1引　言

隨著科技進步、社會發展以及人民生活水平提高,尤其是加入WTO後,企業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,粉粒狀農用產品,如糧食、種子、飼料、化肥、農藥等農業生產用品,以及薯片、米花、豆花等農副產品的深加工食品,都需要大量各種規格定量包裝。目前國內大量農用產品仍然采用手工定量包裝。手工包裝一方麵勞動強度大,工作環境惡劣,速度慢,準確度低,生產效率低,經濟效益差;另一方麵對采用手工包裝不能符合衛生要求的食品、藥品,以及對人體有毒有害的物品需要自動化、無人化定量包裝[1,2]。因此實現大量粉粒狀農用產品高速高準確度自動定量包裝是急需解決的技術難題。

2　粉粒狀農用產品自動定量包裝現狀

目前國內粉粒狀農用產品自動定量包裝有2種方式[3]:1)容積式自動定量包裝,是基於容積來計量包裝物料的數量,結構簡單,成本低,定量速度高,但定量準確度依賴於物料比重的穩定性,受物料鬆散程度、顆粒大小均勻程度、吸濕性、結塊性等物理化學性質的變化影響較大。主要適用於顆粒大小均勻、自流性好、比重相對穩定、價格較低的農用產品定量包裝。目前農用產品自動定量包裝主要采用容積式,中小規格容積式自動定量速度在40～60包/min左右,準確度在±2%～±3%左右。由於準確度差,企業在執行《定量包裝商品的計量監督規定》時,為了滿足計量監督部門檢查,隻能“寧多勿少”,從而在定量包裝上造成巨大損失[4];2)稱重式自動定量包裝,是以重量來計量包裝物料的數量,與容積式相比,結構複雜,成本高,定量速度慢,但準確度較高。主要適用於顆粒大小不均勻不規則、比重不穩定、價格較高的農用產品定量包裝。目前中小規格稱重式自動定量速度在10～20包/min左右,準確度在±1%～±1.5%左右。盡管稱重式自動定量包裝在企業實現“稱平量準”上已經前進了一大步,但速度慢,仍然不能滿足大量粉粒狀農用產品定量包裝要求[4]。

國外自動定量包裝發展趨勢是應用微電子等高新技術,同時提高定量的速度和準確度[5]。如組合式定量包裝,速度在60包/min以上,準確度在±1%左右,但結構複雜,成本高,一套設備上百萬元,國內一般企業難以承受[5]。為此本文在實用新型專利基礎上[6],借鑒國外的先進技術,提出一種混合式自動定量包裝新方法,以提高定量的準確度和速度。

3　混合式自動定量包裝原理

混合式自動定量包裝係統組成結構如圖1所示[6],包括:由料倉、粗細給料管、粗細給料器及其數字控製組成給料子係統,由稱重料鬥、投料汽缸、稱重傳感器及其稱重數據采集組成稱重子係統,包裝機及其控製子係統,主控微機。

混合式自動定量包裝是在容積式和稱重式自動定量充填基礎上發展起來的[7]。其自動定量整個過程在主控微機的協調控製下,采用多級給料及靜態稱重實現。首先由粗給料器采用容積式快速往稱重料鬥加入目標量的大部分(主加料),穩定一定時間後進行準確靜態稱重,而不象稱重式自動定量,一邊給料一邊稱重的動態稱重;然後計算確定剩餘的小部分量,並將其換算成細給料器加料的容積,在K8凯发登录入口一定的情況下用時間大小表示;最後控製細給料器加料(補加料),同時控製稱重料鬥投料汽缸打開投料門,向包裝機投料,完成自動定量一次循環過程。

其中,給料和稱重分時進行,以提高加料速度,減少加料衝擊和落差對稱重的影響。細給料器采用容積式加料,但由於加料量少,補加料誤差亦小,提高了定量準確度。同時細給料器加料後不再稱重,在細給料同時就投料,進一步提高了定量速度。混合式自動定量包裝綜合了容積式自動定量速度高和稱重式自動定量準確度高優點。

4　混合式自動定量包裝實現方法

4.1　混合式自動定量包裝工藝流程

根據以上原理,混合式自動定量包裝工藝流程分為自動定量和包裝2個工步,在進行下一包物料自動定量的同時,進行上一包物料的包裝。自動定量分成4個節拍,如表1所示,其中時間以中小規格定量包裝為例。

1)主加料,由給料子係統完成,每個工作循環主加料時間固定,由物料比重穩定性、粗給料器性能等決定。通過調節粗給料器激振力及料厚度使得主加料量在目標重量90%～95%左右。

2)穩定,由主控微機完成,每個工作循環穩定時間固定,由主加料量對稱重料鬥衝擊大小、稱重料鬥抗振動性能等決定。

3)靜稱重,由稱重子係統完成,每個工作循環稱重時間固定,由稱重準確度、A/D轉換器時間、采樣頻率及點數、數據濾波方式及處理速度等決定。

4)補加料及投料,補加料由給料子係統完成,投料由包裝機控製子係統完成,每個工作循環補加料時間隨著補加料量不同而變化。每個工作循環投料開始時間固定,結束時間隨著補加料時間變化而變化。

以上4個節拍在主控微機統一協調下進行,即由主控微機控製給料子係統、稱重子係統及包裝機控製子係統開始工作時間。

4.2　混合式自動定量稱重子係統實現原理及方法

從混合式自動定量過程來看,靜態稱重準確度對最後定量準確度影響最大,也是第4節拍補加料的基礎。因此高速高準確度稱重是實現混合式自動定量包裝的基礎。

1)稱重料鬥機械振動性能分析。稱重料鬥在主加料f(t)=A後振動係統可以簡化為圖2a所示[8]。其中m為稱重料鬥質量,k為稱重傳感器的彈性係數,c為稱重料鬥振動阻尼係數。在主加料後稱重料鬥支撐在稱重傳感器的彈性變形量x(t)響應曲線如圖2b所示。其中,在主加料前x(0)=0,峰值時間tp=π/(kn(1-a2)1/2,超調量Mp=(x(tp)-x0)/x0=exp(-aπ/(1-a2)1/2),調整時間ts=4/(akn)。彈性係數k與彈性變形量x(t)乘積即主加料質量A。在主加料後較短穩定時間後,在非常短的靜態稱重時間內,要實現高準確度稱重,必須盡可能減少tp、Mp和ts,即盡可能增加a和kn。阻尼比a=0.5c/(mk)1/2,無阻尼固有頻率kn=(k/m)1/2,因為m受到稱重傳感器的量程限製,k受到稱重傳感器結構限製,因此隻有通過增加阻尼係數c來滿足稱重要求。

2)稱重數據采集處理子係統硬件。它由AT89C652單片機,看門狗定時器、電壓監控和EEP-ROM一體的X5045芯片,RS-485接口轉換芯片LBC184,對稱重傳感器的微弱的電信號進行放大的儀表放大器AD623芯片及14位高速串行輸出模/數轉換器MAX121芯片,輸入、輸出信號光電隔離器MOC3020,輸入反相驅動器74HC14,輸出反相驅動器MC1413等組成。

子係統通過RS-485串行接口總線與主控微機、其它子係統傳送數據,包括接收主控微機發送的工作參數和向主控微機及其它子係統發送的稱重數據采集處理結果;通過輸入、輸出信號與主控微機進行時序協調,以提高係統執行的可靠性和快速性;通過X5045的EEP-ROM存儲器存放運行參數,如采樣速率、采樣點數、稱重量程等。

子係統通過兩台UH-53高準確度電阻應變片式稱重傳感器,支撐稱重料鬥,提高稱重料鬥抗振性和穩定性。2台稱重傳感器采用並聯組秤方法。並聯後,總輸出電阻小,信號傳輸抗幹擾能力強,輸出電壓與被稱物料重量成線形關係,提高了稱重準確度[9]。

子係統通過厚模工藝製作的集成儀表放大器AD623芯片和14位高速度串行A/D轉換器MAX121芯片組成前置通道,完成對稱重信號放大、轉換、采集。AD623具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模幹擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩定增益、輸入電壓範圍大、放大誤差小、能夠提供很好的線性度等特點。MAX121具有低溫漂、低信噪比、輸入電壓範圍大等特點,內置采樣保持器和三態緩衝輸出器,輸入端直接與AD623輸出端相連,輸出端可直接與CPU相連[10]。

3)稱重數據采集處理子係統軟件。在主加料後,稱重信號經過放大、A/D轉換後,以采樣頻率2000次/s采集數值,采集數值波形如圖4所示。由圖可見,經過穩定時間T0後波形低頻部分主要在物料重量對應數值U0(圖中水平實線)上下震蕩逐漸衰減趨向穩定值U0的曲線,同時包含高頻幹擾信號。因此稱重數據采集處理必須在稱重時間(T1-T0)範圍內,在適當的采樣速率和采樣點數下,采集一定數量采樣值,剔除高頻或隨機幹擾值後,求平均得到U1(圖中水平虛線),稱重采集處理誤差即為X=U1-U0。

為了減少誤差X,在軟件設計中,首先對采集點進行定位,使得開始有效采樣點均在波形震蕩峰或穀上,同時直到波形震蕩峰或穀結束。其次,采用非線形數字濾波,將高頻或隨機幹擾導致的粗大誤差濾除[11]。濾波算法為:設采集信號序列為u[i],非線形數字濾波後信號序列為v[i]。開始采樣點,v[0]=u[0]。以後采樣點,根據幹擾強弱設定粗大誤差閥值_,若|u[i]-u[i-1]|<_,則v[i]=u[i];反之v[i]=v[i-1]。最後,對在有效采樣點範圍內非線形數字濾波值求平均,並經過標度換算,得到主加料重量,作為稱重采集處理結果[12]。

4.3　混合式自動定量給料器數字控製

為了提高混合式自動定量速度和準確度,主加料和補加料必須具有很好的可控性。主加料快速穩定,主加料愈接近目標質量,補加料量愈少,定量速度和準確度愈高。同樣補加料快速穩定,補加料量愈準,定量速度和準確度也愈高。因此,高速高準確度給料是實現混合式自動定量包裝的關鍵。

電磁振動給料器是一種新型的加料設備,廣泛用於粉粒狀物料的定量給料、配料等生產流程中[8]。電磁振動給料器組成結構包括:給料槽、料厚調節板、銜鐵、板彈簧、電磁鐵及激振線圈、機座及隔振彈簧。將正弦交流電經過單向半波整流後,加在電磁鐵的激振線圈上。在交流電正半周,激振線圈上有電流通過,在銜鐵和電磁鐵之間便產生一對大小相等的脈衝電磁力相互吸引,這時給料槽向後運動,彈性係統發生變形,存儲了一定的勢能;在交流電負半周,激振線圈上無電流通過,在銜鐵和電磁鐵之間電磁力消失,由於彈簧存儲的勢能釋放,銜鐵和電磁鐵之間朝向反方向離開,給料槽向前運動。這樣電磁振動給料器就以交流電頻率50Hz作往複振動,使給料槽中物料不斷向前拋起移動,達到給料目的[8]。通過控製50Hz交流電供電電壓、供電時間可實現給料量自動控製;調節給料槽中料厚度,可實現給料量手動調節[13]。

在混合式自動定量過程中,給料厚度和供電時間一定情況下,物料的比重變化、供電電壓波動等工作環境變化,將導致給料器給料量發生變化。因此在定量過程中根據前一次給料目標量和實際量差反饋自動控製供電電壓或時間。電磁振動給料器供電電壓采用數字控製。應用單向半波可控矽整流電路,通過數字控製可控矽的導通角的大小,獲得不同幅度輸出電壓,從而改變給料器給料量。

5　混合式自動定量性能分析

5.1　混合式自動定量速度分析

混合式自動定量速度在30～60包/min之間,接近了容積式定量速度。

5.2　混合式自動定量不確定度分析

在靜態稱量準確度相對較高情況下,補加料準確度是影響自動定量準確度的主要部分,主要由最大補加料量和最大補加料時間、給料器機械性能和自動控製性能、物料容重穩定性等因素決定。一般最大補加料量越小,最大補加料時間越長,給料器的料厚度越小,補加料越準確。通過提高給料器機械性能和自動控製性能,補加料的最小控製量可達0.2～0.5g左右。物料容重穩定性對補加料準確度的影響相對較大,例如包裝目標質量400g的物料,若容重在0.27～0.3g/cm3之間變化,變化率約為±5%,主加料量為目標質量的95%,即380g,主加料一定容積物料,質量將在360～400g之間變化,通過穩定及靜態稱量後確定補加料量將在40～0g之間,最大補加料量為40g,其對應實際補加料質量將在38～42g之間,最終質量在398～402g之間,補加料誤差為±2g,相對400g目標質量,準確度為±0.5%,達到了稱重式定量準確度。

6　混合式自動定量包裝係統性能對比實驗

　混合式自動定量包裝係統對小米、化肥、農藥等農業生產用品進行中小規格定量包裝實驗。由於篇幅所限,這裏僅給出小米實驗數據。實驗質量參數是:包裝目標質量400g和200g,定容積小米質量變化率約為±5%,因此對應主加料目標質量380g和190g,最大補加料量為40g和20g。實驗時間參數是:通過調節料厚度,使給料器在一定加料K8凯发登录入口下,控製主加料時間為600ms和400ms,最大補加料時間為800ms和600ms,穩定時間200ms,靜態稱量時間300ms。補加料的最小控製量分別為1.0g和0.7g左右。

400g實驗定量速度平均為40包/min,質量在397.4～402.4g之間,與目標質量400g相比,絕對誤差在-2.6～+2.4g之間,準確度在-0.65%～+0.6%之內。200g實驗定量速度平均為46包/min,質量在198.6～200.8g之間,與目標質量200g相比,絕對誤差在-1.4～+0.8g之間,準確度在-0.7%～+0.4%之內。

7結　論

通過對混合式自動定量包裝性能理論分析和實驗分析表明:粉粒狀農用產品混合式自動定量包裝是切實可行的,對粉粒狀物料的適應性強,既適應於顆粒大小均勻、容重相對穩定的農用產品定量包裝,也適應於顆粒大小不均勻不規則、容重不穩定的農用產品定量包裝。它與傳統定量包裝相比,同時提高了自動定量的速度和準確度,滿足了企業大批量定量包裝“稱平量準”要求。應用該技術成果,可降低企業包裝損耗,提高包裝合格率,對生產企業和消費者無疑都具有非常大的經濟效益和社會效益,在自動定量包裝方麵有重要的理論指導意義和應用推廣價值。

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