香烟检重剔除装置的设计与试验

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(1.昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2.云南昆船电子设备有限公司，云南 昆明 650217)

香烟检重剔除装置的设计与试验

尤志斌1，杨薇1，李亚林2，白炜2

(1.昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2.云南昆船电子设备有限公司，云南 昆明 650217)

针对现有检重剔除装置效率低、漏检率高等问题，设计了一种用于香烟动态检测的检重剔除装置，提出利用高精度电磁力平衡传感器进行重量信号采集，并讨论了其工作原理以及性能影响因素，介绍了系统的控制流程、剔除装置工作原理，同时利用PLC进行自动化程序设计。

香烟；检重；剔除；电磁力平衡传感器

0 引言

改革开放以来，我国烟草行业有了长足发展，并成为国民经济中一个重要支柱产业。目前，中国烟草市场巨大，已经发展成为政府税收的主要来源之一，同时也成为解决农村人口就业、农民增收的重要途径[1]。但是目前的香烟检重装置多采取抽样检测方式，检测效率不高，并且检测精度低、误差大，多容易出现漏检，为此，开发一种香烟检重剔除装置，从而实现包装产品100% 物流检测，将重量不合格的产品从生产线中剔除。有助于提高产业生产效率、提升香烟品质、树立企业形象。

1 系统的设计原理

高速动态自动检重剔除装置主要用来在高速生产线中进行动态称重，从而检测出超重或者欠重的产品并进行剔除。控制原理如图1所示。烟箱由皮带装置输送至称重机构，PLC根据光电开关传感器输出的信号得知烟箱进入秤台，传感器开始采集信号，物体到达传感器位置，承载面受力，受力平台通过横梁与线圈联接，传感器横梁位置发生变化并带动光栏移动，该信号经过前置放大器、PID调节器，反馈给线圈一个电流，在磁场和电流的共同作用下产生一个电磁力F，经过逻辑运算处理，得到烟箱的重量，与标准质量进行比较，如果超出误差范围，系统通过信号输出控制执行机构将烟箱剔除。

图1 控制原理

2 检重剔除装置主要部件设计

2.1 高速动态检重装置的结构与工作原理

检重机构结构如图2所示，装置由输送装置、称重传感器等部分组成。

图2 检重装置结构

检重装置工作过程是：电机带动同步带轮转动，在皮带1的作用下，从动轮工作，在轴承作用下主动辊带动皮带2工作，从而从动辊转动，当烟箱经过开关1时，开关发出信号，计重系统清零，开始称重，并在到达开关2时停止称重，系统对数据进行处理，得出烟箱重量，判断出是否超载或者欠载，从而将指令输送至执行机构。

2.1.1 输送装置

输送部分主要包括皮带、电机和滚筒等。其中，对称量精度影响最大的是皮带效应[2-4]。皮带效应涉及如称重托辊的同轴度、皮带张力及其变化、皮带运行阻力、皮带刚度、皮带自重的变化，以及皮带输送机的结构性能、皮带速度等方面，最主要体现在皮带张力F上。

如图3所示，假设皮带重心位移为D，物体的重量为G，皮带张力为T，2个滚筒之间距离为2b，皮带与滚筒之间的夹角为β，则皮带拉力产生的向上的分力R为:

R=Tsinβ

图3 皮带受力示意

2.1.2 称重传感器

检重装置采用电磁力平衡传感器，其称重精度高，产品类型多，稳定性好。电磁力平衡传感器工作原理如图4所示[5]。

图4 电磁力平衡传感器工作原理

传感器在加载物体前处于平衡状态，加载物体后，传感器内横梁上的遮光片在被称物体重力G的作用下发生向下移动，发光管D1通过遮光片的光量发生变化，光敏管D2将变化的光量信号转化为电流信号，由PID调节输出电流I驱动可动线圈，可动线圈在永磁体气隙磁场和电流I的作用下产生电磁力F，使遮光片向上移动，D2产生的电流信号趋于稳定，流经可动线圈的电流I在PID的作用下继续增大，直至遮光片恢复至原来的平衡位置。此时传感器恢复至平衡状态，电磁力F(F=BIL)等于被称物体的重力G(G=mg)，即

mg=BIL

I为电流；B为传感器感应线圈的电磁感应强度；L为线圈的导线长度；m为物体的质量；g为重力加速度。从而m=BIL/g。

影响电磁力平衡传感器性能的几个主要因素：

a.温度影响。温度影响主要来自于环境温度的变化和流过动圈的电流过大引起的发热。当温度升高，磁感应强度减小；温度降低，磁感应强度增加，而且磁感应强度的温度效应是非线性的，它随温度变化后，不能完全随温度的回复而回复[6-7]。其影响因素主要集中在磁感应强度、线圈导线长度、动圈导线电阻和线绕取样电阻的变化，从而引起传感器输出和检重测量结果的变化。

b.时漂影响。永磁体存在自然退磁现象，即磁感应强度B会随时间变化。没有经过老化处理的永磁体，它的磁感应强度会随着时间的推移而逐渐变小，大约每年降低0.5%永磁体磁感应强度，是电磁力平衡传感器产生时漂的主要原因。

c.对于电磁力平衡传感器的精度影响因素是多种多样的，除了上述2种因素，还有空气流动、静电感应、无线电频率干扰、地面振动、极端温度和腐蚀等多种因素。

2.2 剔除部分工作原理

系统的剔除部分主要由超重、欠重剔除装置和声光报警装置2部分组成，其主要控制电路原理如图5所示。当系统检测出烟箱超重或者欠重时，通过可编程控制器自动发出一个电信号，使中间继电器接通，从而使电磁阀以及报警器工作。

图5 缺条剔除和声光报警控制原理

2.3 PLC程序的设计

系统采用西门子公司的S7-224CPU，其CPU224具有14个输入，10个输出，1个RS485通信口，并且具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。

利用西门子编程软件STEP7-Micro/WIN V4.0，依据流程图(图6)，编写自动检重剔除程序。当系统检测到重量信号时，将所检测到的重量值与标准重量范围进行比较，如果检测到的重量在标准重量范围以外，系统发出信号驱动剔除装置工作。设计时，皮带运行速度为24 m/min，由于剔除电磁阀距离检重装置0.4 m，故延时时间为1s。

图6 程序流程

其中，定时器选用接通延时定时器(TON)，其分辨率为100ms，定时范围为0～3 276.7s，设定值(PT)为+10，则定时器的定时时间为1s。

3 样机试验

3.1 线性试验

线性试验从0kg开始，依次取5kg，10kg，15kg，20kg的砝码进行静态称重，记录显示值，后返回进行动态称重，即从20kg依次向15kg，10kg，5kg，0kg观察显示值并记录，显示值与实际值之差就是其线性误差。线性试验数据如表1所示。

由表1可知，系统最大线性误差为ε=-0.002kg。

表1 线性试验数据 kg

标准砝码实际值L显示值误差显示值误差0．0000．0000．0000．0000．0005．0005．0010．0014．998-0．00210．0009．999-0．00110．0000．00015．00014．999-0．00115．0010．00120．00020．0010．00120．0020．002

3.2 重复性试验

清零之后，将满量程的砝码置于秤台上，记录称量显示值，如此重复多次，采用极差法，得到系统的最大误差值。重复性试验数据如表2所示。

表2 重复性试验数据

称量次数数据/kg称量次数数据/kg130．001229．999329．998430．001530．000630．002730．001830．000

由表2可知，系统重复性误差为ε=30.002-29.998=0.004 kg

3.3 动态测试试验

动态测试试验即随机选取某品牌烟箱进行称重，分为2个试验：试验1，取标准质量为13.340kg的烟箱；试验2，在13.340kg烟箱中取1条，称重258g，此时烟箱标准质量为13.082kg。2个试验分别称重20次，并记录相关数据。

测量值的标准差为：

σ1=0.005661504 kg≈5.66 g

σ2=0.005942709kg≈5.94 g

则A类不确定度的评定ux1=σ1=5.66 g，ux2=σ2=5.94 g，标准差由贝塞尔法计算得到，故其自由度v1=v2=n-1=19。

根据试验数据，对试验1进行B类不确定度评定，如下所述。

f.合成不确定度的评定。上述不确定分量彼此不相关，故合成不确定度为：

灵敏系数为：

因为输入量P与m彼此独立不相关，则合成标准不确定度为：

=3.427g

有效自由度为：

g.扩展不确定度的评定。取置信区间p=0.95，自由度v=4，查t分布，得到t0.95(4)=2.132，即包含因子k=2.132，则其扩展不确定度为U=uc×k=3.427×2.132=10.733 g。

综合试验1和试验2可知，烟箱检测正确率可以达到98%以上，误差在±25g，烟箱对于缺件检测率达到98%以上，平均1分钟检测30件，符合设计标准。

4 结束语

在分析电磁力平衡传感器工作原理的基础上，通过对电磁力平衡传感器温漂、时漂的分析，计算机图形化人机界面的应用，实现高精度实时在线检重剔除。采用电磁力平衡传感器，提高了称重速度和精度。该系统运行稳定，能实现在线称重以及剔除的基本功能，减少人工检测的成本，提高了生产效率，具备很好的应用前景。

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Design and Tests of Weight Detecting and Eliminating Device of Cigarettes

YOUZhibin1,YANGWei1,LIYalin2，BAIWei2

(1.Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2.Kunming Shipbuilding Electronic Co.,Ltd., Kunming 650217, China)

Due to the low efficiency and high miss rates of the weight detecting and eliminating device, in this paper, a new weight detecting and eliminating device used for dynamic detecting of cigarettes was designed. A high-precision electromagnetic force balance sensor used for weight signal acquisition was proposed, and its working principles and influencing factors of performance were discussed. The working principles of the controlling technological process and eliminating device of the system were introduced. Meanwhile, the PLC was used for the design of automatic program and interface respectively.

tobacco;weight detecting;eliminating;electromagnetic force balance sensor

2014-05-04

TP23

A

1001-2257(2014)10-0038-04

尤志斌(1990-)，男，江苏东台人，硕士，研究方向为农业机械装配；杨薇(1965-)，女，云南泸西人，硕士，副教授，研究方向为农产品加工，通讯作者。