昆山市拓恒機電有限公司
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1 概述
有些用袋、瓶、罐等包裝的商品要先進行裝料，然后在檢重秤上檢重，以確保商品包裝內的商品凈重值符合商品包裝上標注的商品重量。但由于裝料機機械特性變化、物料特性變化等原因，往每一份包裝容器內裝入的商品重量有可能發生變化，使得商品超重或欠重。超重過多影響企業的效益，而欠重將可能被用戶投訴，影響企業的信譽。
如果包裝的裝料過程中，商品是以液態或粉狀、小顆粒狀形態裝料，還可以通過檢重秤的實時測量值對裝料過程進行自動控制，以確保商品在包裝上標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
裝料機根據反饋信號進行自動控制時，將檢重秤的檢測數據與事先設定的商品稱重目標重量值比較，確定一個反饋信號送至控制器并通過執行機構調整裝料機的裝料量，從而減少商品重量誤差以及因裝料機裝料量漂移所產生的商品裝料量的變化（如圖1所示）。由于從裝料機裝好料的商品到達檢重秤要經過一段時間，所以稱重顯示器在作出對裝料機下一次裝料量調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：
連續裝料控制：這種連續控制系統可產生一個控制信號，其輸出正比于各件包裝重量和用戶設定的目標重量之間的差異，這是一套具有極快響應時間的調節系統。
平均裝料控制：平均裝料控制需先設置一段“持續時間”，可以用在該時間內通過的包裝數量來確定，比如通過量為120pcs/min時，如確定20個包裝通過，則“持續時間”為10s。控制系統通過10s持續時間內20個包裝的平均重量值計算，將它與用戶設定目標重量之間的差值比較后，產生一個校正信號，調整裝料頭的沖料量。該系統大多用于多裝料頭的裝料機。
2.2 裝料機反饋控制信號的種類
送到裝料機的反饋控制信號有三種：
模擬調制：模擬控制信號，如電壓或電流環控制信號。
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。
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時間變化的單脈沖。
2.3 雙檢重秤裝料反饋控制系統
當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，以進行裝料凈重的檢測。裝料凈重的檢測數據作為反饋信號輸入裝料機，從而實現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 標準自動控制過程
在裝料機的反饋自動控制過程中，檢重秤和裝料機是在連續不斷地通信，如果檢測到商品重量出現偏差，在對生產產生大的負面影響之前，就開始對裝料機的裝料量進行調整，以確保可以糾正偏差帶來的影響。以下是檢重秤向裝料機發出反饋信號并進行自動控制過程的幾個步驟[90]:
步驟1-裝料機發生偏差
步驟1顯示檢重秤檢測到裝料機的裝料量向減少方向發生偏差（如圖3所示），如果這種趨勢繼續下去，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-向裝料機發出反饋信號
步驟2顯示檢重秤的反饋信號發送到裝料機，以調整裝料量（如圖4所示）。但存在一段滯后時間，在這段時間內檢重秤不會再指導裝料機進行調整。
圖3 裝料機發生偏差 下載原圖
圖4 檢重秤向裝料機發出反饋信號 下載原圖
步驟3-在滯后時間后裝料機改變裝料量
步驟3顯示滯后時間等于裝料機改變裝料量后的商品到達檢重秤花費的時間（如圖5所示），超過滯后時間，裝料機改變了裝料量，商品重量恢復正常（正常的商品上打上了勾號）。
圖5 在滯后時間后裝料機改變裝料量 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
當生產線的輸送速度不變時，如果裝料機和檢重秤之間的距離增加，更多的包裝將位于裝料機和檢重秤之間，上面提到的滯后時間將延長。所以在理想情況下，檢重秤應該緊靠裝料機安裝，可對裝料重量變化作出最直接、最快速的反應。
反饋控制旨在顯示隨著時間的推移調整裝料器的沖料量，有可能調整量不是一次到位，則可以通過逐次逼近的方式進行調整（如圖7所示）。
圖7 反饋控制趨勢圖 下載原圖
4 反饋控制應用例
4.1 牛奶灌裝
國內某集團公司液態奶500g包裝的出廠標準是帶包裝508g，生產工藝控制指標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備，灌裝機為利樂公司商品，用手動旋鈕和拉線對機械裝置的包裝量進行微調。采用德國碧彩公司CWM750檢重秤進行自動控制試驗，首先進行檢重秤測試，得到的重量分布曲線數據接近理想的正態分布，標準偏差約為1g。自動控制試驗時目標重量值設定為510.3g，上限限位值TO1設定為512.6g，下限限位值TU1設定為508g。當通過檢重秤反饋信號自動控制灌裝機灌裝量的試驗投入后，灌裝量的自動調整是由步進電機帶動絲杠并調節撥桿實現的（如圖8所示）。試驗結果表明：牛奶灌裝量的平均值降低到510.299g，波動幅度降低到8g，平均每袋牛奶可節省4g，經濟效益可觀。
圖8 液態奶灌裝反饋控制系統示意圖 下載原圖
1-檢重秤2-稱重顯示器3-根據重量偏差發出脈沖個數不同的信號4-控制系統PLC+HMI 5-步進電機6-連桿7-灌裝量調節撥桿8-利樂包裝機
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，準確度為0.1g。在牙膏灌裝線上增加檢重秤設備，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。反饋設置的上限范圍介于標準值容許偏差上限至剔除上限值；反饋控制下限范圍介于標準值容許偏差下限至剔除下限值（如圖10所示）。根據最新采樣隊列數據的實際平均重量值，求得反饋誤差調整值的脈沖寬度。
圖9 牙膏灌裝生產線上的雙通道檢重秤 下載原圖
圖1 0 反饋控制調節范圍 下載原圖
反饋上/下限輸出采用繼電器脈沖輸出，接入灌裝機的開關量輸入，控制伺服電機，改變控制螺距，進而改變灌裝牙膏量。比如當監測到牙膏重量采樣值向下漂移時，檢重秤輸出調整信號送到灌裝機，調大灌裝牙膏量；在灌裝機調整灌裝牙膏量的過程中，檢重秤不再發出調整信號；待灌裝機調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得到修正；如果牙膏重量采樣值達不到質量規定要求，檢重秤可再次輸出調整信號到灌裝機。在沒有增加反饋控制之前，寶潔為了避免由于灌裝系統誤差導致牙膏欠重，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，二個月內就能收回投資成本。
4.3 百吉餅面團分切
人們喜歡英國bagel百吉餅廠生產的百吉餅，這是一種經濟實惠、易于食用的零食，適合人們快節奏的生活方式，百吉餅廠渴望生產符合客戶標準的百吉餅，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分切，但面臨的挑戰是復雜的，因為面團在分切過程中有體積膨脹的趨勢，使面團密度變小，這樣切除的面團重量將變少。雖然分切機能切除體積幾乎完全相同的面團塊，但在同一個批次開始時切出的面團還是比在該批次結束時切出的面團重。
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：儲存面團的料斗下有分切機，它將面團分切成一塊塊大小、形狀相近的面團塊，隨后分配到四條輸送生產線上。每條生產線每分鐘運行75個百吉餅，系統總通過量為300pcs/min。多通道高速XS系列檢重機集成到生產線上，操作員使用一臺稱重顯示器觸摸屏用戶界面可以監視和控制四條生產線。高速檢重秤的數據可與分切機實時通信，并對分切機分切面團的重量進行調整。如檢重秤檢測出面團的超重信號，將使分切機分切面團重量減少，而檢測出面團的欠重信號使分切機分切面團重量增加。檢重秤的反饋信息發送到面團分切機，使面團分切機不受發酵影響，始終保持分切面團重量的一致性。新系統能夠減少溢裝，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構，滿足并且超過了美國認證的嚴格清潔和衛生要求，它還符合高壓、高溫沖洗的嚴格IP-69K標準。
4.4 牛肉片托盤包裝
美國太平洋西北地區的客戶通過牛肉加工機械將牛肉切成片，然后由包裝機將牛肉片加到泡沫塑料托盤上，再送到外包裝機上將托盤打包，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，它將貼上標簽裝箱出廠。如果托盤重量不合格，它就不貼標簽，這個沒有標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。由于設備配置上的問題，牛肉片包裝機和重量價格標簽機之間的距離較大，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，牛肉片包裝機和重量價格標簽機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定上限提高到1.10 lbs，以確保剔除的包裝數量減少。由此造成商品溢裝的數量明顯增加，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和重量價格標簽機之間的距離有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%!由此客戶實現了每年節省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，在幾周內就收回了檢重秤的投資。
5 結束語
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，以使企業效益最大化。而根據生產現場實際條件采取的多種措施，可以使用戶達到這一目標。
