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1引言
包裝行業(yè)是直接為提高人民生活質(zhì)量服務(wù)的新興行業(yè)。隨著社會(huì)發(fā)展、人民生活水平提高,尤其是加入WTO后,企業(yè)參與激烈的國際市場競爭,對商品包裝提出了更高的要求。其中,與人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的粉粒狀物料,如洗衣粉等生活日用品,食鹽、味精等日用食品,麥片等營養(yǎng)食品,板蘭根等藥品,種子、化肥、農(nóng)藥、化工原料等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用品,都需要精確定量包裝。目前國內(nèi)大量采用手工定量充填包裝,勞動(dòng)強(qiáng)度大,速度慢,經(jīng)濟(jì)效益差。同時(shí)粉粒狀物料飛濺嚴(yán)重,造成工作環(huán)境惡劣,污染嚴(yán)重。此外食品、藥品手工包裝往往不能滿足衛(wèi)生要求,有毒有害的物品手工包裝容易對人體造成傷害。因此大量物料需要采用全自動(dòng)定量包裝。
目前我國粉粒狀物料小劑量的全自動(dòng)立式包裝機(jī)比較成熟,而中、大劑量全自動(dòng)立式包裝機(jī)與國外先進(jìn)產(chǎn)品存在一定差距[1]。在保證包裝質(zhì)量基礎(chǔ)上,包裝速度往往較低。其中一個(gè)重要原因是與其所采用的自動(dòng)定量方式有關(guān)。目前粉粒狀物料中、大劑量自動(dòng)定量有容積式、稱重式和混合式三種方式[2]。其中容積式是基于容積來計(jì)量物料的數(shù)量,其結(jié)構(gòu)簡單,定量速度較高并工作穩(wěn)定,可達(dá)40包/分左右,但因受物料松散程度、顆粒大小均勻程度、吸濕性、結(jié)塊性等物理化學(xué)性質(zhì)的變化影響較大,定量精度在±3左右,在精度上難以滿足目前大批量高精度定量包裝的要求。稱重式和混合式是以重量來計(jì)量物料的數(shù)量,定量精度較高,可達(dá)±1.5以上,但定量速度變化范圍大,與包裝機(jī)協(xié)調(diào)配合困難,速度在20到30包/分左右,在速度上難以滿足目前大批量高精度定量包裝的要求,如采用多組定量裝置提高速度,則結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜,不便粉粒狀物料清理[3]。本文擬通過對全自動(dòng)立式包裝機(jī)工藝過程及其控制系統(tǒng)的研究,簡化自動(dòng)定量部分與包裝機(jī)協(xié)調(diào)配合關(guān)系,適應(yīng)稱重式和混合式自動(dòng)定量生產(chǎn)節(jié)拍變化特點(diǎn),提高包裝速度和包裝質(zhì)量。
2全自動(dòng)立式包裝機(jī)工藝過程分析全自動(dòng)立式包裝機(jī)的工藝過程包括:卷膜牽引、打印、袋成型、縱封、充填、橫封、剪切及成品計(jì)數(shù)等。同時(shí)自動(dòng)定量部分完成物料輸送、加料、計(jì)量及投料等工作?，F(xiàn)以混合式自動(dòng)定量方式為例,分析以上兩部分的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。其工藝時(shí)序如表1所示。

混合式自動(dòng)定量由單片機(jī)控制,采用兩級(jí)容積式快速給料,一次精確快速靜態(tài)稱重[4]。定量充填循環(huán)過程為:接收到包裝機(jī)定量充填指令后,首先通過粗給料器或粗細(xì)給料器一起快速往稱量料斗粗加料,經(jīng)時(shí)間T1（約500ms),加入目標(biāo)量的大部分（一般在90左右);穩(wěn)定一定時(shí)間后精確快速靜態(tài)稱重,確定剩余的小部分量,并換算成細(xì)給料器細(xì)加料時(shí)間T3,穩(wěn)定稱重需時(shí)間T2（約400ms);最后向包裝機(jī)返回物料充填信號(hào),通過細(xì)給料器細(xì)加料剩余的小部分量,同時(shí)控制稱量料斗投料機(jī)構(gòu)打開投料門,細(xì)加料最大時(shí)間T3max約600ms。結(jié)束后,關(guān)閉投料門,并且在接收到包裝機(jī)下一個(gè)定量充填指令后,進(jìn)入下一個(gè)定量充填循環(huán)過程。物料下落到包裝機(jī)橫封口位置需時(shí)間T4（約400ms),與物料下落高度有關(guān),在物料下落高度一定情況下,T4是固定不變的。在定量充填循環(huán)過程中物料輸送根據(jù)料位高低檢測信號(hào)控制啟動(dòng)、停止。一個(gè)工作循環(huán)周期T=T1+T2+T3max（約1500ms),不受T3變化影響。
全自動(dòng)立式包裝機(jī)采用PLC控制。袋成型、充填、封口包裝循環(huán)過程為:首先向自動(dòng)定量部分發(fā)出定量充填指令,在收到物料充填返回信號(hào),并經(jīng)定時(shí)器定時(shí)固定不變的時(shí)間T4后,再次向自動(dòng)定量部分發(fā)出定量充填指令,再經(jīng)橫封T5（約700ms)、縱封T6（約500ms)、打印日期T7（約200ms),剪切及成品計(jì)數(shù)T（約200ms);冷卻T（約200ms);最后牽引卷膜袋成型T10（約600ms)。在協(xié)調(diào)配合過程中,包裝機(jī)根據(jù)自動(dòng)定量部分返回物料充填信號(hào)定時(shí)T4后,進(jìn)入橫封、縱封等工序,確保橫封既不過早,產(chǎn)生夾料,也不過遲,產(chǎn)生物料對橫封口沖擊問題。進(jìn)入橫封、縱封等工序的時(shí)間可通過改變冷卻時(shí)間T9進(jìn)行調(diào)整,以保證牽引卷膜袋成型時(shí)間T10。同樣一個(gè)工作循環(huán)周期T=T5+T9+T10（約1500ms),不受T3變化影響,從而使包裝速度達(dá)40包/分左右。
3全自動(dòng)立式包裝機(jī)控制系統(tǒng)
全自動(dòng)立式包裝機(jī)以PLC控制系統(tǒng)作為主控制器。自動(dòng)定量部分以單片機(jī)控制系統(tǒng)作為從控制器。通過PLC發(fā)出定量充填指令和單片機(jī)返回物料充填信號(hào),協(xié)調(diào)兩部分工作節(jié)拍。
PLC控制系統(tǒng)采用三菱電機(jī)的FX2N系列可編程序控制器,且選用AC電源,DC24V電源輸入,晶體管輸出。FX2N系列是小型化、高速度、高性能的超小型程序裝置。系統(tǒng)配制既固定又靈活,可進(jìn)行16點(diǎn)到256點(diǎn)的靈活輸入輸出;編程簡單,有27種基本指令,2種步進(jìn)梯形指令,128種應(yīng)用指令,包括高速處理指令、便利指令、數(shù)據(jù)處理指令、特殊用途指令及外部設(shè)備通信指令等;有多種機(jī)型,可根據(jù)點(diǎn)數(shù)、電源及輸出形式選擇;程序容量內(nèi)置8000步,有豐富軟元件、高速計(jì)數(shù)器及50us短脈沖讀取;可用RS-485通信同個(gè)人電腦等計(jì)算機(jī)或其它FX系列PLC連接;多種外部數(shù)據(jù)存取單元,從簡單的單色LCD顯示器按鍵,到功能強(qiáng)的彩色觸摸屏。應(yīng)用基本單元配制組成如圖1所示。
袋成型、充填、封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)有:卷膜預(yù)備長上限位置接近開關(guān)檢測,卷膜預(yù)備長下限位置接近開關(guān)檢測,卷膜跑偏左限位置光電開關(guān)檢測,卷膜跑偏右限位置光電開關(guān)檢測,卷膜袋長色標(biāo)光電開關(guān)檢測,無卷膜微動(dòng)開關(guān)檢測,安全門關(guān)閉檢測,定量充填部分返回物料充填信號(hào)各1點(diǎn)及其它備用2點(diǎn),共計(jì)10點(diǎn)。輸出信號(hào)有:卷膜助牽引啟動(dòng)或停止控制,卷膜架對中左移控制,卷膜架對中右移控制,卷膜牽引停止防止過沖制動(dòng)控制,卷膜牽引輥脫開控制,卷膜牽引輥壓上控制,卷膜橫封控制,卷膜橫封結(jié)束空氣冷卻控制,卷膜縱封控制,卷膜縱封結(jié)束空氣冷卻控制,卷膜切刀控制,打印機(jī)工作控制,除塵抽氣泵工作控制,充氮?dú)鈿忾y控制,制作角袋機(jī)構(gòu)控制,控制定量充填指令,聲光報(bào)警控制各1點(diǎn)及其它備用3點(diǎn),共計(jì)20點(diǎn)。因此選用輸入24點(diǎn)、輸出24點(diǎn)的FX2N-48MT型號(hào)PLC基本單元。
單片機(jī)控制系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī),并有一路高速的稱重?cái)?shù)據(jù)采集通道和若干位并行輸入、輸出通道,如圖2所示[5]。單片機(jī)控制系統(tǒng)除了有AT89C52、輸入/輸出信號(hào)光電隔離器MOC3020、輸入反相驅(qū)動(dòng)器74HC14、輸出反相驅(qū)動(dòng)器MC1413外,還包括:
（1)14位高速串行輸出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAⅩ121芯片。它是低溫漂、低信噪比,轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為2X9﹒s,讀取時(shí)間僅400ns,輸入電壓范圍5～15V,內(nèi)置采樣保持器和三態(tài)緩沖輸出器,輸入端直接與AD623輸出端相連,輸出端可直接與CPU相連;
（2)儀表放大器AD623芯片。它是采用厚模工藝制作的集成儀表放大器,具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn),輸入電壓范圍大,執(zhí)行時(shí)間20﹒s,放大誤差小,能夠提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性、可靠性,對稱重傳感器的微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大;
（3)集看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和EEPROM功能于一體的Ⅹ5045芯片。它的存儲(chǔ)器部分是COMS的4096位串行EEPROM,內(nèi)部按512*8位組織,允許簡單的三線總線工作的串行外設(shè)接口（SP1)和軟件協(xié)議。用于存放運(yùn)行參數(shù)如采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)、定量目標(biāo)重、定量允許誤差、傳感器量程及標(biāo)定系數(shù)等。
自動(dòng)定量充填部分輸入信號(hào)有:充填機(jī)料倉料位檢測,安全門關(guān)閉檢測,定量盤稱重位檢測,定量盤投料位檢測,包裝機(jī)定量充填指令信號(hào)檢測各1點(diǎn),備用1點(diǎn),共計(jì)6點(diǎn)。輸出信號(hào)有:振動(dòng)給料器控制加料4點(diǎn),定量盤稱重位和投料位控制,聲光報(bào)警控制,返回包裝機(jī)物料充填信號(hào)各1點(diǎn),備用3點(diǎn),共計(jì)10點(diǎn)。因此單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有6點(diǎn)輸入信號(hào),10點(diǎn)輸出信號(hào)。稱重傳感器6點(diǎn)輸入信號(hào)10點(diǎn)輸入信號(hào).

4全自動(dòng)立式包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件

全自動(dòng)立式包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件包括PLC控制系統(tǒng)軟件和單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件。由于PLC發(fā)出定量充填指令時(shí),單片機(jī)可能正在控制細(xì)給料器細(xì)加料,處于T3時(shí)間階段,因此單片機(jī)接受PLC定量充填指令必須采用中斷方式。使用外部中斷0,邊沿觸發(fā),中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。同樣單片機(jī)返回物料充填信號(hào)時(shí),PLC正在控制牽引卷膜袋成型,處于T10時(shí)間階段,因此PLC接受單片機(jī)返回物料充填信號(hào)也必須采用中斷方式,中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。
5結(jié)論
通過對全自動(dòng)立式包裝機(jī)工藝過程及其控制系統(tǒng)的研究,簡化了自動(dòng)定量部分與包裝機(jī)協(xié)調(diào)配合關(guān)系,適應(yīng)稱重式和混合式自動(dòng)定量生產(chǎn)節(jié)拍變化特點(diǎn),在不增加機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、系統(tǒng)成本基礎(chǔ)上,提高了包裝速度和包裝質(zhì)量,速度達(dá)40包/分左右,精度達(dá)±5%以上.
 

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