1引言
包装行业是直接为提高人民生活质量服务的新兴行业。随着社会发展、人民生活水平提高,尤其是加入WTO后,企业参与激烈的国际市场竞争,对商品包装提出了更高的要求。其中,与人民生活和工农业生产密切相关的粉粒状物料,如洗衣粉等生活日用品,食盐、味精等日用食品,麦片等营养食品,板兰根等药品,种子、化肥、农药、化工原料等工农业生产用品,都需要精确定量包装。目前国内大量采用手工定量充填包装,劳动强度大,速度慢,经济效益差。同时粉粒状物料飞溅严重,造成工作环境恶劣,污染严重。此外食品、药品手工包装往往不能满足卫生要求,有毒有害的物品手工包装容易对人体造成伤害。因此大量物料需要采用全自动定量包装。
目前我国粉粒状物料小剂量的全自动立式包装机比较成熟,而中、大剂量全自动立式包装机与国外先进产品存在一定差距[1]。在保证包装质量基础上,包装速度往往较低。其中一个重要原因是与其所采用的自动定量方式有关。目前粉粒状物料中、大剂量自动定量有容积式、称重式和混合式三种方式[2]。其中容积式是基于容积来计量物料的数量,其结构简单,定量速度较高并工作稳定,可达40包/分左右,但因受物料松散程度、颗粒大小均匀程度、吸湿性、结块性等物理化学性质的变化影响较大,定量精度在±3左右,在精度上难以满足目前大批量高精度定量包装的要求。称重式和混合式是以重量来计量物料的数量,定量精度较高,可达±1.5以上,但定量速度变化范围大,与包装机协调配合困难,速度在20到30包/分左右,在速度上难以满足目前大批量高精度定量包装的要求,如采用多组定量装置提高速度,则结构庞大而复杂,不便粉粒状物料清理[3]。本文拟通过对全自动立式包装机工艺过程及其控制系统的研究,简化自动定量部分与包装机协调配合关系,适应称重式和混合式自动定量生产节拍变化特点,提高包装速度和包装质量。
2全自动立式包装机工艺过程分析全自动立式包装机的工艺过程包括:卷膜牵引、打印、袋成型、纵封、充填、横封、剪切及成品计数等。同时自动定量部分完成物料输送、加料、计量及投料等工作。现以混合式自动定量方式为例,分析以上两部分的协调配合关系。其工艺时序如表1所示。

混合式自动定量由单片机控制,采用两级容积式快速给料,一次精确快速静态称重[4]。定量充填循环过程为:接收到包装机定量充填指令后,首先通过粗给料器或粗细给料器一起快速往称量料斗粗加料,经时间T1（约500ms),加入目标量的大部分（一般在90左右);稳定一定时间后精确快速静态称重,确定剩余的小部分量,并换算成细给料器细加料时间T3,稳定称重需时间T2（约400ms);最后向包装机返回物料充填信号,通过细给料器细加料剩余的小部分量,同时控制称量料斗投料机构打开投料门,细加料最大时间T3max约600ms。结束后,关闭投料门,并且在接收到包装机下一个定量充填指令后,进入下一个定量充填循环过程。物料下落到包装机横封口位置需时间T4（约400ms),与物料下落高度有关,在物料下落高度一定情况下,T4是固定不变的。在定量充填循环过程中物料输送根据料位高低检测信号控制启动、停止。一个工作循环周期T=T1+T2+T3max（约1500ms),不受T3变化影响。
全自动立式包装机采用PLC控制。袋成型、充填、封口包装循环过程为:首先向自动定量部分发出定量充填指令,在收到物料充填返回信号,并经定时器定时固定不变的时间T4后,再次向自动定量部分发出定量充填指令,再经横封T5（约700ms)、纵封T6（约500ms)、打印日期T7（约200ms),剪切及成品计数T（约200ms);冷却T（约200ms);最后牵引卷膜袋成型T10（约600ms)。在协调配合过程中,包装机根据自动定量部分返回物料充填信号定时T4后,进入横封、纵封等工序,确保横封既不过早,产生夹料,也不过迟,产生物料对横封口冲击问题。进入横封、纵封等工序的时间可通过改变冷却时间T9进行调整,以保证牵引卷膜袋成型时间T10。同样一个工作循环周期T=T5+T9+T10（约1500ms),不受T3变化影响,从而使包装速度达40包/分左右。
3全自动立式包装机控制系统
全自动立式包装机以PLC控制系统作为主控制器。自动定量部分以单片机控制系统作为从控制器。通过PLC发出定量充填指令和单片机返回物料充填信号,协调两部分工作节拍。
PLC控制系统采用三菱电机的FX2N系列可编程序控制器,且选用AC电源,DC24V电源输入,晶体管输出。FX2N系列是小型化、高速度、高性能的超小型程序装置。系统配制既固定又灵活,可进行16点到256点的灵活输入输出;编程简单,有27种基本指令,2种步进梯形指令,128种应用指令,包括高速处理指令、便利指令、数据处理指令、特殊用途指令及外部设备通信指令等;有多种机型,可根据点数、电源及输出形式选择;程序容量内置8000步,有丰富软元件、高速计数器及50us短脉冲读取;可用RS-485通信同个人电脑等计算机或其它FX系列PLC连接;多种外部数据存取单元,从简单的单色LCD显示器按键,到功能强的彩色触摸屏。应用基本单元配制组成如图1所示。
袋成型、充填、封口包装机控制系统输入信号有:卷膜预备长上限位置接近开关检测,卷膜预备长下限位置接近开关检测,卷膜跑偏左限位置光电开关检测,卷膜跑偏右限位置光电开关检测,卷膜袋长色标光电开关检测,无卷膜微动开关检测,安全门关闭检测,定量充填部分返回物料充填信号各1点及其它备用2点,共计10点。输出信号有:卷膜助牵引启动或停止控制,卷膜架对中左移控制,卷膜架对中右移控制,卷膜牵引停止防止过冲制动控制,卷膜牵引辊脱开控制,卷膜牵引辊压上控制,卷膜横封控制,卷膜横封结束空气冷却控制,卷膜纵封控制,卷膜纵封结束空气冷却控制,卷膜切刀控制,打印机工作控制,除尘抽气泵工作控制,充氮气气阀控制,制作角袋机构控制,控制定量充填指令,声光报警控制各1点及其它备用3点,共计20点。因此选用输入24点、输出24点的FX2N-48MT型号PLC基本单元。
单片机控制系统采用AT89C52单片机,并有一路高速的称重数据采集通道和若干位并行输入、输出通道,如图2所示[5]。单片机控制系统除了有AT89C52、输入/输出信号光电隔离器MOC3020、输入反相驱动器74HC14、输出反相驱动器MC1413外,还包括:
（1)14位高速串行输出模/数转换器MAⅩ121芯片。它是低温漂、低信噪比,转换速度快,转换时间仅为2X9﹒s,读取时间仅400ns,输入电压范围5～15V,内置采样保持器和三态缓冲输出器,输入端直接与AD623输出端相连,输出端可直接与CPU相连;
（2)仪表放大器AD623芯片。它是采用厚模工艺制作的集成仪表放大器,具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点,输入电压范围大,执行时间20﹒s,放大误差小,能够提供很好的线性度、温度稳定性、可靠性,对称重传感器的微弱的电信号进行放大;
（3)集看门狗定时器、电压监控和EEPROM功能于一体的Ⅹ5045芯片。它的存储器部分是COMS的4096位串行EEPROM,内部按512*8位组织,允许简单的三线总线工作的串行外设接口（SP1)和软件协议。用于存放运行参数如采样速率、采样点数、定量目标重、定量允许误差、传感器量程及标定系数等。
自动定量充填部分输入信号有:充填机料仓料位检测,安全门关闭检测,定量盘称重位检测,定量盘投料位检测,包装机定量充填指令信号检测各1点,备用1点,共计6点。输出信号有:振动给料器控制加料4点,定量盘称重位和投料位控制,声光报警控制,返回包装机物料充填信号各1点,备用3点,共计10点。因此单片机控制系统设计有6点输入信号,10点输出信号。称重传感器6点输入信号10点输入信号.

4全自动立式包装机控制系统软件

全自动立式包装机控制系统软件包括PLC控制系统软件和单片机控制系统软件。由于PLC发出定量充填指令时,单片机可能正在控制细给料器细加料,处于T3时间阶段,因此单片机接受PLC定量充填指令必须采用中断方式。使用外部中断0,边沿触发,中断服务程序流程图如图3所示。同样单片机返回物料充填信号时,PLC正在控制牵引卷膜袋成型,处于T10时间阶段,因此PLC接受单片机返回物料充填信号也必须采用中断方式,中断服务程序流程图如图4所示。
5结论
通过对全自动立式包装机工艺过程及其控制系统的研究,简化了自动定量部分与包装机协调配合关系,适应称重式和混合式自动定量生产节拍变化特点,在不增加机械结构复杂程度、系统成本基础上,提高了包装速度和包装质量,速度达40包/分左右,精度达±5%以上.
 

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