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(1.昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，云南 昆明 650500；2.云南昆船電子設備有限公司，云南 昆明 650217)

香煙檢重剔除裝置的設計與試驗

尤志斌1，楊薇1，李亞林2，白煒2

(1.昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，云南 昆明 650500；2.云南昆船電子設備有限公司，云南 昆明 650217)

針對現(xiàn)有檢重剔除裝置效率低、漏檢率高等問題，設計了一種用于香煙動態(tài)檢測的檢重剔除裝置，提出利用高精度電磁力平衡傳感器進行重量信號采集，并討論了其工作原理以及性能影響因素，介紹了系統(tǒng)的控制流程、剔除裝置工作原理，同時利用PLC進行自動化程序設計。

香煙；檢重；剔除；電磁力平衡傳感器

0 引言

改革開放以來，我國煙草行業(yè)有了長足發(fā)展，并成為國民經(jīng)濟中一個重要支柱產(chǎn)業(yè)。目前，中國煙草市場巨大，已經(jīng)發(fā)展成為政府稅收的主要來源之一，同時也成為解決農(nóng)村人口就業(yè)、農(nóng)民增收的重要途徑[1]。但是目前的香煙檢重裝置多采取抽樣檢測方式，檢測效率不高，并且檢測精度低、誤差大，多容易出現(xiàn)漏檢，為此，開發(fā)一種香煙檢重剔除裝置，從而實現(xiàn)包裝產(chǎn)品100% 物流檢測，將重量不合格的產(chǎn)品從生產(chǎn)線中剔除。有助于提高產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率、提升香煙品質(zhì)、樹立企業(yè)形象。

1 系統(tǒng)的設計原理

高速動態(tài)自動檢重剔除裝置主要用來在高速生產(chǎn)線中進行動態(tài)稱重，從而檢測出超重或者欠重的產(chǎn)品并進行剔除?？刂圃砣鐖D1所示。煙箱由皮帶裝置輸送至稱重機構，PLC根據(jù)光電開關傳感器輸出的信號得知煙箱進入秤臺，傳感器開始采集信號，物體到達傳感器位置，承載面受力，受力平臺通過橫梁與線圈聯(lián)接，傳感器橫梁位置發(fā)生變化并帶動光欄移動，該信號經(jīng)過前置放大器、PID調(diào)節(jié)器，反饋給線圈一個電流，在磁場和電流的共同作用下產(chǎn)生一個電磁力F，經(jīng)過邏輯運算處理，得到煙箱的重量，與標準質(zhì)量進行比較，如果超出誤差范圍，系統(tǒng)通過信號輸出控制執(zhí)行機構將煙箱剔除。

圖1 控制原理

2 檢重剔除裝置主要部件設計

2.1 高速動態(tài)檢重裝置的結構與工作原理

檢重機構結構如圖2所示，裝置由輸送裝置、稱重傳感器等部分組成。

圖2 檢重裝置結構

檢重裝置工作過程是：電機帶動同步帶輪轉(zhuǎn)動，在皮帶1的作用下，從動輪工作，在軸承作用下主動輥帶動皮帶2工作，從而從動輥轉(zhuǎn)動，當煙箱經(jīng)過開關1時，開關發(fā)出信號，計重系統(tǒng)清零，開始稱重，并在到達開關2時停止稱重，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，得出煙箱重量，判斷出是否超載或者欠載，從而將指令輸送至執(zhí)行機構。

2.1.1 輸送裝置

輸送部分主要包括皮帶、電機和滾筒等。其中，對稱量精度影響最大的是皮帶效應[2-4]。皮帶效應涉及如稱重托輥的同軸度、皮帶張力及其變化、皮帶運行阻力、皮帶剛度、皮帶自重的變化，以及皮帶輸送機的結構性能、皮帶速度等方面，最主要體現(xiàn)在皮帶張力F上。

如圖3所示，假設皮帶重心位移為D，物體的重量為G，皮帶張力為T，2個滾筒之間距離為2b，皮帶與滾筒之間的夾角為β，則皮帶拉力產(chǎn)生的向上的分力R為:

R=Tsinβ

圖3 皮帶受力示意

2.1.2 稱重傳感器

檢重裝置采用電磁力平衡傳感器，其稱重精度高，產(chǎn)品類型多，穩(wěn)定性好。電磁力平衡傳感器工作原理如圖4所示[5]。

圖4 電磁力平衡傳感器工作原理

傳感器在加載物體前處于平衡狀態(tài)，加載物體后，傳感器內(nèi)橫梁上的遮光片在被稱物體重力G的作用下發(fā)生向下移動，發(fā)光管D1通過遮光片的光量發(fā)生變化，光敏管D2將變化的光量信號轉(zhuǎn)化為電流信號，由PID調(diào)節(jié)輸出電流I驅(qū)動可動線圈，可動線圈在永磁體氣隙磁場和電流I的作用下產(chǎn)生電磁力F，使遮光片向上移動，D2產(chǎn)生的電流信號趨于穩(wěn)定，流經(jīng)可動線圈的電流I在PID的作用下繼續(xù)增大，直至遮光片恢復至原來的平衡位置。此時傳感器恢復至平衡狀態(tài)，電磁力F(F=BIL)等于被稱物體的重力G(G=mg)，即

mg=BIL

I為電流；B為傳感器感應線圈的電磁感應強度；L為線圈的導線長度；m為物體的質(zhì)量；g為重力加速度。從而m=BIL/g。

影響電磁力平衡傳感器性能的幾個主要因素：

a.溫度影響。溫度影響主要來自于環(huán)境溫度的變化和流過動圈的電流過大引起的發(fā)熱。當溫度升高，磁感應強度減小；溫度降低，磁感應強度增加，而且磁感應強度的溫度效應是非線性的，它隨溫度變化后，不能完全隨溫度的回復而回復[6-7]。其影響因素主要集中在磁感應強度、線圈導線長度、動圈導線電阻和線繞取樣電阻的變化，從而引起傳感器輸出和檢重測量結果的變化。

b.時漂影響。永磁體存在自然退磁現(xiàn)象，即磁感應強度B會隨時間變化。沒有經(jīng)過老化處理的永磁體，它的磁感應強度會隨著時間的推移而逐漸變小，大約每年降低0.5%永磁體磁感應強度，是電磁力平衡傳感器產(chǎn)生時漂的主要原因。

c.對于電磁力平衡傳感器的精度影響因素是多種多樣的，除了上述2種因素，還有空氣流動、靜電感應、無線電頻率干擾、地面振動、極端溫度和腐蝕等多種因素。

2.2 剔除部分工作原理

系統(tǒng)的剔除部分主要由超重、欠重剔除裝置和聲光報警裝置2部分組成，其主要控制電路原理如圖5所示。當系統(tǒng)檢測出煙箱超重或者欠重時，通過可編程控制器自動發(fā)出一個電信號，使中間繼電器接通，從而使電磁閥以及報警器工作。

圖5 缺條剔除和聲光報警控制原理

2.3 PLC程序的設計

系統(tǒng)采用西門子公司的S7-224CPU，其CPU224具有14個輸入，10個輸出，1個RS485通信口，并且具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力。

利用西門子編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0，依據(jù)流程圖(圖6)，編寫自動檢重剔除程序。當系統(tǒng)檢測到重量信號時，將所檢測到的重量值與標準重量范圍進行比較，如果檢測到的重量在標準重量范圍以外，系統(tǒng)發(fā)出信號驅(qū)動剔除裝置工作。設計時，皮帶運行速度為24 m/min，由于剔除電磁閥距離檢重裝置0.4 m，故延時時間為1s。

圖6 程序流程

其中，定時器選用接通延時定時器(TON)，其分辨率為100ms，定時范圍為0～3 276.7s，設定值(PT)為+10，則定時器的定時時間為1s。

3 樣機試驗

3.1 線性試驗

線性試驗從0kg開始，依次取5kg，10kg，15kg，20kg的砝碼進行靜態(tài)稱重，記錄顯示值，后返回進行動態(tài)稱重，即從20kg依次向15kg，10kg，5kg，0kg觀察顯示值并記錄，顯示值與實際值之差就是其線性誤差。線性試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，系統(tǒng)最大線性誤差為ε=-0.002kg。

表1 線性試驗數(shù)據(jù) kg

標準砝碼實際值L顯示值誤差顯示值誤差0．0000．0000．0000．0000．0005．0005．0010．0014．998-0．00210．0009．999-0．00110．0000．00015．00014．999-0．00115．0010．00120．00020．0010．00120．0020．002

3.2 重復性試驗

清零之后，將滿量程的砝碼置于秤臺上，記錄稱量顯示值，如此重復多次，采用極差法，得到系統(tǒng)的最大誤差值。重復性試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 重復性試驗數(shù)據(jù)

稱量次數(shù)數(shù)據(jù)/kg稱量次數(shù)數(shù)據(jù)/kg130．001229．999329．998430．001530．000630．002730．001830．000

由表2可知，系統(tǒng)重復性誤差為ε=30.002-29.998=0.004 kg

3.3 動態(tài)測試試驗

動態(tài)測試試驗即隨機選取某品牌煙箱進行稱重，分為2個試驗：試驗1，取標準質(zhì)量為13.340kg的煙箱；試驗2，在13.340kg煙箱中取1條，稱重258g，此時煙箱標準質(zhì)量為13.082kg。2個試驗分別稱重20次，并記錄相關數(shù)據(jù)。

測量值的標準差為：

σ1=0.005661504 kg≈5.66 g

σ2=0.005942709kg≈5.94 g

則A類不確定度的評定ux1=σ1=5.66 g，ux2=σ2=5.94 g，標準差由貝塞爾法計算得到，故其自由度v1=v2=n-1=19。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對試驗1進行B類不確定度評定，如下所述。

f.合成不確定度的評定。上述不確定分量彼此不相關，故合成不確定度為：

靈敏系數(shù)為：

因為輸入量P與m彼此獨立不相關，則合成標準不確定度為：

=3.427g

有效自由度為：

g.擴展不確定度的評定。取置信區(qū)間p=0.95，自由度v=4，查t分布，得到t0.95(4)=2.132，即包含因子k=2.132，則其擴展不確定度為U=uc×k=3.427×2.132=10.733 g。

綜合試驗1和試驗2可知，煙箱檢測正確率可以達到98%以上，誤差在±25g，煙箱對于缺件檢測率達到98%以上，平均1分鐘檢測30件，符合設計標準。

4 結束語

在分析電磁力平衡傳感器工作原理的基礎上，通過對電磁力平衡傳感器溫漂、時漂的分析，計算機圖形化人機界面的應用，實現(xiàn)高精度實時在線檢重剔除。采用電磁力平衡傳感器，提高了稱重速度和精度。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能實現(xiàn)在線稱重以及剔除的基本功能，減少人工檢測的成本，提高了生產(chǎn)效率，具備很好的應用前景。

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Design and Tests of Weight Detecting and Eliminating Device of Cigarettes

YOUZhibin1,YANGWei1,LIYalin2，BAIWei2

(1.Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2.Kunming Shipbuilding Electronic Co.,Ltd., Kunming 650217, China)

Due to the low efficiency and high miss rates of the weight detecting and eliminating device, in this paper, a new weight detecting and eliminating device used for dynamic detecting of cigarettes was designed. A high-precision electromagnetic force balance sensor used for weight signal acquisition was proposed, and its working principles and influencing factors of performance were discussed. The working principles of the controlling technological process and eliminating device of the system were introduced. Meanwhile, the PLC was used for the design of automatic program and interface respectively.

tobacco;weight detecting;eliminating;electromagnetic force balance sensor

2014-05-04

TP23

A

1001-2257(2014)10-0038-04

尤志斌(1990-)，男，江蘇東臺人，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)機械裝配；楊薇(1965-)，女，云南瀘西人，碩士，副教授，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工，通訊作者。