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自动定量包装秤控制仪表技术及应用
自动定量包装秤控制仪表技术及应用
关键字：定量包装机 有斗秤 无斗秤 双斗秤 采样速度 滤波性能 自动置零 自动补偿 数据统计 货号功能
自动定量包装机，又称自动包装秤、全自动包装秤、定量包装秤、包装秤，是一种由称重控制仪表和PLC进行控制，按照设定目标重量，进行称重、分装的设备。既可作为独立设备运行，也可以和其他辅助设备配套，构成自动化定量分装包装生产线，完成产品从散料、输送到定量分包，直至包装码垛入库的整个流程。由于定量包装机具有计量精度高、包装速度快、自动化程度高的特征，同时还操作简单，维护方便，故在食品、医药、粮食、饲料、化工、化肥、建材等各个领域有着极为广泛的应用。
自动定量包装机作为一种自动化设备，控制仪表对其控制精度、稳定性和工作效率也有着极其重要的经济效益意义。
一、 自动定量包装机的类型
自动定量包装机，通常按有无料斗可分为：有斗秤（净重秤）和无斗秤（毛重秤），其中有斗秤又可分为单斗秤和双斗秤。无论哪种形式，unipulse的F701系列称重控制器都是首选产品。
- 1. 无斗秤（毛重秤）
无斗秤，顾名思义就是没有完整计量斗之类的计量容器。它的计量容器既是包装容器也是计量容器。操作时，需要先将包装容器固定到包装机的出料口上，仪表按照设定参数控制阀门气缸等执行机构，将物料以粗投料、中投料和细投料的方式，投入到包装容器中，重量稳定后，控制仪表进行判断，并将判断结果输出，同时松开包装容器，完成一个包装流程。
缺点：因为包装容器既是计量容器也是包装容器，所以在包装机工作过程中包装容器必须要叠加在包装机上，否则无法进行定量称重。这就导致此类包装机的工作效率较低。
长期稳定性和效率受操作人员上包装袋的速度影响较明显，操作人员劳动强度较大。
另外夹袋机构往往和传感器部分做成一体，导致此处结构复杂笨重，容易存在干扰隐患，对精度有不良影响。
优点：结构简单，制造成本低，使用维护简单。
适合对包装速度和精度要求不高的场合。一般配合基本型仪表和通用型仪表使用，具体型号见下术选型部分
- 2. 有斗秤（净重秤）
相对于无斗秤，这类包装机有专门的计量料斗进行称重，所以叫有斗秤。此类秤称重时，由于只是对物料进行称重计量，并不需要通过去皮来去掉包装容器的重量，所以又称净重秤。
有斗秤工作流程是：控制仪表收到启动信号后，仪表按照设定参数控制加料机构（如弧形门等）的开闭程度，使物料从储料中转仓以快、中、慢三种速度，有序可控的投入料斗中，待重量稳定后，进行比较输出判断结果（合格、超差），同时将计量斗中的物料排入容器中（如敞口袋，阀口袋等），计量斗排空后，直接进入下一个称重过程，如此往复循环。
优点：因为计量料斗的存在，所以整个加料的过程不需要将包装容器固定在工位上，只需要包装容器在计量斗排料时在指定工位上就可以了，这样一来就大大提高了定量包装机的工作效率，同时有利于自动套袋设备的配合。由于所有的物料都是由同一个固定的料斗来进行计量的，所以此类包装机的工作精度和稳定性都要比无斗秤高很多。
缺点：结构较复杂，制造成本较高。
适合包装速度和精度要求较高的场合。一般配合基本型仪表和通用型仪表使用，具体型号见选型部分
- 3. 双斗秤
双斗秤，就是有两个计量斗工作的有斗秤，工作流程也大致相似，只是双斗秤的两个计量斗可以同时计量称重及交替放料，也可任意一个计量独立工作。双斗秤相对于单斗秤效率要更高。如果和自动上袋、自动封口和码垛机器人等辅助系统配合，可以组成全自动包装线，进一步提高生产效率和智能化水平。
优点：双斗秤相对于单斗秤精度持平但效率要更高，在智能化和自动化组网方面有更好的发展基础。
缺点：结构复杂，成本较高。由于双料斗之间需要互锁，同时还不能相互干涉加料计量，在任意一路料斗控制系统发生故障或报警时还要保证单斗可以正常工作，所以这对编程和设计人员的要求较高。
注：现在有双斗秤专用仪表可以快速构建出稳定高速精准的定量包装控制系统。例如，日本UNIPULSE的F701-S就是双斗秤专用仪表。下面会做介绍。
适合对包装速度和自动化水平具有高要求的场合。一般配合基本型仪表或通用型仪表配合PLC使用，或是直接使用高档型仪表，具体型号见选型部分。
一、 自动定量包装机的仪表的选型
自动定量包装机仪表根据仪表的功能性和硬件配置可分为：基本型，通用型，高级型和触摸屏组态型。
1. 基本型：此类仪表可以满足动态称重、包装的基本需求。备有比较判断功能以及控制模式之外，采用高精度放大器，高速AD转换，通讯接口等加强过的基本功能。
优点是：价格低，可拓展接口少。
缺点是：控制I/O端口点数较少，拓展功能较弱。
此型仪表常用于结构简单、成本要求严格的定量包装机，适用于一般包装速度和精度的场合。
代表型号：日本unipulse：F701-P、F741-C（日本本土型号为F730、F735）
（注：包装速度及计量精度较低，指机械效率及机构造成的效率低，仪表本身仍然是高速度高精度）
2. 通用型：此类仪表在基本型基础之上，进一步加强和完善，具备更强的性能，配备丰富的控制I/O端口，
可省去plc，提高工程效率，拓展能力也更为丰富。
优点：价格适中，I/O端口功能较多，功能拓展性较强，辅助功能增强，工作精度和稳定性得到进一步提高。
缺点：不具备“货号”功能，不能独立实现“一机多样”灵活性稍差。
此型仪表因为基本功能健全，软硬件相较于基本型仪表有了很高的提升，故可以应对绝大多数的中高速和精度的包装场景，并且价格适中，拥有很高的性价比。
代表型号：日本UNIPULSE：F701、F701+、 F701-C
德国BAYKON：BX13、 BX18
3. 高级型：该型仪表拥有更高的A/D转化速度（最高达1200次/秒），更好的软硬件设计，同时又配备有“货号”（最高支持100种货物参数），I/O控制功能完善（如F820仪表I/O,24入16出），仪表又各具特点更有针对性，拥有数据统计功能；丰富的高速总线接口，拓展功能丰富。可不依赖PLC，独立组建高速包装控制系统。
优点： A/D采集速度高；强大的数据处理算法；自适应滤波，抗干扰性强；便利的双机联动
工作模式；丰富的高速总线接口；使用便利，工程效率高；支持“一机多用”。
缺点：价格稍高，相较于综合触摸型仪表人机交互性差一点。
适合高速度高精度的定量包装场景。丰富的拓展接口和货号功能，适合组建智能化
生产线和大数据生产管理系统。
凭借主从机工作模式，尤为擅长双料斗高速高精度称重。
代表型号：日本UNIPULSE：F820 、F701-S
4. 综合触摸屏型：此类仪表采用触摸式操作、计量过程图形化显示、高速处理、各演算功能、计量序列模式等性能很充实。通信接口也很广泛。由于其自身就具有高清触摸屏，所以可以节约工程成本和时间。尤其是其内置的算法结合程序，将计量过程可视化，这使得操作人员在生产和维护中更为简单方便。而这是一般技术研发人员所做不到。
优点：人机交互性好，使用便利，维护简单，大大提升的工程效率，特别适合智慧工厂和柔性生产系统的构建，丰富的通讯接口为组网和大数据提供坚实的基础。
缺点：价格较高。
适用于追求高速，高精度，长期稳定性的高性能定量包装机。
代表型号：日本UNIPULSE的F805AT、F600AT.
二、 日本UNIPULSE仪表的性能特点
- 1. 信号处理能力
1-1. 采样速度
采样速度的高低是仪表获取传感器信息能力的一个重要指标。Unipulse仪表的采样速度一直处于领先地位，现有的F820仪表的采样速度可达1200次/秒，远远高于绝大部分国产的国产包装秤仪表（国产仪表一般不高于200次/秒，更有一部分实际低于100次/秒），高速度的采样，为高速和高精度的包装奠定了坚实的基础。
但是高速采样带来的大量数据，如果不能快速处理，那就会形成新的“瓶颈”，制约仪表的性能。这方面，由于unipulse是专业的仪表研发公司，开发过大量对采集速度和处理要求更高的测力仪表，所以在数据信息大容量和快速处理方面有着别家没有的丰富经验和应对。众所周知，一段重量值波形曲线是由大量的数据点描绘而成，而F805AT综合触摸型仪表能够将整个称重过程用平滑波形的形式表达出来，可见他的高速数据采样和处理能力是实实在在，看得见摸得着的。不像某些仪表厂家只是宣称高速采集速度，却拿不出看得见摸得着的实际数据。
1-2. 滤波性能
由于应变式传感器的工作原理决定，它输出的是很微弱的毫伏电压信号，从其灵敏度的单位mV/V可见。这么微弱的电压信号，在当今这个变频器、伺服普及的环境里，存在各种电磁干扰源，极为容易被干扰。另外定量包装机，尤其是高速高精度包装机是在一个动态的过程中进行称重的，机械振动、共振干扰都会“风吹草动”，进一步加剧了传感器输出信号的杂乱程度。而这就要求控制仪表要保证有一双“火眼金睛”来快速的分辨其真假信号，只保留真实有效的信号，防止因为信号的虚假，导致包装机做出错误的判断甚至是无法正常工作。
电磁干扰和机械环境来的干扰从其干扰特点没有规律可寻，这就需要我们的仪表在滤除干扰信号时动用不同的处理方法。Unipulse针对不同性质的干扰源，为我们提供不同的软硬件解决方法。
硬件滤波，效果好，速度快，但是存在成本高的缺陷。所以很多仪表往往是用一些简陋的滤波硬件或是利用一些IC的集成功能并不设置独立的滤波硬件。而unipulse为了获取更好的信号，为仪表单独设计了贝塞尔低通滤波电路。
软件滤波，成本低，灵活性好，但是软件滤波效果很依赖于编程人员的算法水平。关于国内仪表厂技术人员算法水平，往往只是提供一两个很笼统的滤波参数，并不是很具有针对性，调节过后效果也不明显。UNIPULSE仪表提供的数字低通滤波、模拟滤波、移动平均滤波和稳定时滤波等参数来针对不同的各种干扰因素，滤波效果大大提升。看见这么多的滤波参数或许让很多操作人员无所适从，所以UNIPULSE还很人性化的提供了一个便利参数:自适应滤波，可以让仪表监测一段称重过程，自动调整滤波参数设定值，省掉了人工调试的繁琐。
- 2. 控制参数
2-1. 卸料模式：分为加量法和减量法。一般包装秤仪表仅支持加量法，不支持减量法。
UNIPULSE仪表是同时具备加量法和减量法的。
举例：
如在某些需要高精度的毛重秤，料仓加料的时候进行计量一次总重，排料的时候需要再次计量多个包装的单件包装重量，此时就需要仪表既要能够进行加量法的称重（计总重），又要能够进行减量法称（计分包重量）。此时一套UNIPULSE的仪表和传感器系统就能完成。
2-2. 自动置零：UNIPULSE仪表可以按照参数要求实现每次或是没几次包装启动时自动置零，提高了包装机的包装机的效率，精度和自动化水平。
2-3. 自动补料功能：该功能根据包装重量的判断结果，如果欠量，则自动按照设定值进行自动补料， 直至合格。
2-4. 动态检测功能：UNIPULSE针对不同的包装场景将动态检测细化为两种：稳定方式和校验方式。 在动态检测控制参数上提供的是“时间”+“范围”的控制方法，比其他仪表单纯的“范围”控制，在反应速度和精度上都有质的提升。
2-5. 零点跟踪功能：UNIPULSE在零点跟踪功能上也是从“时间”和“范围”两个方面进行控制，这样，就比单纯的“范围”控制，要更精确，大大提高了跟踪的稳定性和准确度。
2-6. 序列功能：在序列控制模式下，可不依赖外部时序控制器（如PLC）。即可实现序列逻辑控制程序控制。
2-7. 禁止比较时间/判断时间：此功能可有效减少机械动作，对仪表称重时对大中小投料判断的不良影响。
3. 高级功能
3-1. SIF接口：2线式无极性串口接口，可同时连接打印机，大屏幕等多台外接设备，并自由的传输不同数据，互不干扰。
3-2. SIF/II接口：高速双向2线接口（小总线接口）。可将控制仪表、转换器、打印机和远程显示器等组网，组网设备可达20个。
3-3. 货号功能：可以提供最多100种货号，用来快速调取指定物料的相关参数，方便现场操作人员操作，尤其是在大型自动化包装线上时，可做到”一机多用”，既提高了效率又节约了投入。
3-4. 主从机组网：主机和从机如果需要互锁联动时，可不依赖其他设备，直接组网运行。在组网运行和高速包装场合尤为适用。
3-5. 暂停/停电恢复：支持因故暂停或是意外停机，消除原因后，可继续进行包装。
3-6. 自动落差补偿AFFC功能：该功能通过监控产品重量的变化，来自动调整称量控制值，使产品包装重量能够一直稳定的维持在合格重量范围内。
3-7. 1/4分度值功能：该功能将最小分度值d又进一步4等分，可进一步提高计量精度。
3-8. 免砝码标定：在很多场景不方便进行实物标定时，此时就可以利用此功能进行快速标定方
便灵活。
3-9. 辅助计算机软件：提高仪表设置效率和对包装过程的分析质量。如F820仪表的软件，除了可设置参数和包装的统计数据，还可观察整个称重过程中的重量波形变化和对滤波参数效果进行分析等。
- 4. 数据统计
随着现代生产对于数据的统计越来越受到重视，UNIPULSE包装控制仪表也在仪表内部集成了数据统计功能，可以直接或是通过通讯很方便的读取生产过程中的数据。
- 5. 通讯能力
UNIPULSE仪表除了支持传统的模拟量（4-20mA、0-10V）、BCD、RS232C、RS485等方式，还支持效率稳定性更高的CC-LINK、DeviceNet、PROFIBUS等。
随着现在生产对于包装速度和效率的要求也越来越高，全自动定量包装机得以广泛应用。而国内的包装控制仪表，从上述分析中不难看出，不论是从硬件上还是从算法功能上都和unipulse仪表存在较大差距，无法真正做到高速度高精度，所以在中高档定量包装机的市场中unipulse的控制仪表还是值得大家学习的一个榜样目标。
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