点非常多。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的内容主要有三个方面： ( 1 ) 组合秤组合性能理论分析 首先讲述了组合秤的结构，来源、工作原理及特点，接着介绍组合秤与普通定量秤 的区别，然后阐述块粒状物料计量的特点，根据加料质量的分布，运用统计的方法从理 论上分析在各种组合计算模型，总秤数和物料质量分布下有合格组合的概率，得出合格 组合概率与加料质量分布、总秤数、组合计算模型的关系。最后分析影响组合秤的称量 误差和速度的因素。 ( 2 ) 组合秤仿真系统的设计及仿真结果分析 通过计算机使用l a b v i e w 语言编写程序，对整个组合秤的工作过程进行仿真，并 对仿真结果进行分析，找到影响组合秤合格率的因素，得出那种组合的合格率较高，并 对组合秤进行优化，以提高组合秤的合格率。 ( 3 ) 组合秤的控制系统的设计 根据组合秤仿真系统的仿真结果分析，选用一种组合方式，设计了组合秤的控制程 序。此组合秤的控制系统，主要包括硬件的选用和软件的设计，本文详细介绍了组合秤 控制系统所需要的硬件并运用l a b v i e w 软件编写了组合秤的控制程序，主要是对步进 电机 5 】和电磁振动给料器的控制，此程序界面友好，便于工人的操作。 组合秤控制系统的研究 2 组合秤组合模型的研究 2 1 组合秤工作原理 2 1 1 组合秤的结构 组合秤是一种智能组合衡器，它由多个独立的进料出料结构的称重单元组成，称重 传感器在得到称量斗中物料的质量信号后传入计算机，计算机进行组合计算，然后将最 优组合的物料排出进行包装。如图2 1 所示，组合秤由加料设备、上进料盘、主振盘、 线振机、进料斗、称重斗和卸料斗组成。采用电磁振动给料器对组合秤进行加料【6 1 ，物 料先被送入上进料盘，然后主振盘、线振机将物料从上进料盘送入进料斗，最后进入称 重斗，这一系列动作都是由组合秤自动控制的。组合秤的称重斗一般在8 个以上，电阻 应变式称重传感器作为称重传力部件实现对各称重斗中物料的称量。卸料斗在称重单元 下方，卸料斗较大，各个称重斗中的物料都可以依靠重力排进卸料斗。各个称重传感器 的输出信号被送入主控计算机忉，主控计算机经过组合，计算，得到最接近目标质量的 组合作为最佳组合。此最佳组合如果在设定的目标误差范围之内，则此次组合作为合格 组合被排入到相应的包装中，否则此次组合不合格，当成废料排出。 封料斗 图2 - 1 组合秤工作示意图 f i g 2 - 1t h ew o r k i n gd i a g r a m o fc o m b i n e db a l a n c e 2 1 2 组合秤的来源 组合秤的发明主要是为了解决称量青椒的问题。在上世纪7 0 年代的日本，在青椒 定量包装的过程中，企业发现，对这类单重不相同的产品进行定量包装的时候，要达到 陕西科技大学硕士学位论文 定量比较困难，在超过目标值的情况下，若拿掉一个，就会比目标值低，会引起消费者 的不满，在接近目标值的情况下，若添加一个，就超过了目标值，引起成本的增加，要 想达到一定的精度，需要工人反复的挑选，工人的工作效率就变的很低。鉴于消费者的 需求和企业成本的考虑，企业就希望能快速解决这种问题，技术人员进行大量的调查研 究后，利用组合称量原理解决了上述青椒称量问题，发明了组合秤。组合秤的问世，成 功的解决了形状不规则和单重不相同产品的定量包装。 2 1 3 组合秤的原理 目前组合秤的组合原理主要有两种，原理1 是唐志祥提出的。在总秤数为n 的情况 下，每次选择m 个秤料斗中物料的质量进行组合，则有c ? 种组合。经过组合计算，得 出合格的组合，则具有合格组合的称重斗的料门打开，进行卸料，然后备料斗给卸空物 料的称重斗加料，称量后，计算机开始下一轮计算。同时电磁振动给料器开始振动，给 卸空的备料斗加料。因此，每次所有料斗都参与组合计算。 原理2 是目前实际运用的组合秤的组合计算原理嘲，在组合秤的总秤数小于1 2 时， 采用原理1 进行组合计算，在组合秤的总秤数大于等于1 2 的情况下，第一次组合时， 从m 个秤中选出1 1 个秤进行组合，当这n 个秤中的物料排空以后，第二次组合就从余 下的m n 个秤中选择n 个秤进行组合，以后均按照这种方式进行组合计算。则第一次组 合的时候，有c ：种组合，接下来组合时都是有c ：一。种组合。运用原理2 ，称重斗减少了 一次给料和一次称量过程，且计算量也有所减少，所以能够提高组合秤的工作速度。 2 i 4 组合秤的特点 组合秤的精度高，主要是因为组合秤在组合计算以后，选择的是与目标值最接近的 一组数据，所以能够达到较高的精度；另外，组合秤在运行的过程中具有自动置零的功 能【9 】，以防止料斗中的物料粘在称量斗壁上不掉下来影响下一次称量的准确度1 ，0 3 ；最后， 组合秤能够防地面的振动，一般在组合秤工作的时候，地面上也会有振动，这种振动对 称重数据是有影响的，组合秤上都有感应振动传感器，把感应到的振动成分从振动传感 器感应的数据中去除，就能够取得准确度较高的数据。 组合秤的称量速度快，主要是因为组合秤都是采用数字信号处理技术，运行较快； 另外电磁振动给料器给料的速度也是可调的，若在保证准确度的前提下，把电磁振动给 料器给料的速度调到最大，也能加快组合秤的称量速度。 2 2 组合秤与普通定量秤的区别 2 2 1 秤量准确度的区别 a 称量的原理不同 普通的定量自动包装秤是在电磁振动给料器给称重斗加料的同时对称重斗进行称 量。给料装置分为快慢两级给料方式，在到达目标重量数据之前持续供料，当物料重量 6 组合秤控制系统的研究 达到快给料设定值时，停止快给料，保持慢给料，即粗计量之后再进行精计量，当物料 重量达到最终设定值时，关闭给料门，完成动态称量过程。在称量重量不同、形状不一 致的物料时，引起的误差较大。组合秤有不同的称重单元，运用组合原理，可以选出最 接近目标值的组合进行包装。 b 称重斗中质量数据检测的可靠性不同 普通定量自动包装秤上的称重传感器对物料进行称量的的时候是处于不稳定状态 的，它是在物料被加入称重斗时进行称量的。称重传感器是一种非常敏感的电子器件， 被称物受到冲击或上下跳动的情况下，都会使传感器感应到不稳定的重量数据，如果冲 击过大，则造成的误差较大。组合秤经电磁振动给料器振动以后，将物料送迸了上进料 盘，称重料斗的称量是在安定的情况下进行的，这样称重传感器感应到的就是稳定的重 量数据，因此取得的重量数据准确度较高。 c 落差误差的不同 定量自动包装秤的称重斗中的重量值达到设定值时，电磁振动给料器就会停止，但 在那一刹那，一部分物料已经脱离了电磁振动给料器，这部分物料接着就会进入称重斗， 进而产生了落差误差。尽管有些定量自动包装秤通过一些方法减小落差误差，例如利用 缩短给料时间。但由于受一些系统不确定因素如流速、给料均匀度等的影响，误差依然 存在。对于定量自动包装秤来说，落差误差是不可以避免的，只能减少。组合秤是物料 先进入备料斗，然后备料斗向称重斗供料，在称重斗稳定以后，称重传感器再对称重斗 进行称重，所以没有落差误差。 2 2 2 称量速度的区别 普通定量自动包装秤有快给料和慢给料这两个称量过程，在慢给料的过程需要慢慢 的加料，比较费时，极大的影响了称量速度。例如1 公斤以下的定量自动包装秤大约能 称量2 5 3 5 包分钟。而组合秤利用计算机进行组合运算，速度非常的快，普通的组合 秤称量速度都能达到1 0 0 1 2 0 包分钟，是定量自动包装秤的4 6 倍。目前由于各种包装 机的速度非常的快，对秤的速度要求也越来越高，所以组合秤能够适应这一要求。 2 2 3 称量范围的区别 大量的试验结果表明，在称量范围上，组合秤和普通定量自动包装秤是不同的。若 准确度一致，组合秤的秤量范围更大，定量自动包装秤能控制在4 倍以下。而在小称量 段，组合秤的的秤量范围就能达到十几倍。对于定量自动包装秤来说，对称量范围缩小， 进行多段称量，才能维持准确度等级，这就要生产一系列产品。大部分的生产厂家在考 虑经济性、使用方便性等方面以后，都不会接受这种现象，这就为其实际应用带来了一 定的局限性。产品在不同包装规格时精度要求差不多，这一使用要求定量自动包装秤是 达不到的。 陕西科技大学硕士学位论文 2 3 块粒状物料计量的特点 块粒状物料指的是呈颗粒状的散装物料。块粒状物品的重量一般变化很大，呈正态 分布，形状不规则，总是使包装定量严重超差。 设物料的标准差为0 1 ，物料的块重平均为a ，包装时，目标质量为a ，则每包所含 物料的数量为： ：一an ( 2 1 ) = 一 k z - l ， 口 由于各块物料的质量是不相关的【1 1 】，所以，若某包装中含n 块物料，则其标准质量 偏差o n 为： 盯。= 厩 ( 2 2 ) 由于不规则形状的物料差异很大，传统定量包装秤的电磁振动给料器在接到“停止 加料”信号停止振动后，在电磁振动给料器和称量斗中间仍然有部分物料存在，而这部 分物料是无法准确控制的，这就加大了定量误差。 另一种称量方法就是运用组合计算的方法。在称量不规则形状的物料时，选用i 把 秤同时对物料进行称量，每把秤秤出包装目标量的1 f ，然后f 份质量加到一起，得到包装 目标量，完成一次包装定量。 假设各把秤都是一样的，具有相同的性能。包装的目标质量为a ，每包应该包装物 品的块数为n ，o l 为物料标准差，每份平均质量a i 和平均块数d - i 分别为： n f = n i ( 2 3 ) a i = a i ( 2 4 ) 每份的标准差： 仃：f 兰田 ( 2 5 ) q 2 、了q “。 将每份加起来后的标准差： 仃= 知t = 圻。弘2 厩( 2 - 6 ) 结果和用一把秤的定量结果一样。 从前面的介绍中，似乎定量自动包装秤和组合秤所称量的结果是一样的。但是，对 于1 i 这一质量，如果选用性能相同的比i 更多的秤来称量，然后从这些秤中选择i 份组 合相加，就能减小这个包装的偏差o ，比如，设i = 4 ，则一份物料的标准差为a 4 。我们 用1 2 把相同性能的秤来对这些物料进行称量，从中选择偏差在0 4 - - - 0 和o + 国之间的物 料各两份，然后将这四份物料相加，则最后总物料的偏差一定在2 a 4 , - , + 2 t ，4 之间，用这 组合秤控制系统的研究 种方法就可以控制偏差。 如果要求质量都必须足够，那么在偏差绝对值的控制上，含正偏差的份数大于含负 偏差的份数，就能满足这个要求。 在物料进入组合秤的称量斗时，其误差有两种分布方式，一种是正态分布，另一种 是呈随机数分布。在物料分布呈正态分布时，由于我们是选择c 的秤做选择，假设目 标质量为m ，选择的秤数为1 1 ，根据我们的编程原理： ：一mt ( 2 7 ) = 一 l 2 - ，j m ) = 而1 p ( 铷 协8 ， m 一1 篇 江9 ， 他一1 r 料 江 m ，去m 期 协 9 陕西科技大学硕士学位论文 _ - - _ _ - _ - - - _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - i - - _ _ - _ _ - - _ - _ _ - _ 一 = “等m 等) 硝一“斋 叫。b 一 这是不考虑总的秤数时的概率，如果我们假设总秤数为m ，则只要c 】：中有一次合 格，则该次试验合格，因此我们考虑从反方向，只有当所有的c ：次组合都不合格，该 次试验才是不合格试验：因此考虑贝努里试验：即当合格的组合发生0 次： 足j ：( 尼) = c 耋三p 七0 一p ) ( c h ) ( 2 1 3 ) 一丸( 砉) 一 协 乇( o ) = 咚p 。( 1 一p ) 慨_ o ) ( 2 - 1 5 ) = ( 1 一p ) 岛 珞格= 1 一( 1 一p ) c 三 ( 2 1 6 ) 小 1 _ ( 2 丸一矿 1 0 组合秤控制系统的研究 在物料呈随机数均匀分布时，随机变量x 的一切可能值充满某一个有限区间r b 】， 并且在任意一点具有相同的概率密度。 陕西科技大学硕士学位论文 有均匀分布的方差： 掣) = 譬 ( 2 - 1 7 ) 标准差为o ，则： 盯：生! r - -( 2 1 8 )盯= 士l z - 1 6 ， 2 4 3 我们假设a = 0 ，采用l a b v i e w 编程，即根据标准差产生随机变量，则随机变量b 的范围是： b = 2 3 仃 ( 2 1 9 ) 2 4 影响组合秤的称量误差和速度因素分析 2 4 1 影响组合秤定量误差因素分析 a 物料组合产生的误差 由于不同的组合秤每次参与组合的单元数是不同的，且组合秤每次所称量的物料也 是不一样的，这两者都是影响组合秤定量误差的因素。物料组合产生的误差一般都控制 在定量允许误差的二分之一以下【1 2 】，是由操作者在称重前就设定好的。根据不同物料的 机械特性和物理化学特性的不同，在组合秤中运用具有不同机械特性的加料装置。因为 加料器的加料性能不同，所以对组合定量误差产生了不同的影响。 b 总称量误差 参与组合的各单元称量误差累加组成了总称量误差【”】，因此总称量误差与各单元称 量误差有关。有效的控制各单元称量误差就能有效的控制总称量误差。 各个单元称量误差与很多因素有关。这些误差主要可以分为三类：电子称重造成的 误差，包括称重仪表显示的误差，称重传感器的误差和秤体重量传递过程中的误差；控 制系统误差，包括控制元件响应的延时性、重复性，执行机构动作的重复性以及到位的 精确度；外加各项干扰误差，包括物料种类的变化，加料时物料对称重料斗的冲击，秤 体振动引起的变化等。 对组合秤的结构进行优化，采取一些隔振措施都能够减少总称量误差。例如加阻尼 器，使用性能好的称重传感器等。 c 其他随机干扰误差等 2 4 2 影响组合秤定量速度因素分析 组合秤的速度是评价组合秤性能的一个非常重要的指标。速度越高，说明性能越 好。针对不同的产品，同一个组合秤的速度可能是不相同的。组合秤工作时包括不同的 过程，每个过程所占用的时间是不同的。根据组合秤的工作原理，我们将组合秤定量组 1 2 组合秤控制系统的研究 合过程分为五个步骤，每个步骤都有各自影响速度的因素。 每个工作循环加料所用的时间，主要是由物料的稳定性，加料的质量，电磁振动 给料器的性能决定的。 每个工作循环稳定所用的时间，主要是由加料时物料对称重斗的冲击大小，称重 料斗的抗振性能决定的。 每个工作循环静态称重所用的时间，是由采样频率、采样点数、数据滤波方式、 a d 转换时间、称重的准确度、芯片处理速度等决定的。 组合计算所用的时间，由计算机c p u 的处理速度，称重单元总数，每次组合的单 元数以及组合计算的算法决定的。 卸料所用时间，由卸料执行机构的机械性能以及物料的特性决定的。 以上5 个步骤合计所用时间，就是组合秤进行一个工作循环所用的时间。 在组合秤的设计中，为了提高组合秤的工作速度，一方面提高上述各因素的性能， 另一方面在组合秤的工作原理上进行调整，比如在一次组合后卸料的同时，下次加料也 同时进行。 2 5 本章小结 本章研究了组合秤的组合模型，首先讲述了组合秤的结构、来源、工作原理及特点， 然后描述了组合秤和普通定量称的区别，介绍了块粒状物料称量的特点，最后对影响组 合秤的称量误差和速度因素进行分析。 组合秤控制系统的研究 3 组合秤仿真系统设计 3 1l a b e w 的介绍、 l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的缩写，它是一 个使用图形符号来编写程序的编程环境，是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形 化编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受f 1 4 】。它拥有所有通用编程 软件的标准功能，如数据结构、循环结构和事件处理以及内置编译器。l a b v i e w 主要 有前面板和后面板，前面板提供了很多外观与传统仪器类似的控件，可以用来方便地创 建用户界面，后面板上有很多函数，可以用来创建程序。 l a b v i e w 是专门为测量、数据分析并提交结果而设计的，且l a b v i e w 拥有如此功 能众多的图形用户界面又易于编程，使得它对于仿真、结果显示、通用编程等都是一种 很理想的语言【1 5 】。l a b v l e w 有一个可以完成编程任务的庞大函数库和子程序库，这些 库可以使我们免于被传统编程语言中指针、内存分配等问题所困扰，使用起来非常方便。 l a b v i e w 有传统的程序调试工具，如设置断点、单步执行等，便于程序的调试，任何 一个程序都不可能是一步就完成的，必定是在反复的改动中完成的，所以对于程序的调 试是非常必要的。 l a b v l e w 图形化的本质使得它理所当然的可以作为一个数据显示软件包，可以任 何我们想要的方式输出结果，比如图表，图形以及用户自定义图形等。在仿真程序的设 计中，我们显示了组合秤中质量和分布的概率密度函数，质量和直方图，质量和与目标 值误差统计规律及质量和与目标值误差直方图，可以很直观的显示仿真结果，并以此为 据，可以进行优化研究。通过组合秤的仿真能更直观地展示组合计算的过程和结果，并 能对不同工作原理，高速度、高准确度的不同组合方式，不同物料标准差等影响组合计 算精度和速度的因素进行分析研究。 l a b v i e w 所包含的各种特性使其成为开发测试、测量、自动化及控