1引言
包裝行業是直接為提高人民生活質量服務的新興行業。隨著社會發展、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,與人民生活和工農業生產密切相關的粉粒狀物料,如洗衣粉等生活日用品,食鹽、味精等日用食品,麥片等營養食品,板蘭根等藥品,種子、化肥、農藥、化工原料等工農業生產用品,都需要精確定量包裝。目前國內大量采用手工定量充填包裝,勞動強度大,速度慢,經濟效益差。同時粉粒狀物料飛濺嚴重,造成工作環境惡劣,汙染嚴重。此外食品、藥品手工包裝往往不能滿足衛生要求,有毒有害的物品手工包裝容易對人體造成傷害。因此大量物料需要采用全自動定量包裝。
目前我國粉粒狀物料小劑量的全自動立式包裝機比較成熟,而中、大劑量全自動立式包裝機與國外先進產品存在一定差距[1]。在保證包裝質量基礎上,包裝速度往往較低。其中一個重要原因是與其所采用的自動定量方式有關。目前粉粒狀物料中、大劑量自動定量有容積式、稱重式和混合式三種方式[2]。其中容積式是基於容積來計量物料的數量,其結構簡單,定量速度較高並工作穩定,可達40包/分左右,但因受物料鬆散程度、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,定量精度在±3左右,在精度上難以滿足目前大批量高精度定量包裝的要求。稱重式和混合式是以重量來計量物料的數量,定量精度較高,可達±1.5以上,但定量速度變化範圍大,與包裝機協調配合困難,速度在20到30包/分左右,在速度上難以滿足目前大批量高精度定量包裝的要求,如采用多組定量裝置提高速度,則結構龐大而複雜,不便粉粒狀物料清理[3]。本文擬通過對全自動立式包裝機工藝過程及其控製係統的研究,簡化自動定量部分與包裝機協調配合關係,適應稱重式和混合式自動定量生產節拍變化特點,提高包裝速度和包裝質量。
2全自動立式包裝機工藝過程分析全自動立式包裝機的工藝過程包括:卷膜牽引、打印、袋成型、縱封、充填、橫封、剪切及成品計數等。同時自動定量部分完成物料輸送、加料、計量及投料等工作。現以混合式自動定量方式為例,分析以上兩部分的協調配合關係。其工藝時序如表1所示。

混合式自動定量由單片機控製,采用兩級容積式快速給料,一次精確快速靜態稱重[4]。定量充填循環過程為:接收到包裝機定量充填指令後,首先通過粗給料器或粗細給料器一起快速往稱量料鬥粗加料,經時間T1（約500ms),加入目標量的大部分（一般在90左右);穩定一定時間後精確快速靜態稱重,確定剩餘的小部分量,並換算成細給料器細加料時間T3,穩定稱重需時間T2（約400ms);最後向包裝機返回物料充填信號,通過細給料器細加料剩餘的小部分量,同時控製稱量料鬥投料機構打開投料門,細加料最大時間T3max約600ms。結束後,關閉投料門,並且在接收到包裝機下一個定量充填指令後,進入下一個定量充填循環過程。物料下落到包裝機橫封口位置需時間T4（約400ms),與物料下落高度有關,在物料下落高度一定情況下,T4是固定不變的。在定量充填循環過程中物料輸送根據料位高低檢測信號控製啟動、停止。一個工作循環周期T=T1+T2+T3max（約1500ms),不受T3變化影響。
全自動立式包裝機采用PLC控製。袋成型、充填、封口包裝循環過程為:首先向自動定量部分發出定量充填指令,在收到物料充填返回信號,並經定時器定時固定不變的時間T4後,再次向自動定量部分發出定量充填指令,再經橫封T5（約700ms)、縱封T6（約500ms)、打印日期T7（約200ms),剪切及成品計數T（約200ms);冷卻T（約200ms);最後牽引卷膜袋成型T10（約600ms)。在協調配合過程中,包裝機根據自動定量部分返回物料充填信號定時T4後,進入橫封、縱封等工序,確保橫封既不過早,產生夾料,也不過遲,產生物料對橫封口衝擊問題。進入橫封、縱封等工序的時間可通過改變冷卻時間T9進行調整,以保證牽引卷膜袋成型時間T10。同樣一個工作循環周期T=T5+T9+T10（約1500ms),不受T3變化影響,從而使包裝速度達40包/分左右。
3全自動立式包裝機控製係統
全自動立式包裝機以PLC控製係統作為主控製器。自動定量部分以單片機控製係統作為從控製器。通過PLC發出定量充填指令和單片機返回物料充填信號,協調兩部分工作節拍。
PLC控製係統采用三菱電機的FX2N係列可編程序控製器,且選用AC電源,DC24V電源輸入,晶體管輸出。FX2N係列是小型化、高速度、高性能的超小型程序裝置。係統配製既固定又靈活,可進行16點到256點的靈活輸入輸出;編程簡單,有27種基本指令,2種步進梯形指令,128種應用指令,包括高速處理指令、便利指令、數據處理指令、特殊用途指令及外部設備通信指令等;有多種機型,可根據點數、電源及輸出形式選擇;程序容量內置8000步,有豐富軟元件、高速計數器及50us短脈衝讀取;可用RS-485通信同個人電腦等計算機或其它FX係列PLC連接;多種外部數據存取單元,從簡單的單色LCD顯示器按鍵,到功能強的彩色觸摸屏。應用基本單元配製組成如圖1所示。
袋成型、充填、封口包裝機控製係統輸入信號有:卷膜預備長上限位置接近開關檢測,卷膜預備長下限位置接近開關檢測,卷膜跑偏左限位置光電開關檢測,卷膜跑偏右限位置光電開關檢測,卷膜袋長色標光電開關檢測,無卷膜微動開關檢測,安全門關閉檢測,定量充填部分返回物料充填信號各1點及其它備用2點,共計10點。輸出信號有:卷膜助牽引啟動或停止控製,卷膜架對中左移控製,卷膜架對中右移控製,卷膜牽引停止防止過衝製動控製,卷膜牽引輥脫開控製,卷膜牽引輥壓上控製,卷膜橫封控製,卷膜橫封結束空氣冷卻控製,卷膜縱封控製,卷膜縱封結束空氣冷卻控製,卷膜切刀控製,打印機工作控製,除塵抽氣泵工作控製,充氮氣氣閥控製,製作角袋機構控製,控製定量充填指令,聲光報警控製各1點及其它備用3點,共計20點。因此選用輸入24點、輸出24點的FX2N-48MT型號PLC基本單元。
單片機控製係統采用AT89C52單片機,並有一路高速的稱重數據采集通道和若幹位並行輸入、輸出通道,如圖2所示[5]。單片機控製係統除了有AT89C52、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外,還包括:
（1)14位高速串行輸出模/數轉換器MAⅩ121芯片。它是低溫漂、低信噪比,轉換速度快,轉換時間僅為2X9﹒s,讀取時間僅400ns,輸入電壓範圍5～15V,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;
（2)儀表放大器AD623芯片。它是采用厚模工藝製作的集成儀表放大器,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等特點,輸入電壓範圍大,執行時間20﹒s,放大誤差小,能夠提供很好的線性度、溫度穩定性、可靠性,對稱重傳感器的微弱的電信號進行放大;
（3)集看門狗定時器、電壓監控和EEPROM功能於一體的Ⅹ5045芯片。它的存儲器部分是COMS的4096位串行EEPROM,內部按512*8位組織,允許簡單的三線總線工作的串行外設接口（SP1)和軟件協議。用於存放運行參數如采樣速率、采樣點數、定量目標重、定量允許誤差、傳感器量程及標定係數等。
自動定量充填部分輸入信號有:充填機料倉料位檢測,安全門關閉檢測,定量盤稱重位檢測,定量盤投料位檢測,包裝機定量充填指令信號檢測各1點,備用1點,共計6點。輸出信號有:振動給料器控製加料4點,定量盤稱重位和投料位控製,聲光報警控製,返回包裝機物料充填信號各1點,備用3點,共計10點。因此單片機控製係統設計有6點輸入信號,10點輸出信號。稱重傳感器6點輸入信號10點輸入信號.

4全自動立式包裝機控製係統軟件

全自動立式包裝機控製係統軟件包括PLC控製係統軟件和單片機控製係統軟件。由於PLC發出定量充填指令時,單片機可能正在控製細給料器細加料,處於T3時間階段,因此單片機接受PLC定量充填指令必須采用中斷方式。使用外部中斷0,邊沿觸發,中斷服務程序流程圖如圖3所示。同樣單片機返回物料充填信號時,PLC正在控製牽引卷膜袋成型,處於T10時間階段,因此PLC接受單片機返回物料充填信號也必須采用中斷方式,中斷服務程序流程圖如圖4所示。
5結論
通過對全自動立式包裝機工藝過程及其控製係統的研究,簡化了自動定量部分與包裝機協調配合關係,適應稱重式和混合式自動定量生產節拍變化特點,在不增加機械結構複雜程度、係統成本基礎上,提高了包裝速度和包裝質量,速度達40包/分左右,精度達±5%以上.
 

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