昆山市拓恒機(jī)電有限公司
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江蘇省昆山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)
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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。超重過多影響企業(yè)的效益，而欠重將可能被用戶投訴，影響企業(yè)的信譽。
如果包裝的裝料過程中，商品是以液態(tài)或粉狀、小顆粒狀形態(tài)裝料，還可以通過檢重秤的實時測量值對裝料過程進(jìn)行自動控制，以確保商品在包裝上標(biāo)注的商品重量同時又不過多超重。
2 檢重秤裝料的自動控制
裝料機(jī)根據(jù)反饋信號進(jìn)行自動控制時，將檢重秤的檢測數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的商品稱重目標(biāo)重量值比較，確定一個反饋信號送至控制器并通過執(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)過一段時間，所以稱重顯示器在作出對裝料機(jī)下一次裝料量調(diào)整的控制運算要延時。
圖1 檢重秤裝料自動控制原理示意圖 下載原圖
2.1 裝料控制的基本類型
有兩種基本類型的裝料控制可以在檢重秤上運行，它們是：
連續(xù)裝料控制：這種連續(xù)控制系統(tǒng)可產(chǎn)生一個控制信號，其輸出正比于各件包裝重量和用戶設(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)時間”，可以用在該時間內(nèi)通過的包裝數(shù)量來確定，比如通過量為120pcs/min時，如確定20個包裝通過，則“持續(xù)時間”為10s。控制系統(tǒng)通過10s持續(xù)時間內(nèi)20個包裝的平均重量值計算，將它與用戶設(shè)定目標(biāo)重量之間的差值比較后，產(chǎn)生一個校正信號，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)反饋控制信號的種類
送到裝料機(jī)的反饋控制信號有三種：
模擬調(diào)制：模擬控制信號，如電壓或電流環(huán)控制信號。
脈沖頻率：控制信號為基于重量偏差方向和幅值的一系列輸出脈沖數(shù)。
脈沖時間：控制信號為基于重量偏差方向和幅值輸出脈沖持續(xù)時間變化的單脈沖。
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，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，信號傳送到檢重秤2的稱重顯示器上，以進(jìn)行裝料凈重的檢測。裝料凈重的檢測數(shù)據(jù)作為反饋信號輸入裝料機(jī)，從而實現(xiàn)裝料凈重的實時控制。
圖2 雙檢重秤裝料量自動控制原理示意圖 下載原圖
3 標(biāo)準(zhǔn)自動控制過程
在裝料機(jī)的反饋自動控制過程中，檢重秤和裝料機(jī)是在連續(xù)不斷地通信，如果檢測到商品重量出現(xiàn)偏差，在對生產(chǎn)產(chǎn)生大的負(fù)面影響之前，就開始對裝料機(jī)的裝料量進(jìn)行調(diào)整，以確保可以糾正偏差帶來的影響。以下是檢重秤向裝料機(jī)發(fā)出反饋信號并進(jìn)行自動控制過程的幾個步驟[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）。
步驟2-向裝料機(jī)發(fā)出反饋信號
步驟2顯示檢重秤的反饋信號發(fā)送到裝料機(jī)，以調(diào)整裝料量（如圖4所示）。但存在一段滯后時間，在這段時間內(nèi)檢重秤不會再指導(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 下載原圖
步驟3-在滯后時間后裝料機(jī)改變裝料量
步驟3顯示滯后時間等于裝料機(jī)改變裝料量后的商品到達(dá)檢重秤花費的時間（如圖5所示），超過滯后時間，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）。
圖5 在滯后時間后裝料機(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)線的輸送速度不變時，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，上面提到的滯后時間將延長。所以在理想情況下，檢重秤應(yīng)該緊靠裝料機(jī)安裝，可對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 反饋控制趨勢圖 下載原圖
4 反饋控制應(yīng)用例
4.1 牛奶灌裝
國內(nèi)某集團(tuán)公司液態(tài)奶500g包裝的出廠標(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，波動幅度為17.5g。原工藝過程無檢重設(shè)備，灌裝機(jī)為利樂公司商品，用手動旋鈕和拉線對機(jī)械裝置的包裝量進(jìn)行微調(diào)。采用德國碧彩公司CWM750檢重秤進(jìn)行自動控制試驗，首先進(jìn)行檢重秤測試，得到的重量分布曲線數(shù)據(jù)接近理想的正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1g。自動控制試驗時目標(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)通過檢重秤反饋信號自動控制灌裝機(jī)灌裝量的試驗投入后，灌裝量的自動調(diào)整是由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠并調(diào)節(jié)撥桿實現(xiàn)的（如圖8所示）。試驗結(jié)果表明：牛奶灌裝量的平均值降低到510.299g，波動幅度降低到8g，平均每袋牛奶可節(jié)省4g，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
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-稱重顯示器3-根據(jù)重量偏差發(fā)出脈沖個數(shù)不同的信號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)線上安裝了雙通道檢重秤，用于檢測和控制牙膏重量（如圖9所示）。
牙膏稱量范圍10g～250g，最大長寬分別為220mm、40mm，通過量為120pcs/min，準(zhǔn)確度為0.1g。在牙膏灌裝線上增加檢重秤設(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)最新采樣隊列數(shù)據(jù)的實際平均重量值，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)測到牙膏重量采樣值向下漂移時，檢重秤輸出調(diào)整信號送到灌裝機(jī)，調(diào)大灌裝牙膏量；在灌裝機(jī)調(diào)整灌裝牙膏量的過程中，檢重秤不再發(fā)出調(diào)整信號；待灌裝機(jī)調(diào)整灌裝牙膏量以后的牙膏通過檢重秤時，可以看到牙膏重量采樣值向下漂移的趨勢已經(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)整信號到灌裝機(jī)。在沒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。按照通過量120pcs/min計算，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120萬支牙膏。以每支牙膏2元成本計算，年減少損失240萬元，一臺高速高精度檢重秤市場價不到40萬元，二個月內(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bagel百吉餅廠生產(chǎn)的百吉餅，這是一種經(jīng)濟(jì)實惠、易于食用的零食，適合人們快節(jié)奏的生活方式，百吉餅廠渴望生產(chǎn)符合客戶標(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的滿意度。然而，因百吉餅超重影響了廠家的利潤率，而且重量過輕或過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程的面團(tuán)分切，但面臨的挑戰(zhàn)是復(fù)雜的，因為面團(tuán)在分切過程中有體積膨脹的趨勢，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，但在同一個批次開始時切出的面團(tuán)還是比在該批次結(jié)束時切出的面團(tuán)重。
梅特勒-托利多的高速公司為廠家提供了檢重秤的解決方案：儲存面團(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)線上。每條生產(chǎn)線每分鐘運行75個百吉餅，系統(tǒng)總通過量為300pcs/min。多通道高速XS系列檢重機(jī)集成到生產(chǎn)線上，操作員使用一臺稱重顯示器觸摸屏用戶界面可以監(jiān)視和控制四條生產(chǎn)線。高速檢重秤的數(shù)據(jù)可與分切機(jī)實時通信，并對分切機(jī)分切面團(tuán)的重量進(jìn)行調(diào)整。如檢重秤檢測出面團(tuán)的超重信號，將使分切機(jī)分切面團(tuán)重量減少，而檢測出面團(tuán)的欠重信號使分切機(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)，滿足并且超過了美國認(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 牛肉片托盤包裝
美國太平洋西北地區(qū)的客戶通過牛肉加工機(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上，再送到外包裝機(jī)上將托盤打包，每個托盤中牛肉片的重量范圍為1.00 lbs～1.05 lbs。如果托盤重量合格，它將貼上標(biāo)簽裝箱出廠。如果托盤重量不合格，它就不貼標(biāo)簽，這個沒有標(biāo)簽的托盤將被自動剔除。工作人員必須手動將剔除后的包裝拆開、泡沫塑料托盤丟棄，并將牛肉片返回。由于設(shè)備配置上的問題，牛肉片包裝機(jī)和重量價格標(biāo)簽機(jī)之間的距離較大，以兩者間的包裝托盤來計算，約有100個托盤。在如此大的距離內(nèi)，牛肉片包裝機(jī)和重量價格標(biāo)簽機(jī)之間建立反饋回路很難行得通，由此造成托盤的剔除率超過20%!
為減少返工需要的時間，客戶將托盤中牛肉片的重量設(shè)定為1.05 lbs以上，這樣就使托盤溢裝量加大。在包裝時間緊迫的情況下客戶甚至還會把重量設(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，客戶因包裝的浪費、過度耗去的勞動力、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。
客戶在牛肉片包裝機(jī)后面直接安裝了一臺美國VBS公司的檢重秤，與原來的牛肉片包裝機(jī)和重量價格標(biāo)簽機(jī)之間的距離有100個托盤相比，安裝檢重秤后的距離只有7個托盤。通過提供包裝重量趨勢的反饋，從而迅速改變每個托盤上的牛肉片的重量，這使得客戶可以快速及時地消除那些在包裝之前就已經(jīng)超重的托盤，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%的托盤超出重量范圍。返工量下降了95%!由此客戶實現(xiàn)了每年節(jié)省6.7萬美元!而且這還不包括將商品從包裝中取出所耗費的勞動力費用。此外，他們還將托盤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。每個托盤的平均重量為1.014 lbs～1.025 lbs。這種看似微小的重量差異導(dǎo)致了每年10.2萬美元的收益。這個客戶每年總共得到近17萬美元(不包括勞動力費用)的收益，在幾周內(nèi)就收回了檢重秤的投資。
5 結(jié)束語
檢重秤裝料過程的自動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)場實際條件采取的多種措施，可以使用戶達(dá)到這一目標(biāo)。
