智能型定量包装秤的设计及其计量性能验证

刘远辉

摘要：针对散装物料的定量包装要求越来越高，不但要求包装计量要又快又准，还要求自动化程度要高，更要满足不同要求的各种包装形式。DCS系列的智能型定量包装称重系统，是定量包装技术的重要发展方向，在不断地改良技术，以满足上述要求，提高生产水平。本文提出DCS智能型定量包装称重系统（以下简称“DCS称重系统”）的设计与应用方法。该系统是一种新式的、不同于集中式控制系统的新型的计算机控制系统;虽然它的开发基础是源于集中式控制系统，但经过不断地更新改良，已发展成多级计算机控制系统，是以通信网络为纽带，组合了过程控制级、监控级，结合了4C技术：即计算机技术、显示技术、通信技术以及控制技术等。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统并不存在很大的区别，但是有着完全不同的实现方法。

关键词：定量包装;计量精度;DCS智能型定量包装称重系统

1.系统的组成

DCS称重系统的组成有：秤斗、秤体、供料装置、气动控制系统、称重传感器和控制仪表等。

该系统把秤斗通过连接件挂在吊挂装置的两只（或三只）悬臂梁式传感器上，有物料进入料斗产生了重量信号后，智能型控制仪表会接收到由称重传感器传输过来的重量信号，进而通过运算，自动完成控制定量称重。

2.系统的主要技术指标与特点

（1）最大秤量范围：可进行多秤量选择，25kg、50kg等均可。（2）称量速度：最大秤量为25kg时，可以达到每小时计量包装（200～400）包/袋;最大秤量为50kg时，则可达到每小时计量包装（180～240）包/袋。（3）计量准确度等級：X（0.2）级，动态测试时最大允许误差：±0.14%（参照JJG564-2002《重力式自动装料衡器》国家计量检定规程）。（4）适用范围：用于淀粉、面粉、饲料以及食品等粉状物料，进行自动定量包装。（5）系统特点：计量精度高、可以调整包装称量的速度、结构合理、整体性好和环保操作等特点。

3.选择称重传感器的原则

（1）传感器型式的选择条件秤量系统的类型和安装空间位置是选择传感器型式的两个重要考量。本文中设计的智能型定量包装称重系统，综合考虑上述两个因素，决定选用悬臂梁式的称重传感器。（2）应适合使用场所的环境条件在一般的使用场合，根据环境要求，可选用适用的普通称重传感器。称重系统设备所处的现场环境温度如果会超出50℃，必须优先考虑可以在高温环境下正常工作的传感器。（3）称重传感器量限的选择待称称量值是否接近称重传感器的额定容量是会直接影响到秤量系统的称量准确度的，越接近则准确性越高。实际上，由于称重传感器上的载荷包括有被称物、秤体、料斗等，还会有因为结构的振动和冲击而产生了力的存在，所以称重传感器的额定容量要大于物料的设定值，选用传感器的量限大小要取决于称量系统的整体设计。在一般情况下，在称重传感器额定容量范围的30%～70%内工作，系统的可靠性是可以得到有效保证的，同时还能保护传感器避免因过度使用而损伤。

4.智能称重控制仪的设计要点

智能型定量称重控制仪是自动定量包装称重系统的主控部分，核心部件为微电脑，组合滤波器、高性能放大器以及A/D转换器，结合为一体化的测控系统，它有以下优点：①体积小;②精度高;③可靠性好;④调试方便;⑤功能齐全。

5.称重控制仪的硬件结构设计

当称重传感器承受到物料的重量时，传感器将重量信息转化为毫伏级的电压信号，并输出给仪表，由信号放大器放大后，再经过A/D交换器转换成计算机可识别的数字量，计算机接收到数据后会根据设定的指令进行处理及分析，然后发出各类的控制信号，这些信号经过多级驱动，控制电磁阀工作，从而完成整个控制过程。

6.称重控制仪的软件设计与功能

智能型定量称重系统的软件设计需有以下四个部分：（1）监控程序：用于调试，不控制仪表;（2）初始化及功能判断程序：设置输入、输出口、中断向量以及特定内存等，此程序还有一个功能是判断下一步的工作流程是计量或者自校;（3）自校程序：持续地对标准值进行采样、显示，调校称重传感器的零点及仪表灵敏度，作为判断指标使用;（4）计量程序：本例中，根据图3所示的编制，设计计量程序的功能和时序如下，粗喂料的过程经历t0～t1′时间段，到达t1时，系统关闭粗喂料;细喂料过程经历t1～t2′时间段，到达t2时，系统关闭细喂料;等待空间落料和显示称重这段时间为t2～t3;排放物料为t3～t4时间段。在图中，关粗喂料的重量控制值设定为W1，关细喂料的重量控制值设定值为W2，实际物料重量控制值设定为W[1]。

图3.计量程序的功能与时序：

7.气动控制系统设计

气动控制系统作为控制执行机构，在整个定量包装称重系统中的作用十分重要。气动控制原理是当清空料斗内的物料时，气流振动器里充入高压气流，持续产生高频率的振动，料斗内壁上粘附的积粉在高频振动下被振落清除，从而保证经过计量称重的物料都能落入包装袋内，由此称量准确度得以保证。DCS系列智能型定量包装称重系统需要配备（0.4～0.6）MPa的气源，流量为0.1m3/min。

8.计量性能验证

在本次试验中，参照JJG564-2002《重力式自动装料衡器》计量检定规程，主要进行定量包装秤的静态称量试验和物料试验。具体实验内容如下：

a、静态秤量试验：从零点起逐渐增加试验载荷至最大秤量，并逆顺序卸下试验载荷至零点。选择的试验载荷应包括（接近）最大秤量和最小秤量及有特别要求的秤量。每一载荷点的示值误差通过闪变点法，即通过施加0.1d小砝码的方法进行确定，进而确定定量包装秤的静态试验允许误差是否满足X（0.2）级装料衡器的要求。

b、物料试验：物料试验采取的是在最小装料、中间装料和最大装料三个载荷点分别进行，使用的物料为面粉。试验中，需要对样机的包装成品重量进行连续不间断的实测记录，首先要记录定量包装秤仪表显示值，之后在控制衡器上称量面粉包的重量，作为面粉包的实际重量。根据两批记录值的结果，对样机的称量准确度等级作出判断。

结论：

简而言之，DCS系列的智能型定量包装称重系统，是定量包装技术的重要发展方向。该系统是一种新式的、不同于集中式控制系统的新型的多级计算机控制系统。基本设计思路是采取分散控制、集中操作、运用分级的管理方式，从而实现灵活地配置资源，而且组态方便。本文主要介绍了该系统的组成，系统的主要技术指标与特点，选择称重传感器的原则，智能称重控制仪的设计要点，称重控制仪的硬件结构设计，称重控制仪的软件设计与功能，气动控制系统设计，试验定量秤的性能规格，并通过试验来验证该设计方法的可行性[2]。

参考文献：

[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.1～154.

[2]程睿，魏国静，吴泽全.可编程控制器在粮食定量包装秤中的应用[J]，农机化研究，2016，（2）：124～125.