徐國(guó)寶，段文軍，蘇武會(huì)，屠鳳蓮

（北京航天斯達(dá)科技有限公司，北京 100076）

0 引言

液體灌裝涉及飲用水、潤(rùn)滑油、涂料、瀝青等各類不同黏度的液體物料。目前大多數(shù)的液體灌裝設(shè)備頂端都設(shè)計(jì)有料倉(cāng)［1-3］，物料先由主管道進(jìn)入料倉(cāng)，再分配至各個(gè)灌裝頭進(jìn)行灌裝。這種方式可以降低由于管道壓力波動(dòng)而對(duì)灌裝精度產(chǎn)生的影響。但對(duì)于高黏度物料，料倉(cāng)結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題：首先，灌裝機(jī)在使用一段時(shí)間后，物料會(huì)附著在料倉(cāng)內(nèi)壁上；其次，物料長(zhǎng)時(shí)間在料倉(cāng)存放容易產(chǎn)生沉淀，影響灌裝的產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)有灌裝機(jī)通常是在料倉(cāng)增加攪拌裝置以降低物料的附著程度和沉淀量，或者通過(guò)在料倉(cāng)內(nèi)設(shè)計(jì)清洗裝置實(shí)現(xiàn)料倉(cāng)清洗。這些措施對(duì)特定的物料具有一定效果，但對(duì)于易氧化、易粘結(jié)物料，攪拌、清洗效果并不好。另外，料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造成本高，維護(hù)保養(yǎng)比較困難。

對(duì)于高黏度物料，通常不采用料倉(cāng)結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)定容方式灌裝［4］，即通過(guò)氣缸、液壓缸等裝置抽取一定量物料，然后注入到容器中。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但由于其灌裝原理是利用密度將灌裝重量換算為體積進(jìn)行計(jì)量，對(duì)于密度易變化，或者含有氣泡的物料，灌裝精度比較差。

本文介紹一種帶有反饋補(bǔ)償方式的灌裝系統(tǒng)，結(jié)合稱重式灌裝和定容式灌裝兩種方式的優(yōu)點(diǎn)［5-8］，取消了目前普遍存在的料倉(cāng)結(jié)構(gòu)，使輸送管道直接連接灌裝頭；每個(gè)灌裝工位包括一個(gè)高速灌裝頭和一個(gè)補(bǔ)償灌裝頭，高速灌裝頭完成快速帶壓灌裝，補(bǔ)償灌裝頭進(jìn)行可調(diào)容積式修正灌裝；每次灌裝后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)灌裝結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，修正下次補(bǔ)償量，以此實(shí)現(xiàn)高速、高精度灌裝。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由若干灌裝工位組成，如圖1所示。每個(gè)灌裝工位包括高速灌裝頭、補(bǔ)償灌裝頭和稱重組件各一套。高速灌裝頭與補(bǔ)償灌裝頭的進(jìn)料口分別通過(guò)軟管與主管道連接。稱重組件位于物料桶下方，包括稱重傳感器及其上方托板，用于完成物料桶的承載及灌裝過(guò)程中的重量檢測(cè)。

圖1 灌裝系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of filling system

灌裝頭結(jié)構(gòu)如圖2所示［9-10］。兩種灌裝頭均包含氣缸、固定架、閥桿、物料腔、密封套、閥頭等，區(qū)別在于高速灌裝頭體積要大，以滿足快速灌裝需求；補(bǔ)償灌裝頭另含有單向閥、容積腔、伺服電機(jī)、活塞等。兩種灌裝頭的物料腔為90°T形三通管結(jié)構(gòu)，側(cè)面為進(jìn)料口，下面為出料口。物料腔上端與固定架連接，固定架上方布置氣缸。氣缸通過(guò)閥桿與閥頭連接，氣缸桿伸出時(shí)，閥頭與密封套管形成錐面密封。補(bǔ)償灌裝頭的T形管側(cè)面連接有單向閥，保證物料只能從主管路進(jìn)入物料腔，而不能反向流動(dòng)。另外，在補(bǔ)償灌裝頭的T形管側(cè)面設(shè)計(jì)一個(gè)容積腔，腔內(nèi)有活塞，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿，實(shí)現(xiàn)活塞在容積腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

圖2 灌裝頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of filling head

2 控制原理與工作過(guò)程

系統(tǒng)通過(guò)高速灌裝頭和補(bǔ)償灌裝頭分別實(shí)現(xiàn)快速帶壓灌裝和精確修正灌裝。每次修正灌裝量均根據(jù)上一次灌裝的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，充分保證灌裝精度。灌裝過(guò)程中開(kāi)關(guān)閥的控制、灌裝補(bǔ)償量的計(jì)算均有PLC系統(tǒng)完成。

灌裝前，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，由人工給定必要的參數(shù)；灌裝時(shí)，系統(tǒng)依次完成快速灌裝和補(bǔ)償灌裝，并根據(jù)實(shí)際灌裝量與目標(biāo)灌裝量的差值，修正物料密度，用于計(jì)算下一節(jié)拍的補(bǔ)償灌裝量。系統(tǒng)的控制流程見(jiàn)圖3。

圖3 控制流程圖Fig.3 Control flow chart

2.1 系統(tǒng)初始化

灌裝前，由人工給定目標(biāo)灌裝量、目標(biāo)粗關(guān)值、物料理論密度等初始數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)計(jì)算補(bǔ)償灌裝量的原始參數(shù)。

2.2 大流量快速灌裝

空桶到達(dá)稱重組件上方，由稱重組件稱量出空桶重量后，高速灌裝頭打開(kāi)，進(jìn)行大流量快速灌裝，直至灌裝量達(dá)到目標(biāo)粗關(guān)值后，高速灌裝頭關(guān)閉［10］。

2.3 小流量精確灌裝

快速灌裝完成后，補(bǔ)償灌裝頭打開(kāi)，系統(tǒng)計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)墓嘌b量，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞將容積腔內(nèi)物料推出，完成精確灌裝，同時(shí)補(bǔ)償灌裝頭關(guān)閉，活塞縮回，使物料充滿容積腔。

2.4 物料密度修正

在灌裝過(guò)程中，隨著反應(yīng)釜中物料逐漸變少，灌裝壓力、物料黏稠度、物料內(nèi)部的氣泡分布等條件會(huì)產(chǎn)生變化，因此物料密度在灌裝過(guò)程中并不是恒定值。為提高灌裝精度，系統(tǒng)在每次灌裝完成后，均對(duì)物料密度進(jìn)行修正計(jì)算，并用修正值作為下一個(gè)灌裝節(jié)拍計(jì)算活塞移動(dòng)距離的密度參數(shù)。

3 試驗(yàn)分析

以某建材公司的一種水性涂料進(jìn)行灌裝試驗(yàn)測(cè)試，涂料由反應(yīng)釜輸出，經(jīng)隔膜泵打壓至灌裝機(jī)。產(chǎn)品采用20 L規(guī)格的物料桶包裝，實(shí)際灌裝量約為18 L，涂料標(biāo)稱密度為1.459 8 g/mL，標(biāo)稱凈含量為26.3 kg。

（1）首次灌裝前，人工輸入初始參數(shù)：目標(biāo)灌裝量S 標(biāo)稱凈含量26 300 g；目標(biāo)粗灌值SP 設(shè)定為目標(biāo)灌裝量的95%左右，取25 000 g；初始密度ρ0標(biāo)稱密度 1.459 8 g/mL。

（2）空桶到達(dá)灌裝位，完成快速灌裝。設(shè)第i個(gè)灌裝節(jié)拍空桶重量為mi，當(dāng)稱重傳感器檢測(cè)到重量達(dá)到目標(biāo)粗關(guān)值SP時(shí)高速灌裝頭關(guān)閥，灌裝后桶重量為Xi，則此節(jié)拍的快速灌裝量為Xi-mi。

（3）計(jì)算活塞移動(dòng)距離。第i個(gè)灌裝節(jié)拍的灌裝補(bǔ)償量SQi應(yīng)為目標(biāo)灌裝量與快速灌裝量的差值，即存在如下關(guān)系：

灌裝補(bǔ)償量與容積腔及活塞移動(dòng)距離存在如下關(guān)系：

式中 D——容積腔內(nèi)徑，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為80 mm；

Li——第i個(gè)灌裝節(jié)拍活塞需要移動(dòng)的距離，mm；

ρi-1——第i個(gè)灌裝節(jié)拍的物料密度，當(dāng)i等于1時(shí)為人工輸入的密度ρ0，當(dāng)i大于1時(shí)為系統(tǒng)根據(jù)上一節(jié)拍灌裝量計(jì)算的修正值，g/mL。

由式（1）、（2）得出，第i個(gè)灌裝節(jié)拍活塞需要移動(dòng)的距離為：

（4）補(bǔ)償灌裝頭完成灌裝。補(bǔ)償灌裝頭開(kāi)閥，伺服電機(jī)根據(jù)式（3）計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)，完成灌裝后補(bǔ)償灌裝頭關(guān)閥，并且活塞復(fù)位。

（5）修正物料密度。因物料密度在灌裝過(guò)程中并不是恒定值，為提高灌裝精度，系統(tǒng)在每次灌裝完成后，均對(duì)物料密度進(jìn)行修正計(jì)算，并用修正值作為下一個(gè)灌裝節(jié)拍計(jì)算活塞移動(dòng)距離的密度參數(shù)。即每次灌裝后的密度修正值計(jì)算如下：

式中 Si——第i個(gè)灌裝節(jié)拍的實(shí)際灌裝量，g。

（6）重桶輸出，系統(tǒng)等待下一節(jié)拍灌裝。選取其中一個(gè)灌裝頭記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

步驟（1）由人工完成；第1節(jié)拍空桶到位，系統(tǒng)執(zhí)行步驟（2），測(cè)得的快速灌裝量為25 353.4 g；將其代入步驟（3）的式（3）得到活塞需要移動(dòng)的距離為89.63 mm；系統(tǒng)執(zhí)行步驟（4），測(cè)得的實(shí)際灌裝量為26 266.3 g，灌裝誤差為-33.7 g；將數(shù)據(jù)代入步驟（5）的式（4）得到第1個(gè)灌裝節(jié)拍的修正密度1.407 8 g/ml；系統(tǒng)執(zhí)行步驟（6），等待第2節(jié)拍空桶到位，并按照上述步驟循環(huán)執(zhí)行。

試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，首次灌裝誤差達(dá)到33.7 g，誤差較大；系統(tǒng)對(duì)物料密度修正后，第2節(jié)拍灌裝誤差明顯減??；從第3節(jié)拍開(kāi)始，灌裝誤差控制在±5 g以內(nèi)。

表1摘取灌裝前5節(jié)拍，以及第10、20、100、200、300節(jié)拍的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 灌裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data for filling experiment

4 結(jié)語(yǔ)

（1）該灌裝系統(tǒng)采用大口徑高速灌裝頭實(shí)現(xiàn)大流量快速灌裝，通過(guò)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)小流量精確灌裝，兼顧灌裝速度和精度；（2）系統(tǒng)根據(jù)每次灌裝反饋的實(shí)際重量計(jì)算下一節(jié)拍的灌裝補(bǔ)償量，使每個(gè)節(jié)拍的實(shí)際灌裝量逐漸趨近目標(biāo)值，保證每個(gè)節(jié)拍的灌裝精度；（3）因?yàn)榇株P(guān)值的精度對(duì)最終灌裝量不會(huì)產(chǎn)生任何影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以盡量將其加大，以提高灌裝速度，而不必為了保證精度犧牲其灌裝口徑；（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)根據(jù)首次的灌裝誤差對(duì)補(bǔ)償量進(jìn)行重新計(jì)算后，灌裝精度顯著提高并一直保持；（5）為簡(jiǎn)化模型，文中將目標(biāo)粗關(guān)值設(shè)定為常量，至于目標(biāo)粗關(guān)值是否對(duì)灌裝速度和精度產(chǎn)生影響及影響程度如何，有待于下一步展開(kāi)探討。