FFS包装机伺服电子定量秤研究

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第 29卷第 4期2 0 1 3年 7月00D＆m Cm RY VoL 29，No.4Ju1.2 o 1 3FFS包装机伺服电子定量秤研究Design of electronic servo quantitative scale for FFS packaging machine李光乐LI Guang-le(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)(School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University ofTechnology，Guangzhou，Guangdong 510640，China)摘要：针对 FFS包装机定量秤工作效率低 、称量误差大的问题 ，设 计 -种 基 于称 重控 制 器 、PLC和 给料 伺服 驱 动 器 的FFS包装机伺服 电子定量秤 。确 定伺服 电子 定量秤的结构 、工作原理及以称重控 制器、PLC和给料伺服驱动器为主要控制器件的控 制 系统。试 验验 证 表 明，称 重标 准 重量 为25 kg/袋时，本 设 备 称 重 能 力 为 1 800袋/h，单 袋误 为(-15～35)g，20袋平均误 差15 g/袋，相对误 差为0.06 ；与原设备相 比，该设备称 重能力提 高了 12.5 ；称重相对误差减 小 了 0.04Yo，完全 能够达 到 电子秤衡 器误，差 要求，系统运行稳 定，效果显著 。 /关键词 ：称 重控制 器；PLC；给料伺服驱动器 ；包装机 ；伺服 电子定量秤 ；设计Abstract：FFS packaging machine quantitative scale is low efficiencyand weighing error.According to the defects at present，a new elec-tronic servo quantitative scale was designed based on weighing con-troller，PLC，feeding servo drive，and the structures，working prin-ciple and control system were determined.The experimental verifica-tion showed that：the weighing capacity of the electronic servo quantitative scale could reach 1 800 bags/h，with single bag error-1 5 gto35 g，the average error of 20 bags15 g/bag，the relative error0.06%，when the standard weight was 25 kg/bag.Compared withthe original equipment，the weighing capacity of the electronic servoquantitative scale increased of 1 2.5 ，the relative error was reducedby 0.O4 .The electronic servo quantitative scale is fully able tomeet the requirements of electronic scales weighing error，with stable system and significant effect。

Keywords：weighing controller；PLC；feeding servo drive；packagingmachine；electronic servo quantitative scale；designFFS包装机是集成型(forming)-填充(filling)-封合(sealing)为-体的典型的机电-体化设备，能同时实现物料作者简介：李光乐(1990-)，男，华南理工大学在读硕士研究生。

E-mail：hnrlgl###163.corn收稿日期：2013-04-O8118的称重、制袋、装袋、封口(底封、脚封和顶封)等作业的全自动化包装机。定量秤是 FFS包装机的关键部件，也是物料实现精确包装的关键 ～ 。在物料称重过程 中，机械动作、物料落差、控制器反应速度、物料冲击、料流变化等均可产生称重误差。传统的气动驱动机构及其控制器所引起的开合动作缓慢、定位不精确、开口大小变化不连续等故障，是导致定量秤称重误差大、工作效率低的根本原因 ]。为解决此问题 ，本研究设计了 FFS包装机伺服电子定量秤。伺服电子定量秤采用称重控制器、PLC和给料伺服驱动器为主要控制器件，称重控制器检测称重传感器的信号，将动作指令发送给PLC，PLC负责控制伺服减速电机驱动给料机构的动作，加快落料闸门的开启和闭合速度 ，同时使落料闸门在工作过程中开口大小连续变化 ，并且在称重过程中总是能从秤体的中心给料，使物料在秤体 内分布均匀，而且在给料阶段可以减少对秤体的冲击，以此达到提高称量速度、精度的目的。

l 伺服电子定量秤结构设计及工作原理伺服电子定量秤结构简图如图 1所示，主要由伺服减速电机、称重传感器、翻门气缸 、落料箱、落料箱闸门、称重箱、称重箱翻门、机架等组成。该电子秤为单秤结构，由称重箱吊挂在机架上吊挂称重。伺服减速电机控制落料 闸门的开闭，翻门气缸控制称重箱翻门开闭。

首先，粗给料 ，伺服电子定量秤称重箱翻门关闭，落料箱闸门在伺服减速电机的作用下完全打开，物料落人称重箱，开始粗给料。此时，传感器开始工作 ，将采集的重量信号转变成电压信号输出。当称量输出值达到设定的粗给量值时，落料箱闸门关校然后，通过细流 口进行精给料，当称重输出值达到额定重量值时，落料闸门完全关闭。当物料称重完毕，称重箱 翻门完全打开，开 始卸料 ，物料全 部落人包装袋 中。

但是 ，当落料闸门完全关闭，物料稳定，而此时重量仍尚包装与机械 2013年第 4期且 .罐 l 自 r-- I、、 - -- ～- -- 烂三三三j三三三兰JI U L 8L 1 。

：(a)主视图 (b)右视图1.落料箱 2.伺服减速电机 3.落料箱闸门 4.称重传感器5.称重箱 6.翻门气缸 7.称重箱翻门 8.机架图 1 伺服 电子 定量秤 结构简图Figure 1 Electronic servo quantitative scale structure有些许欠缺，便需要补秤”，伺服减速电机可以快速控制落料箱闸门开闭，进行补秤”，直到达到额定重量值时，称重结束 ，伺服 电子定量秤完成-个称重循环 。

该电子定量 秤采用伺服减速 电机 控制，电机功率 为2.39 kW。电子定量秤采用伺服减速电机控制给料箱落料闸门的开合，加快了落料闸门的开启和闭合速度，同时也使落料闸门在工作过程中开121大小连续变化，并且在称重过程中总是能从秤体的中心给料，使物料在秤体内分布均匀，而且在精给料阶段减少了对秤体的冲击，以此达到提高称量精度的 目的 。

2 伺服电子定量秤控制系统设计定量秤的主要控制器件为附带有触摸屏控制界面的称重控制器、PLC以及给料伺服驱动器。称重控制器检测称重传感器的信号，将动作指令发送给 PLC，PLC负责控制伺服给料机构、卸料机构的动作，并接收/发送与 FFS包装机的联锁信号。

2.1 PLC的输 入输出点分配设计伺服电子定量秤采用 SIEMENS$7226可编程控制器，定量秤 PLC为单拈设计 ，包括 24点 DC输入及 16点继电器输出。其中DC输入用于连接操作盘按钮开关、称重控制器信号、伺服驱动器信号及低料位和联锁信号，继电器输出用于连接称重控制器信号、伺服驱动器信号及 电磁 阀和指示灯 。

PLC控制器原理图见图 2，定量秤 PLC输入输出点分配见表 1。

2.2 伺服驱 动器 设计根据工艺的要求，同时为避免设备振动过大，定量秤给料机构需要根据不同物料进行不同的开关速度和位置调节，为此 ，定量秤采用伺服驱动器用于落料箱闸门伺服减速电机的驱动控制，可快速、匀速、稳定地控制落料闸门的关闭。

图 2 PLC控制 器原理 图Figure 2 PLC controler principle diagram表 1 定量秤 PLC输入 输出点分配表Table 1 Electronic servo quantitative scale PLCinput/output point distribution名称 地址 项目代号 名称来称重控制器I1.4～ I1.7 I1.5去称重控 制器Qo.3～ Q1.7I1.6Qo.oQ0.1Qo.2QO.3Qo.4Qo.5Qo.6Q0.7Q1.oQ1.1Q1.2Q1.3Q1.4Ql5Q1.6Ql7SQ51SQ52低料位开关给料 门初始位SBHl1 伺服初始化按钮SA11 投料允许选择开关包装机联锁伺服断路器粗流精流卸料称重完成伺服准备好伺服定位完成允许投料低料位伺服准备好伺服 电源继 电器包装机联锁 1包装机联锁 2YV50 卸料阀SBH11 伺服准备好指示灯伺服块选 1伺服块选 2伺服启动伺服参考零位伺服使能通过个人计算机应用专用软件设定伺服驱动器的位置回路增益、往复运动的位移、速度、速度增益、加/减速度以及电子齿轮变比等参数。伺服驱动器的 I/0信号可通过软件119O 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 m m m m n n n n n第 29卷第 4期 李光乐：FFS包装机伺服电子定量秤研究进行定义，并通过 X101口端子与 PLC I/0端子连接。

本系统中定义的伺服驱动器输出信号有准备就绪输出信号--RELAY1、初始化或位置操作结束输 出信号--BA1、故障报警输出信号--BA2。

本系统中定义的伺服驱动器接收 PLC发出的输入信号有 5个，分别是 ：(1)位置控制参数块选择信号--BE1，用于选择给料机构开关速度和位置的运动参数块；(2)位置控制启动信号(POsIT10N-sTART)--BE2，用于启动给料机构开关；(3)参考点信号输入端(REF INPuT)--BE3，用于伺服上电寻找外部参考位置时的参考点告知；(4)伺服 驱 动器 故 障报 警 复 位信 号 (FAULT-RE-sET)--BE4，用于伺服驱动器的故障报警、复位；(5)数字量信号输人(ENABLE)--BE1～4，该信号为ON时伺服驱动器才 能 自动寻 找参 考点 或启 动运行 某- 个参数块。

本系统对伺服驱动器设有单独的保护断路器，在伺服驱动器发生过载和短路时切断其输入电源。伺服驱动器本身在电机发生过载等故障时，也可 自动进入保护状态并停止输 出。

2.3 软件设计定量秤的工作流程：系统上电后 ，给料伺服机构初始化，称重启动，系统根据预先设定的数据按照粗给料、精给料、等待卸料、卸料的顺序循环动作，完成定量称重。工作流程见图 3，PLC控制程序梯形图见图4，在 Step7-Micro/WIN环境下完成对软件编程。

图 3 伺服 电子定量秤工作流程 图Figure 3 Electronic servo quantitative scale work flowchart12O-秤3 试验验证3.1 试验条件试验地点：将所设计的伺服电子定量秤安装在中国石化茂名分公 司的全 自动称重包 装码垛机组 上；环境 温度：29℃ ；环境湿度：在 4O℃时不超过 5O RH；试验材料：聚丙烯粒料；包装重量：25 kg/袋；薄膜厚度 ：175 m。

3.2 试验结果对伺服电子定量秤的称重能力、单袋误差、20袋平均误差进行性能测试 ，试验结果见表 2，测试值 1为原设备称重工作时所测值 ，测试值 2为本设备称重工作时所测值♂果表明：称重标准重量为 25 kg/袋时，利用原设备称重，称重能力为 1 600袋/h，利用本设备称重，称重能力为 1 800袋/h，称重能力提 高 200袋/h，与 原设备 相 比，称重 能力提 高 了12.5 ；利用原设备称重，单袋误差为-25～75 g，20袋平均误差25 g/袋，相对误差率 0.1 ，利用本设备称重 ，单袋误差为-15～35 g，20袋平均误差15 g/袋，相对误差为 0.06 ，与原设备相比，相对误差降低了 0.04 ，完全能够达到电子秤衡器误差要求，系统运行稳定，效果显著。

表 2 伺服电子定量秤性能试 验结果Table 2 Electronic servo quantitative scaleperformance test results本设备提高了称量的速度和精度带来了经济效益。在全自动称重包装码垛生产线全速运行的条件下 ，称重能力可达 1 800袋/h，与以前 1 600袋/h相比，称重速度有了很大提高，称重速度快，供料可同时满足两套包装机组，故称重、包装、码垛效率高，生产线每年节约能耗约 25万元。同等条件下，由称重精度提高所带来的经济效益更为可观。中国石化茂名分公司生产能力为 25万 t/年，以4 000元/t计算，每年可节约 4 000×250 000×0.04 -40(万 元)。综 上所述 ，每年由称量速度和精度提高带来的经济效益可达 65万元，经济效益 明显 。

包装与机械 2013年第 4期4 结论(1)设计了-种基于称重控制器、PLC和给料伺服驱动器的 FFS包装机伺服电子定量秤 ，称重控制器可以检测称重传感器的信号，将动作指令发送给 PLC，PLC可以控制伺服给料机构、卸料机构完成动作，并接收/发送与 FFS包装机的联锁信号。

(2)电子定量秤采用伺服减速电机控制给料箱落料闸门的开合，加快了落料闸门的开启和闭合速度，同时也使落料闸门在工作过程中开口大小连续变化，并且在称重过程中总是能从秤体的中心给料 ，使物料在秤体内分布均匀，而且在精给料阶段减少了对秤体的冲击，提高了称量精度。

(3)试验验证表明：称重标准重量为 25 kg/袋时，本设备称重能力为 l 800袋/h，单袋误差为-15～35 g，2O袋平均误差l5 g/袋，相对误差为 0.06%；与原设备相比，本设备称重能力提高了 12.5 ；称重相对误差减小了 0.04 ，完全能够达到电子秤衡器误差要求，系统运行稳定，效果显著。