1 概述

有些用袋、瓶、罐等包装的商品要先进行装料，然后在检重秤上检重，以确保商品包装内的商品净重值符合商品包装上标注的商品重量。但由于装料机机械特性变化、物料特性变化等原因，往每一份包装容器内装入的商品重量有可能发生变化，使得商品超重或欠重。超重过多影响企业的效益，而欠重将可能被用户投诉，影响企业的信誉。

如果包装的装料过程中，商品是以液态或粉状、小颗粒状形态装料，还可以通过检重秤的实时测量值对装料过程进行自动控制，以确保商品在包装上标注的商品重量同时又不过多超重。

2 检重秤装料的自动控制

装料机根据反馈信号进行自动控制时，将检重秤的检测数据与事先设定的商品称重目标重量值比较，确定一个反馈信号送至控制器并通过执行机构调整装料机的装料量，从而减少商品重量误差以及因装料机装料量漂移所产生的商品装料量的变化（如图1所示）。由于从装料机装好料的商品到达检重秤要经过一段时间，所以称重显示器在作出对装料机下一次装料量调整的控制运算要延时。

图1 检重秤装料自动控制原理示意图   下载原图

2.1 装料控制的基本类型

有两种基本类型的装料控制可以在检重秤上运行，它们是：

连续装料控制：这种连续控制系统可产生一个控制信号，其输出正比于各件包装重量和用户设定的目标重量之间的差异，这是一套具有极快响应时间的调节系统。

平均装料控制：平均装料控制需先设置一段“持续时间”，可以用在该时间内通过的包装数量来确定，比如通过量为120pcs/min时，如确定20个包装通过，则“持续时间”为10s。控制系统通过10s持续时间内20个包装的平均重量值计算，将它与用户设定目标重量之间的差值比较后，产生一个校正信号，调整装料头的冲料量。该系统大多用于多装料头的装料机。

2.2 装料机反馈控制信号的种类

送到装料机的反馈控制信号有三种：

模拟调制：模拟控制信号，如电压或电流环控制信号。

脉冲频率：控制信号为基于重量偏差方向和幅值的一系列输出脉冲数。

脉冲时间：控制信号为基于重量偏差方向和幅值输出脉冲持续时间变化的单脉冲。

2.3 双检重秤装料反馈控制系统

当包装精度要求较高而商品包装的皮重变化需要考虑时，可以采用如图2所示的双检重秤反馈控制装料机装料量，图中，空瓶的重量由检重秤1检测，信号传送到检重秤2的称重显示器上，以进行装料净重的检测。装料净重的检测数据作为反馈信号输入装料机，从而实现装料净重的实时控制。

图2 双检重秤装料量自动控制原理示意图   下载原图

3 标准自动控制过程

在装料机的反馈自动控制过程中，检重秤和装料机是在连续不断地通信，如果检测到商品重量出现偏差，在对生产产生大的负面影响之前，就开始对装料机的装料量进行调整，以确保可以纠正偏差带来的影响。以下是检重秤向装料机发出反馈信号并进行自动控制过程的几个步骤[90]:

步骤1-装料机发生偏差

步骤1显示检重秤检测到装料机的装料量向减少方向发生偏差（如图3所示），如果这种趋势继续下去，装料量的偏差将增加，而商品可能欠重（欠重的商品上打上了叉号）。

步骤2-向装料机发出反馈信号

步骤2显示检重秤的反馈信号发送到装料机，以调整装料量（如图4所示）。但存在一段滞后时间，在这段时间内检重秤不会再指导装料机进行调整。

图3 装料机发生偏差   下载原图

图4 检重秤向装料机发出反馈信号   下载原图

步骤3-在滞后时间后装料机改变装料量

步骤3显示滞后时间等于装料机改变装料量后的商品到达检重秤花费的时间（如图5所示），超过滞后时间，装料机改变了装料量，商品重量恢复正常（正常的商品上打上了勾号）。

图5 在滞后时间后装料机改变装料量   下载原图

步骤4-纠正装料偏差

步骤4显示装料机装料量向减少方向的偏差由反馈控制来纠正（如图6所示）。

图6 纠正装料偏差   下载原图

当生产线的输送速度不变时，如果装料机和检重秤之间的距离增加，更多的包装将位于装料机和检重秤之间，上面提到的滞后时间将延长。所以在理想情况下，检重秤应该紧靠装料机安装，可对装料重量变化作出最直接、最快速的反应。

反馈控制旨在显示随着时间的推移调整装料器的冲料量，有可能调整量不是一次到位，则可以通过逐次逼近的方式进行调整（如图7所示）。

图7 反馈控制趋势图   下载原图

4 反馈控制应用例

4.1 牛奶灌装

国内某集团公司液态奶500g包装的出厂标准是带包装508g，生产工艺控制指标510g，使用检重秤之前，牛奶灌装量的平均值是515.231g，波动幅度为17.5g。原工艺过程无检重设备，灌装机为利乐公司商品，用手动旋钮和拉线对机械装置的包装量进行微调。采用德国碧彩公司CWM750检重秤进行自动控制试验，首先进行检重秤测试，得到的重量分布曲线数据接近理想的正态分布，标准偏差约为1g。自动控制试验时目标重量值设定为510.3g，上限限位值TO1设定为512.6g，下限限位值TU1设定为508g。当通过检重秤反馈信号自动控制灌装机灌装量的试验投入后，灌装量的自动调整是由步进电机带动丝杠并调节拨杆实现的（如图8所示）。试验结果表明：牛奶灌装量的平均值降低到510.299g，波动幅度降低到8g，平均每袋牛奶可节省4g，经济效益可观。

图8 液态奶灌装反馈控制系统示意图   下载原图

1-检重秤2-称重显示器3-根据重量偏差发出脉冲个数不同的信号4-控制系统PLC+HMI 5-步进电机6-连杆7-灌装量调节拨杆8-利乐包装机

4.2 牙膏灌装

赛默飞世尔科技公司在广州宝洁牙膏灌装生产线上安装了双通道检重秤，用于检测和控制牙膏重量（如图9所示）。

牙膏称量范围10g～250g，最大长宽分别为220mm、40mm，通过量为120pcs/min，准确度为0.1g。在牙膏灌装线上增加检重秤设备，除了控制重量上下限，还增加反馈控制选件，以控制牙膏灌装量，从而大大降低不合格商品的比例。反馈设置的上限范围介于标准值容许偏差上限至剔除上限值；反馈控制下限范围介于标准值容许偏差下限至剔除下限值（如图10所示）。根据最新采样队列数据的实际平均重量值，求得反馈误差调整值的脉冲宽度。

图9 牙膏灌装生产线上的双通道检重秤   下载原图

图1 0 反馈控制调节范围   下载原图

反馈上/下限输出采用继电器脉冲输出，接入灌装机的开关量输入，控制伺服电机，改变控制螺距，进而改变灌装牙膏量。比如当监测到牙膏重量采样值向下漂移时，检重秤输出调整信号送到灌装机，调大灌装牙膏量；在灌装机调整灌装牙膏量的过程中，检重秤不再发出调整信号；待灌装机调整灌装牙膏量以后的牙膏通过检重秤时，可以看到牙膏重量采样值向下漂移的趋势已经得到修正；如果牙膏重量采样值达不到质量规定要求，检重秤可再次输出调整信号到灌装机。在没有增加反馈控制之前，宝洁为了避免由于灌装系统误差导致牙膏欠重，采用每支牙膏溢装量2g控制灌装量。按照通过量120pcs/min计算，年产量约1.2亿支支，每支牙膏重量为100g，如果溢装量能减少到1g，每年就可以节省120t牙膏灌装量，即可以多装120万支牙膏。以每支牙膏2元成本计算，年减少损失240万元，一台高速高精度检重秤市场价不到40万元，二个月内就能收回投资成本。

4.3 百吉饼面团分切

人们喜欢英国bagel百吉饼厂生产的百吉饼，这是一种经济实惠、易于食用的零食，适合人们快节奏的生活方式，百吉饼厂渴望生产符合客户标准的百吉饼，因此宁愿百吉饼超重，也不能因欠重影响客户的满意度。然而，因百吉饼超重影响了厂家的利润率，而且重量过轻或过重使制造成型的圆圈形百吉饼外形不好看。所以需要控制工艺过程的面团分切，但面临的挑战是复杂的，因为面团在分切过程中有体积膨胀的趋势，使面团密度变小，这样切除的面团重量将变少。虽然分切机能切除体积几乎完全相同的面团块，但在同一个批次开始时切出的面团还是比在该批次结束时切出的面团重。

梅特勒-托利多的高速公司为厂家提供了检重秤的解决方案：储存面团的料斗下有分切机，它将面团分切成一块块大小、形状相近的面团块，随后分配到四条输送生产线上。每条生产线每分钟运行75个百吉饼，系统总通过量为300pcs/min。多通道高速XS系列检重机集成到生产线上，操作员使用一台称重显示器触摸屏用户界面可以监视和控制四条生产线。高速检重秤的数据可与分切机实时通信，并对分切机分切面团的重量进行调整。如检重秤检测出面团的超重信号，将使分切机分切面团重量减少，而检测出面团的欠重信号使分切机分切面团重量增加。检重秤的反馈信息发送到面团分切机，使面团分切机不受发酵影响，始终保持分切面团重量的一致性。新系统能够减少溢装，减少不合格商品，提高效率。高速多通道检重秤采用全不锈钢结构，满足并且超过了美国认证的严格清洁和卫生要求，它还符合高压、高温冲洗的严格IP-69K标准。

4.4 牛肉片托盘包装

美国太平洋西北地区的客户通过牛肉加工机械将牛肉切成片，然后由包装机将牛肉片加到泡沫塑料托盘上，再送到外包装机上将托盘打包，每个托盘中牛肉片的重量范围为1.00 lbs～1.05 lbs。如果托盘重量合格，它将贴上标签装箱出厂。如果托盘重量不合格，它就不贴标签，这个没有标签的托盘将被自动剔除。工作人员必须手动将剔除后的包装拆开、泡沫塑料托盘丢弃，并将牛肉片返回。由于设备配置上的问题，牛肉片包装机和重量价格标签机之间的距离较大，以两者间的包装托盘来计算，约有100个托盘。在如此大的距离内，牛肉片包装机和重量价格标签机之间建立反馈回路很难行得通，由此造成托盘的剔除率超过20%!

为减少返工需要的时间，客户将托盘中牛肉片的重量设定为1.05 lbs以上，这样就使托盘溢装量加大。在包装时间紧迫的情况下客户甚至还会把重量设定上限提高到1.10 lbs，以确保剔除的包装数量减少。由此造成商品溢装的数量明显增加，客户因包装的浪费、过度耗去的劳动力、超重的包装返工和商品的溢装而蒙受损失，他们一直在寻找更好的解决办法。

客户在牛肉片包装机后面直接安装了一台美国VBS公司的检重秤，与原来的牛肉片包装机和重量价格标签机之间的距离有100个托盘相比，安装检重秤后的距离只有7个托盘。通过提供包装重量趋势的反馈，从而迅速改变每个托盘上的牛肉片的重量，这使得客户可以快速及时地消除那些在包装之前就已经超重的托盘，从而大大减少了重量不合格的包装。

安装检重秤后，只有不到2%的托盘超出重量范围。返工量下降了95%!由此客户实现了每年节省6.7万美元!而且这还不包括将商品从包装中取出所耗费的劳动力费用。此外，他们还将托盘中牛肉片的重量范围调整到1.00 lbs～1.04 lbs，从而减少了28%的商品溢装。每个托盘的平均重量为1.014 lbs～1.025 lbs。这种看似微小的重量差异导致了每年10.2万美元的收益。这个客户每年总共得到近17万美元(不包括劳动力费用)的收益，在几周内就收回了检重秤的投资。

5 结束语

检重秤装料过程的自动控制一方面确保商品的净重符合要求，另一方面又尽量减少商品的溢装，以使企业效益最大化。而根据生产现场实际条件采取的多种措施，可以使用户达到这一目标。