昆山市拓恒機(jī)電有限公司
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1 概述
有些用袋、瓶、罐等包裝的商品要先進(jìn)行裝料，然后在檢重秤上檢重，以確保商品包裝內(nèi)的商品凈重值符合商品包裝上標(biāo)注的商品重量。但由于裝料機(jī)機(jī)械特性變化、物料特性變化等原因，往每一份包裝容器內(nèi)裝入的商品重量有可能發(fā)生變化，使得商品超重或欠重。超重過(guò)多影響企業(yè)的效益，而欠重將可能被用戶(hù)投訴，影響企業(yè)的信譽(yù)。
如果包裝的裝料過(guò)程中，商品是以液態(tài)或粉狀、小顆粒狀形態(tài)裝料，還可以通過(guò)檢重秤的實(shí)時(shí)測(cè)量值對(duì)裝料過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，以確保商品在包裝上標(biāo)注的商品重量同時(shí)又不過(guò)多超重。
2 檢重秤裝料的自動(dòng)控制
裝料機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，將檢重秤的檢測(cè)數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的商品稱(chēng)重目標(biāo)重量值比較，確定一個(gè)反饋信號(hào)送至控制器并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整裝料機(jī)的裝料量，從而減少商品重量誤差以及因裝料機(jī)裝料量漂移所產(chǎn)生的商品裝料量的變化（如圖1所示）。由于從裝料機(jī)裝好料的商品到達(dá)檢重秤要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，所以稱(chēng)重顯示器在作出對(duì)裝料機(jī)下一次裝料量調(diào)整的控制運(yùn)算要延時(shí)。
圖1 檢重秤裝料自動(dòng)控制原理示意圖 下載原圖
2.1 裝料控制的基本類(lèi)型
有兩種基本類(lèi)型的裝料控制可以在檢重秤上運(yùn)行，它們是：
連續(xù)裝料控制：這種連續(xù)控制系統(tǒng)可產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，其輸出正比于各件包裝重量和用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)重量之間的差異，這是一套具有極快響應(yīng)時(shí)間的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
平均裝料控制：平均裝料控制需先設(shè)置一段“持續(xù)時(shí)間”，可以用在該時(shí)間內(nèi)通過(guò)的包裝數(shù)量來(lái)確定，比如通過(guò)量為120pcs/min時(shí)，如確定20個(gè)包裝通過(guò)，則“持續(xù)時(shí)間”為10s?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)10s持續(xù)時(shí)間內(nèi)20個(gè)包裝的平均重量值計(jì)算，將它與用戶(hù)設(shè)定目標(biāo)重量之間的差值比較后，產(chǎn)生一個(gè)校正信號(hào)，調(diào)整裝料頭的沖料量。該系統(tǒng)大多用于多裝料頭的裝料機(jī)。
2.2 裝料機(jī)反饋控制信號(hào)的種類(lèi)
送到裝料機(jī)的反饋控制信號(hào)有三種：
模擬調(diào)制：模擬控制信號(hào)，如電壓或電流環(huán)控制信號(hào)。
脈沖頻率：控制信號(hào)為基于重量偏差方向和幅值的一系列輸出脈沖數(shù)。
脈沖時(shí)間：控制信號(hào)為基于重量偏差方向和幅值輸出脈沖持續(xù)時(shí)間變化的單脈沖。
2.3 雙檢重秤裝料反饋控制系統(tǒng)
當(dāng)包裝精度要求較高而商品包裝的皮重變化需要考慮時(shí)，可以采用如圖2所示的雙檢重秤反饋控制裝料機(jī)裝料量，圖中，空瓶的重量由檢重秤1檢測(cè)，信號(hào)傳送到檢重秤2的稱(chēng)重顯示器上，以進(jìn)行裝料凈重的檢測(cè)。裝料凈重的檢測(cè)數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)輸入裝料機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)裝料凈重的實(shí)時(shí)控制。
圖2 雙檢重秤裝料量自動(dòng)控制原理示意圖 下載原圖
3 標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)控制過(guò)程
在裝料機(jī)的反饋?zhàn)詣?dòng)控制過(guò)程中，檢重秤和裝料機(jī)是在連續(xù)不斷地通信，如果檢測(cè)到商品重量出現(xiàn)偏差，在對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生大的負(fù)面影響之前，就開(kāi)始對(duì)裝料機(jī)的裝料量進(jìn)行調(diào)整，以確?？梢约m正偏差帶來(lái)的影響。以下是檢重秤向裝料機(jī)發(fā)出反饋信號(hào)并進(jìn)行自動(dòng)控制過(guò)程的幾個(gè)步驟[90]:
步驟1-裝料機(jī)發(fā)生偏差
步驟1顯示檢重秤檢測(cè)到裝料機(jī)的裝料量向減少方向發(fā)生偏差（如圖3所示），如果這種趨勢(shì)繼續(xù)下去，裝料量的偏差將增加，而商品可能欠重（欠重的商品上打上了叉號(hào)）。
步驟2-向裝料機(jī)發(fā)出反饋信號(hào)
步驟2顯示檢重秤的反饋信號(hào)發(fā)送到裝料機(jī)，以調(diào)整裝料量（如圖4所示）。但存在一段滯后時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)檢重秤不會(huì)再指導(dǎo)裝料機(jī)進(jìn)行調(diào)整。
圖3 裝料機(jī)發(fā)生偏差 下載原圖
圖4 檢重秤向裝料機(jī)發(fā)出反饋信號(hào) 下載原圖
步驟3-在滯后時(shí)間后裝料機(jī)改變裝料量
步驟3顯示滯后時(shí)間等于裝料機(jī)改變裝料量后的商品到達(dá)檢重秤花費(fèi)的時(shí)間（如圖5所示），超過(guò)滯后時(shí)間，裝料機(jī)改變了裝料量，商品重量恢復(fù)正常（正常的商品上打上了勾號(hào)）。
圖5 在滯后時(shí)間后裝料機(jī)改變裝料量 下載原圖
步驟4-糾正裝料偏差
步驟4顯示裝料機(jī)裝料量向減少方向的偏差由反饋控制來(lái)糾正（如圖6所示）。
圖6 糾正裝料偏差 下載原圖
當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)的輸送速度不變時(shí)，如果裝料機(jī)和檢重秤之間的距離增加，更多的包裝將位于裝料機(jī)和檢重秤之間，上面提到的滯后時(shí)間將延長(zhǎng)。所以在理想情況下，檢重秤應(yīng)該緊靠裝料機(jī)安裝，可對(duì)裝料重量變化作出最直接、最快速的反應(yīng)。
反饋控制旨在顯示隨著時(shí)間的推移調(diào)整裝料器的沖料量，有可能調(diào)整量不是一次到位，則可以通過(guò)逐次逼近的方式進(jìn)行調(diào)整（如圖7所示）。
圖7 反饋控制趨勢(shì)圖 下載原圖
4 反饋控制應(yīng)用例
4.1 牛奶灌裝
國(guó)內(nèi)某集團(tuán)公司液態(tài)奶500g包裝的出廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)是帶包裝508g，生產(chǎn)工藝控制指標(biāo)510g，使用檢重秤之前，牛奶灌裝量的平均值是515.231g，波動(dòng)幅度為17.5g。原工藝過(guò)程無(wú)檢重設(shè)備，灌裝機(jī)為利樂(lè)公司商品，用手動(dòng)旋鈕和拉線(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置的包裝量進(jìn)行微調(diào)。采用德國(guó)碧彩公司CWM750檢重秤進(jìn)行自動(dòng)控制試驗(yàn)，首先進(jìn)行檢重秤測(cè)試，得到的重量分布曲線(xiàn)數(shù)據(jù)接近理想的正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1g。自動(dòng)控制試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)重量值設(shè)定為510.3g，上限限位值TO1設(shè)定為512.6g，下限限位值TU1設(shè)定為508g。當(dāng)通過(guò)檢重秤反饋信號(hào)自動(dòng)控制灌裝機(jī)灌裝量的試驗(yàn)投入后，灌裝量的自動(dòng)調(diào)整是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠并調(diào)節(jié)撥桿實(shí)現(xiàn)的（如圖8所示）。試驗(yàn)結(jié)果表明：牛奶灌裝量的平均值降低到510.299g，波動(dòng)幅度降低到8g，平均每袋牛奶可節(jié)省4g，經(jīng)濟(jì)效益可觀(guān)。
圖8 液態(tài)奶灌裝反饋控制系統(tǒng)示意圖 下載原圖
1-檢重秤2-稱(chēng)重顯示器3-根據(jù)重量偏差發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)不同的信號(hào)4-控制系統(tǒng)PLC+HMI 5-步進(jìn)電機(jī)6-連桿7-灌裝量調(diào)節(jié)撥桿8-利樂(lè)包裝機(jī)
4.2 牙膏灌裝
賽默飛世爾科技公司在廣州寶潔牙膏灌裝生產(chǎn)線(xiàn)上安裝了雙通道檢重秤，用于檢測(cè)和控制牙膏重量（如圖9所示）。
牙膏稱(chēng)量范圍10g～250g，最大長(zhǎng)寬分別為220mm、40mm，通過(guò)量為120pcs/min，準(zhǔn)確度為0.1g。在牙膏灌裝線(xiàn)上增加檢重秤設(shè)備，除了控制重量上下限，還增加反饋控制選件，以控制牙膏灌裝量，從而大大降低不合格商品的比例。反饋設(shè)置的上限范圍介于標(biāo)準(zhǔn)值容許偏差上限至剔除上限值；反饋控制下限范圍介于標(biāo)準(zhǔn)值容許偏差下限至剔除下限值（如圖10所示）。根據(jù)最新采樣隊(duì)列數(shù)據(jù)的實(shí)際平均重量值，求得反饋誤差調(diào)整值的脈沖寬度。
圖9 牙膏灌裝生產(chǎn)線(xiàn)上的雙通道檢重秤 下載原圖
圖1 0 反饋控制調(diào)節(jié)范圍 下載原圖
反饋上/下限輸出采用繼電器脈沖輸出，接入灌裝機(jī)的開(kāi)關(guān)量輸入，控制伺服電機(jī)，改變控制螺距，進(jìn)而改變灌裝牙膏量。比如當(dāng)監(jiān)測(cè)到牙膏重量采樣值向下漂移時(shí)，檢重秤輸出調(diào)整信號(hào)送到灌裝機(jī)，調(diào)大灌裝牙膏量；在灌裝機(jī)調(diào)整灌裝牙膏量的過(guò)程中，檢重秤不再發(fā)出調(diào)整信號(hào)；待灌裝機(jī)調(diào)整灌裝牙膏量以后的牙膏通過(guò)檢重秤時(shí)，可以看到牙膏重量采樣值向下漂移的趨勢(shì)已經(jīng)得到修正；如果牙膏重量采樣值達(dá)不到質(zhì)量規(guī)定要求，檢重秤可再次輸出調(diào)整信號(hào)到灌裝機(jī)。在沒(méi)有增加反饋控制之前，寶潔為了避免由于灌裝系統(tǒng)誤差導(dǎo)致牙膏欠重，采用每支牙膏溢裝量2g控制灌裝量。按照通過(guò)量120pcs/min計(jì)算，年產(chǎn)量約1.2億支支，每支牙膏重量為100g，如果溢裝量能減少到1g，每年就可以節(jié)省120t牙膏灌裝量，即可以多裝120萬(wàn)支牙膏。以每支牙膏2元成本計(jì)算，年減少損失240萬(wàn)元，一臺(tái)高速高精度檢重秤市場(chǎng)價(jià)不到40萬(wàn)元，二個(gè)月內(nèi)就能收回投資成本。
4.3 百吉餅面團(tuán)分切
人們喜歡英國(guó)bagel百吉餅廠(chǎng)生產(chǎn)的百吉餅，這是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、易于食用的零食，適合人們快節(jié)奏的生活方式，百吉餅廠(chǎng)渴望生產(chǎn)符合客戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)的百吉餅，因此寧愿百吉餅超重，也不能因欠重影響客戶(hù)的滿(mǎn)意度。然而，因百吉餅超重影響了廠(chǎng)家的利潤(rùn)率，而且重量過(guò)輕或過(guò)重使制造成型的圓圈形百吉餅外形不好看。所以需要控制工藝過(guò)程的面團(tuán)分切，但面臨的挑戰(zhàn)是復(fù)雜的，因?yàn)槊鎴F(tuán)在分切過(guò)程中有體積膨脹的趨勢(shì)，使面團(tuán)密度變小，這樣切除的面團(tuán)重量將變少。雖然分切機(jī)能切除體積幾乎完全相同的面團(tuán)塊，但在同一個(gè)批次開(kāi)始時(shí)切出的面團(tuán)還是比在該批次結(jié)束時(shí)切出的面團(tuán)重。
梅特勒-托利多的高速公司為廠(chǎng)家提供了檢重秤的解決方案：儲(chǔ)存面團(tuán)的料斗下有分切機(jī)，它將面團(tuán)分切成一塊塊大小、形狀相近的面團(tuán)塊，隨后分配到四條輸送生產(chǎn)線(xiàn)上。每條生產(chǎn)線(xiàn)每分鐘運(yùn)行75個(gè)百吉餅，系統(tǒng)總通過(guò)量為300pcs/min。多通道高速XS系列檢重機(jī)集成到生產(chǎn)線(xiàn)上，操作員使用一臺(tái)稱(chēng)重顯示器觸摸屏用戶(hù)界面可以監(jiān)視和控制四條生產(chǎn)線(xiàn)。高速檢重秤的數(shù)據(jù)可與分切機(jī)實(shí)時(shí)通信，并對(duì)分切機(jī)分切面團(tuán)的重量進(jìn)行調(diào)整。如檢重秤檢測(cè)出面團(tuán)的超重信號(hào)，將使分切機(jī)分切面團(tuán)重量減少，而檢測(cè)出面團(tuán)的欠重信號(hào)使分切機(jī)分切面團(tuán)重量增加。檢重秤的反饋信息發(fā)送到面團(tuán)分切機(jī)，使面團(tuán)分切機(jī)不受發(fā)酵影響，始終保持分切面團(tuán)重量的一致性。新系統(tǒng)能夠減少溢裝，減少不合格商品，提高效率。高速多通道檢重秤采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足并且超過(guò)了美國(guó)認(rèn)證的嚴(yán)格清潔和衛(wèi)生要求，它還符合高壓、高溫沖洗的嚴(yán)格IP-69K標(biāo)準(zhǔn)。
4.4 牛肉片托盤(pán)包裝
美國(guó)太平洋西北地區(qū)的客戶(hù)通過(guò)牛肉加工機(jī)械將牛肉切成片，然后由包裝機(jī)將牛肉片加到泡沫塑料托盤(pán)上，再送到外包裝機(jī)上將托盤(pán)打包，每個(gè)托盤(pán)中牛肉片的重量范圍為1.00 lbs～1.05 lbs。如果托盤(pán)重量合格，它將貼上標(biāo)簽裝箱出廠(chǎng)。如果托盤(pán)重量不合格，它就不貼標(biāo)簽，這個(gè)沒(méi)有標(biāo)簽的托盤(pán)將被自動(dòng)剔除。工作人員必須手動(dòng)將剔除后的包裝拆開(kāi)、泡沫塑料托盤(pán)丟棄，并將牛肉片返回。由于設(shè)備配置上的問(wèn)題，牛肉片包裝機(jī)和重量?jī)r(jià)格標(biāo)簽機(jī)之間的距離較大，以?xún)烧唛g的包裝托盤(pán)來(lái)計(jì)算，約有100個(gè)托盤(pán)。在如此大的距離內(nèi)，牛肉片包裝機(jī)和重量?jī)r(jià)格標(biāo)簽機(jī)之間建立反饋回路很難行得通，由此造成托盤(pán)的剔除率超過(guò)20%!
為減少返工需要的時(shí)間，客戶(hù)將托盤(pán)中牛肉片的重量設(shè)定為1.05 lbs以上，這樣就使托盤(pán)溢裝量加大。在包裝時(shí)間緊迫的情況下客戶(hù)甚至還會(huì)把重量設(shè)定上限提高到1.10 lbs，以確保剔除的包裝數(shù)量減少。由此造成商品溢裝的數(shù)量明顯增加，客戶(hù)因包裝的浪費(fèi)、過(guò)度耗去的勞動(dòng)力、超重的包裝返工和商品的溢裝而蒙受損失，他們一直在尋找更好的解決辦法。
客戶(hù)在牛肉片包裝機(jī)后面直接安裝了一臺(tái)美國(guó)VBS公司的檢重秤，與原來(lái)的牛肉片包裝機(jī)和重量?jī)r(jià)格標(biāo)簽機(jī)之間的距離有100個(gè)托盤(pán)相比，安裝檢重秤后的距離只有7個(gè)托盤(pán)。通過(guò)提供包裝重量趨勢(shì)的反饋，從而迅速改變每個(gè)托盤(pán)上的牛肉片的重量，這使得客戶(hù)可以快速及時(shí)地消除那些在包裝之前就已經(jīng)超重的托盤(pán)，從而大大減少了重量不合格的包裝。
安裝檢重秤后，只有不到2%的托盤(pán)超出重量范圍。返工量下降了95%!由此客戶(hù)實(shí)現(xiàn)了每年節(jié)省6.7萬(wàn)美元!而且這還不包括將商品從包裝中取出所耗費(fèi)的勞動(dòng)力費(fèi)用。此外，他們還將托盤(pán)中牛肉片的重量范圍調(diào)整到1.00 lbs～1.04 lbs，從而減少了28%的商品溢裝。每個(gè)托盤(pán)的平均重量為1.014 lbs～1.025 lbs。這種看似微小的重量差異導(dǎo)致了每年10.2萬(wàn)美元的收益。這個(gè)客戶(hù)每年總共得到近17萬(wàn)美元(不包括勞動(dòng)力費(fèi)用)的收益，在幾周內(nèi)就收回了檢重秤的投資。
5 結(jié)束語(yǔ)
檢重秤裝料過(guò)程的自動(dòng)控制一方面確保商品的凈重符合要求，另一方面又盡量減少商品的溢裝，以使企業(yè)效益最大化。而根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件采取的多種措施，可以使用戶(hù)達(dá)到這一目標(biāo)。
