王書(shū)鶴，亓克貴，任思成

1  前言
飼料重量計量包裝是飼料工業(yè)的重要生產(chǎn)環(huán)節。飼料稱(chēng)量包裝的準確與否將直接影響到企業(yè)的信譽(yù)和經(jīng)濟效益。過(guò)去采用機械稱(chēng)量、人工裝袋，勞動(dòng)強度大、速度慢、精度低。近幾年，采用電子稱(chēng)量裝置雖然可使其靜態(tài)稱(chēng)量精度大大提高，但在飼料加工連續生產(chǎn)過(guò)程中，其動(dòng)態(tài)精度仍不能保證。因此，在快速自動(dòng)稱(chēng)量中如何提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)量精度，一直是飼料加工企業(yè)急需解決的難題。
本文是作者在研制飼料自動(dòng)化生產(chǎn)設備中，為了與配料過(guò)程相協(xié)調，實(shí)現飼料生產(chǎn)的全部自動(dòng)化，應用PLC作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)量包裝測控設備，在硬件和軟件設計中采用了一些措施和動(dòng)態(tài)控制方法，較好地解決了稱(chēng)量速度與精度的矛盾，提高了飼料連續生產(chǎn)中動(dòng)態(tài)稱(chēng)重計量的精度。
2  系統總體框圖及工作原理
用稱(chēng)重傳感器、放大器和PLC組成測控系統來(lái)完成飼料的稱(chēng)重、計量和包裝的生產(chǎn)工藝過(guò)程，如圖1所示。該系統以PLC為核心，配以稱(chēng)重傳感器、放大器、各種電動(dòng)執行器和機械裝置，實(shí)現飼料的動(dòng)態(tài)在線(xiàn)稱(chēng)重計量和包裝工作。 

圖1  稱(chēng)重包裝系統框圖

圖1中稱(chēng)斗的上方是成品倉，該倉中的原料來(lái)自飼料混合工序生產(chǎn)的飼料散狀成品料。成品倉下面是一臺電動(dòng)機驅動(dòng)的螺旋進(jìn)料裝置，啟動(dòng)電動(dòng)機，則該成品倉中的粉狀飼料就隨著(zhù)傳輸絞籠的旋轉而進(jìn)入稱(chēng)斗中稱(chēng)量。稱(chēng)斗上裝有三個(gè)S梁式應變式拉力傳感器，稱(chēng)斗的重量信號直接由該傳感器組轉換成與之對應的電壓信號，經(jīng)放大器把該電壓信號放大后送入PLC中進(jìn)行數據處理，當達到預定值時(shí)，PLC控制停止下料，然后PLC控制開(kāi)稱(chēng)斗門(mén)，并控制打包機自動(dòng)裝袋后由傳送帶送出。于是，就完成了飼料稱(chēng)量打包的自動(dòng)化過(guò)程。
3  提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)重精度的硬件措施
影響稱(chēng)重靜態(tài)精度來(lái)源于傳感器和放大器組成的硬件系統，如圖2所示。 

圖2  重量信號采集電路原理圖

該系統用三個(gè)拉力傳感器將飼料重量W變換為成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號Ux，并通過(guò)兩級放大器進(jìn)行放大。圖中Un表示等效到放大器輸入端的噪聲和干擾電壓，ΔUi表示等效到輸入端的漂移電壓。設兩級放大器的放大倍數為A，則
Uo=A(Ux+Un+ΔUi)=AUx+AUn+A.ΔUi
上式中的第2項主要影響靈敏度，第3項主要影響系統的精度。
(1)  影響傳感器的因素及解決辦法
傳感器輸出信號的穩定性除決定于傳感器本身的性能外，還與供電電源和傳感器的安裝有密切關(guān)系。本系統采用三只UH61-100u型稱(chēng)重傳感器，每只傳感器單獨供電，通過(guò)調節其橋路電壓使三只傳感器的輸出靈敏度K相同，三只傳感器串聯(lián)輸出的電壓為Ux=K(E1+E2+E3)。為了提高每個(gè)傳感器供電電源的穩定性采用二次穩壓，并對元器件進(jìn)行老化、測試后進(jìn)行選配，特別是對基準穩壓管2DW233的老化處理和時(shí)漂測試，選擇時(shí)漂小的通過(guò)調節其工作電流使其工作在接近零溫度系數（<2ppm/℃）下，使整個(gè)傳感器電源的溫度穩定性?xún)?yōu)于10ppm/℃。
三只拉力傳感器安裝在稱(chēng)斗和稱(chēng)架之間。如果傳感器承受的重量與傳感器軸線(xiàn)存有角，則將產(chǎn)生橫向分力而引入誤差ΔW=W-Wcos。例如每次稱(chēng)重25kg，在稱(chēng)斗皮重為100kg的情況下，即三只100kg的傳感器實(shí)際荷重為125kg。當=4°時(shí)，稱(chēng)重誤差就為0.43kg。因此，安裝傳感器時(shí)應盡量確保它們都能垂直受力。
(2)  影響系統靈敏度的因素及解決辦法
影響系統靈敏度的主要因素是檢測電路的內部噪聲和外部干擾電壓Un，它與放大器所工作的頻帶相關(guān)。在研制中，通過(guò)選擇低噪聲器件，在滿(mǎn)足采集速度所需足夠寬的頻帶的前提下，通過(guò)選配電阻來(lái)提高放大電路本身的共模抑制能力，整個(gè)檢測系統采用雙層屏蔽，采樣時(shí)間選為工頻周期整數倍等項措施，使整個(gè)系統獲得了能分辨5g重量的靈敏度。
(3)  影響精度的主要因素及解決辦法
影響精度的主要因素是整個(gè)檢測系統的非線(xiàn)性和ΔUi。其中系統的非線(xiàn)性，在選配元器件校正的基礎上，采用了軟件修正；而對于隨溫度和時(shí)間產(chǎn)生的ΔUi，主要采用元器件的老化、測試與分選工藝，篩選掉時(shí)漂大的，然后選配溫度系數進(jìn)行補償，使整個(gè)系統的靜態(tài)精度達到了0.07%，為實(shí)現動(dòng)態(tài)稱(chēng)量精度奠定了基礎。
4  提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)重精度的軟件措施
影響動(dòng)態(tài)稱(chēng)重精度的主要因素是被稱(chēng)物料的比重、流量和落差的大小，它是由成品料倉的壓力和PLC所控制的進(jìn)料驅動(dòng)裝置產(chǎn)生的。因此，改進(jìn)控制思路，借鑒靜態(tài)稱(chēng)量精度高的特點(diǎn)是提高動(dòng)態(tài)計量精度的關(guān)鍵。為此，可選用雙速變徑變距螺旋加料機，采用“先快后慢，最后點(diǎn)動(dòng)”的控制下料方式，如圖3所示。圖中：Wx0為稱(chēng)量前PLC所采集的稱(chēng)斗皮重；由此PLC按照每包計量?jì)糁亓康?0%、95%和100%算出快速下料的終了值Wx1、慢速下料終了值Wx2和稱(chēng)量終了值Wx。其控制過(guò)程可以這樣簡(jiǎn)單說(shuō)明：在下料開(kāi)始一段時(shí)間，PLC控制絞籠電動(dòng)機快速下料，當檢測達到快速下料的終了值Wx1時(shí)，PLC控制絞籠電動(dòng)機開(kāi)始慢速下料；當檢測達到慢速下料的終了值Wx2時(shí)，PLC關(guān)閉絞籠電動(dòng)機后采用“點(diǎn)動(dòng)”下料，當達到或接近期望值Wx時(shí)為止。 

圖3  放料控制方式示意圖

按照上述思路，為系統編寫(xiě)了全動(dòng)態(tài)控制的快、慢速加料和點(diǎn)動(dòng)加料的軟件模塊，為消除空中落料對稱(chēng)量精度的影響，編寫(xiě)了自動(dòng)尋找提前停機量的軟件模塊。該系統使用一年來(lái)，經(jīng)計量部門(mén)兩次測試，整個(gè)系統動(dòng)態(tài)計量準確度優(yōu)于0.2%。
5  結語(yǔ)
采用PLC控制進(jìn)行飼料稱(chēng)重包裝，具有結構簡(jiǎn)單、計量準確、工作可靠，較好的兼顧了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重計量的精度和速度，滿(mǎn)足了在線(xiàn)快速動(dòng)態(tài)重量計量的要求，對水泥、食鹽、面粉等物料的稱(chēng)重包裝有借鑒作用和推廣價(jià)值。

參考文獻：
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