摘要:以糧食包裝機(jī)為研究對象，選擇了螺旋秤作為送料計(jì)量設(shè)備，設(shè)計(jì)了包裝計(jì)量裝置的整體結(jié)構(gòu)和機(jī)械部分;然后，從伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動方面，設(shè)計(jì)了自動包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型;最后，從硬軟兩方面實(shí)現(xiàn)了基于PCL的全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi)，準(zhǔn)確率滿足設(shè)計(jì)的千分之五要求，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　關(guān)鍵詞:糧食包裝機(jī);螺旋秤;包裝計(jì)量;伺服系統(tǒng);PLC

　　0引言

　　國內(nèi)糧食包裝企業(yè)大多采用人工加簡易包裝機(jī)進(jìn)行粗放式半自動閥口包裝，包裝時灰塵飛揚(yáng)、污染較嚴(yán)重，且用工較多、勞動強(qiáng)度較大。因此，全自動糧食包裝設(shè)備不僅可以減少糧食包裝環(huán)節(jié)對環(huán)境的污染，防止工人塵肺病的發(fā)生，有效替代人工在惡劣環(huán)境下的工作，減少用工量，降低勞動強(qiáng)度，還能夠帶動傳統(tǒng)包裝機(jī)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，提高糧食包裝廠家的生產(chǎn)效率。為此，以PLC為主控制器，設(shè)計(jì)了一套全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效減少糧食的包裝誤差。

　　1精密包裝機(jī)的工作原理

　　1.1包裝計(jì)量設(shè)備的選擇

　　目前，市場上常用的包裝計(jì)量設(shè)備有定量給料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤和螺旋秤3種。其中，螺旋秤是指稱重給料機(jī)對粉狀、散粒狀進(jìn)行連續(xù)輸送、動態(tài)計(jì)量及控制給料的生產(chǎn)計(jì)量設(shè)備。螺旋秤工作原理為:通過對絞刀轉(zhuǎn)動速度和圈數(shù)的控制，確定排出的物料體積，同時稱重傳感器對已包裝入袋的物料質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時檢測;然后，將質(zhì)量信號和和絞刀速度數(shù)據(jù)一起送入PLC控制器;最后，控制系統(tǒng)將實(shí)際流量信號和預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，并通過PID控制器驅(qū)動變頻器，動態(tài)調(diào)節(jié)喂料絞刀的速度，從而實(shí)現(xiàn)定量給料。根據(jù)全自動糧食精密包裝機(jī)生產(chǎn)線配重系統(tǒng)的要求，本文選用螺旋秤作為系統(tǒng)送料計(jì)量設(shè)備。

　　1.2包裝計(jì)量裝置的整體結(jié)構(gòu)

　　包裝計(jì)量裝置主要包括原料倉、伺服電機(jī)、螺旋送料機(jī)、秤臺和PLC控制系統(tǒng)等部件。定量配重裝置各零部件的功能描述如下:1)原料倉:待包裝糧食進(jìn)入口;2)伺服電機(jī):驅(qū)動螺旋送料機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn);3)螺旋送料機(jī):將糧食從原料倉輸送到包裝袋;4)秤臺:將包裝袋里面的糧食質(zhì)量實(shí)時發(fā)送給嵌入式控制系統(tǒng);5)PLC控制系統(tǒng):根據(jù)秤臺實(shí)時發(fā)送回來的糧食質(zhì)量信號，給伺服電機(jī)發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，從而實(shí)現(xiàn)螺旋送料機(jī)加料量的智能控制。

　　1.3包裝計(jì)量裝置的工作原理

　　包裝計(jì)量裝置的整個工程流程由PLC控制器控制，自動完成糧食的計(jì)量和包裝。整個工作流程為:系統(tǒng)開始正常工作后，由上級供料系統(tǒng)向原料倉供料;PLC控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的包裝袋質(zhì)量、目標(biāo)定量值和快慢給料閾值信息，驅(qū)動伺服電機(jī)控制螺旋送料機(jī)開始進(jìn)行快速給料操作;秤臺獲取包裝袋已裝物料的模擬質(zhì)量信息，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等操作，發(fā)送至PLC控制器，由其判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的快速給料閾值;若達(dá)到快速給料閾值，則螺旋送料機(jī)開始進(jìn)行慢速給料操作，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)定量值后，停止給料;該包裝過程結(jié)束，開啟下一包裝過程。

　　1.4包裝計(jì)量裝置機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

　　包裝計(jì)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的核心部分，該部分設(shè)計(jì)的合理性和效率對整個系統(tǒng)的成本、可行性和精確度具有重要的影響。包裝計(jì)量裝置機(jī)械部分包括送料機(jī)、計(jì)量設(shè)備及嵌入式控制器等。其中，計(jì)量設(shè)備是定量配重裝置機(jī)械部分最重要的部件，而螺旋桿是計(jì)量設(shè)備的核心。螺旋秤在糧食包裝計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用中，最重要的零件是螺桿。螺旋秤中的螺桿，應(yīng)該使設(shè)備符合大部分糧食的精密包裝，因此在對螺桿的設(shè)計(jì)中不僅要滿足設(shè)備對產(chǎn)量和要求，還要符合設(shè)備關(guān)于精度的要求。

　　2全自動糧食精密包裝機(jī)伺服系統(tǒng)的建模

　　2.1伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動的數(shù)學(xué)模型

　　伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)、聯(lián)軸器、螺旋和定位螺旋絲桿等幾個部分。伺服電機(jī)的角位移量是傳動結(jié)構(gòu)的輸入值，記為θM(t);伺服電機(jī)帶出的糧食體積是傳動結(jié)構(gòu)的輸出值，記為v0(t)。

　　3電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　PLC是全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心控制器件，其動作傳輸信號采用按鈕、位置開關(guān)直接和PLC輸入端相連，控制性能可靠。根據(jù)對系統(tǒng)的分析與研究，該系統(tǒng)總共需要12個輸入點(diǎn)和8個輸出點(diǎn)�？紤]到系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，本文選用西門子公司的S7-200控制器。

　　3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的工藝流程和控制過程可知其采用順序控制，因此本文PLC軟件設(shè)計(jì)采用順序控制法，控制程序包括手動和全自動兩種模式。

　　4測試與分析

　　為了檢測基于PLC的全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的精確度，采用該設(shè)備進(jìn)行了小麥的包裝試驗(yàn)。為了提高試驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性，一共進(jìn)行了10次測試，全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi)，準(zhǔn)確率滿足設(shè)計(jì)的千分之五要求，大大提高了全自動糧食包裝機(jī)的計(jì)量精度，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　5結(jié)論

　　針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)包裝產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展需求，以糧食包裝機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)了基于PLC的全自動糧食自動包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用螺旋秤作為送料計(jì)量設(shè)備，并根據(jù)定量配重裝置的整體結(jié)構(gòu)與工作原理，設(shè)計(jì)了定量配重裝置機(jī)械部分，建立了自動包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型，從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:全自動糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi)，準(zhǔn)確率滿足設(shè)計(jì)的5‰要求，大大提高了全自動糧食包裝機(jī)的計(jì)量精度，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]張友貴.磨盤式量杯充填裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].包裝與食品機(jī)械，2017，35(3):25-29.

　　[2]申童.自動顆粒包裝機(jī)傳動及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].唐山:華北理工大學(xué)，2017.

　　[3]鄭兆啟，李樹君，王冰，等.鮮切果蔬包裝機(jī)輸送機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(7):252-258.

　　[4]徐海飛.高速小袋包裝機(jī)控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[D].天津:天津科技大學(xué)，2016.

　　[5]呂瑟，成思源，楊雪榮，等.基于功能分析系統(tǒng)技術(shù)與TRIZ的牙簽包裝機(jī)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2015，36(20):65-69.

　　[6]劉海生，張俊，李菡，等.全自動立式顆粒包裝機(jī)傳動系統(tǒng)及橫封機(jī)構(gòu)的改進(jìn)與仿真[J].食品與機(jī)械，2015，31(4):94-96，137.

　　[7]劉志剛，趙曉燕.基于加工中心的伺服進(jìn)給系統(tǒng)定位精度分析[J].裝備制造技術(shù)，2014(12):159-161.

　　相關(guān)刊物推薦：食品與機(jī)械(雙月刊)創(chuàng)刊于1985年，由長沙理工大學(xué)湘潭市食品機(jī)械總廠主辦。獲獎情況：一級期刊。