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隨著市場競爭的日益激烈, 飼料生產(chǎn)企業(yè)越來越多地關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)。為了適應(yīng)不斷變化的市場需求, 飼料加工行業(yè)呈現(xiàn)小批量、多品種的生產(chǎn)特點(diǎn)。因此, 以精量投料、生產(chǎn)過程計(jì)量、配料、定量包裝為代表的稱重技術(shù)在飼料生產(chǎn)中的應(yīng)用將日益廣泛。
1 稱重技術(shù)的最新發(fā)展
1.1 模擬式稱重傳感器和A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)
電阻應(yīng)變片式稱重傳感器( 亦即模擬式稱重傳感器) 是基于這樣一個(gè)原理: 彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形, 使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片( 轉(zhuǎn)換元件) 也隨同產(chǎn)生變形, 電阻應(yīng)變片變形后, 它的阻值將發(fā)生增大或減小的變化, 再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。模擬式稱重傳感器的基本參數(shù)包括輸出靈敏度、綜合誤差和阻抗。輸出靈敏度: 在滿負(fù)荷( 載荷) 的情況下, 稱重傳感器的直流激勵(lì)電壓每增加1 V, 其輸出的增加量被定義為稱重傳感器的輸出靈敏度, 稱重傳感器輸出靈敏度的單位是mV·V- 1。綜合誤差: 稱重傳感器的誤差由非線性、滯后、蠕變、溫度漂移等組成。稱重傳感器的綜合誤差( FS) 一般為0.03%, 也就是傳感器滿量程的萬分之三左右。
阻抗: 稱重傳感器的輸入阻抗一般在450 Ω左右, 輸出阻抗一般在350 Ω左右。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 稱重技術(shù)中的A/D( 模擬量/數(shù)字量) 轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化, 從雙積分到逐次逼近, 從并行口輸出到串行口輸出, 從分離元件前置放大到高度集成數(shù)字放大,微電子技術(shù)的進(jìn)步為稱重技術(shù)的高速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
目前, 在稱重控制領(lǐng)域中廣泛使用ΣΔ( Sigma-Delta) 技術(shù)的高精度A/D 轉(zhuǎn)換器件, 該器件將數(shù)字可編程增益放大器( PGA) 、增益及零點(diǎn)校正電路、數(shù)字濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路封裝在一顆高性能集成電路中, 由于采用串行的I2C 總線輸出,器件的體積變得非常小巧。A/D 轉(zhuǎn)換可以高達(dá)24位, 同時(shí)其采樣速度也可以達(dá)到4 000 次·s- 1, A/D數(shù)據(jù)輸出速度達(dá)到100 次·s- 1 或更高, 線性誤差為FS 的百萬分之七。
1.2 整體式數(shù)字傳感器
整體式數(shù)字傳感器在原模擬傳感器的基礎(chǔ)上,增加了數(shù)字轉(zhuǎn)換甚至數(shù)字修正、數(shù)字濾波和數(shù)字補(bǔ)償?shù)裙δ?。由于用?shù)字信號(hào)輸出替代原來的模擬信號(hào)輸出, 從而克服了傳統(tǒng)傳感器的模擬信號(hào)容易受到干擾和衰減等諸多缺欠, 大大提高了稱重系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字傳感器的分辨率可達(dá)到百萬分之一[ 1 ]。數(shù)字稱重傳感器使用方便, 易于構(gòu)成稱重控制系統(tǒng)。但是數(shù)字傳感器的高成本成為它的最大缺點(diǎn)。
1.3 分體式數(shù)字傳感器
近年來, 分體式數(shù)字傳感器也得到了快速發(fā)展。分體式數(shù)字傳感器是將原先在數(shù)字傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路移至接線盒內(nèi), 通常將具有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒, 再將數(shù)字接線盒輸出的數(shù)字信號(hào)傳遞給顯示控制器, 與整體式數(shù)字稱重傳感器相比, 分體式數(shù)字傳感器具有成本低,便于由多個(gè)傳感器構(gòu)成稱重單元和易于維護(hù)等明顯優(yōu)點(diǎn)。
1.4 重量變送器
重量變送器常用的有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬重量變送器是將稱重傳感器重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào), 如: 4～20 mA、0～5 V( 直流) 、0～10V( 直流) 。
數(shù)字重量變送器在分體式數(shù)字傳感器的基礎(chǔ)上, 增加了校準(zhǔn)、皮重處理等功能, 數(shù)字重量變送器的輸出可以是稱重系統(tǒng)的凈重, 同時(shí)數(shù)字重量變送器還具備一定的遠(yuǎn)程控制功能。
2 精確投料和生產(chǎn)過程中間計(jì)量
精確投料是指運(yùn)用高精度稱重設(shè)備, 對(duì)生產(chǎn)中的投料過程進(jìn)行精確控制, 使飼料產(chǎn)品的單批次產(chǎn)量滿足生產(chǎn)計(jì)劃的需求, 避免人為因素造成的投料誤差。生產(chǎn)過程中的中間計(jì)量是對(duì)飼料生產(chǎn)中的工藝過程進(jìn)行精確控制, 以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,使得生產(chǎn)中的工藝調(diào)整更有的放矢。
2.1 精確投料秤結(jié)構(gòu)及工作原理
精確投料秤可以分為粗、細(xì)( 大、小) 給料裝置, 稱重部件和下料部件。其結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。系統(tǒng)工作時(shí), 粗、細(xì)給料裝置向秤斗( 稱重部件) 加料, 穩(wěn)定稱重后得到每秤的真實(shí)重量并進(jìn)行累加, 當(dāng)下料( 斗) 部件上的料位器檢測到斗內(nèi)物料已經(jīng)排空后, 電腦稱重控制器將秤斗中的物料排進(jìn)下料斗, 完成一個(gè)稱重循環(huán)。精確投料秤采用專用的稱重控制軟件, 按預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)重量進(jìn)行投料, 當(dāng)累計(jì)投料重量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的重量值時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)停止工作并提示操作人員。
2.2 中間計(jì)量秤( 流量秤) 結(jié)構(gòu)及工作原理
中間流量秤結(jié)構(gòu)與精確投料秤結(jié)構(gòu)基本相同,由于無需考慮給料精確性問題, 所以中間流量秤只需要一級(jí)給料就可以滿足使用要求。中間流量秤結(jié)構(gòu)同樣為給料裝置、稱重部件和下料部件。其結(jié)構(gòu)形式與精確投料秤相近。系統(tǒng)工作時(shí), 給料裝置向秤斗( 稱重部件) 加料, 穩(wěn)定稱重后得到每秤的真實(shí)重量并進(jìn)行累加,當(dāng)下料( 斗) 部件上的料位器檢測到斗內(nèi)物料已經(jīng)排空后, 電腦稱重控制器控制將秤斗中的物料排進(jìn)下料斗, 完成一個(gè)稱重循環(huán)。精確投料秤和中間流量秤都可以通過國際標(biāo)準(zhǔn)的RS 485 接口將累加重量等信息向上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸, 以便對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中控制。
3 稱重配料的實(shí)現(xiàn)方法
3.1 減重( 量) 法實(shí)現(xiàn)配料
減重( 或者叫申克Schenck) 秤因最早由德國工程師發(fā)明而得名。減重配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于減量配料秤是“通過控制稱重料斗內(nèi)的重量輸出來確定裝料質(zhì)量的自動(dòng)裝料衡器”。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該參照QB/ T 2501—2000《重力式自動(dòng)裝料衡器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家鑒定規(guī)程JJG564—2002《重力式自動(dòng)裝料衡器》或國際法制計(jì)量組織OIML R61執(zhí)行。
由圖2 可見, 減量秤出料裝置連接在稱重單元上, 省掉了計(jì)量斗, 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。特別適合用做粉狀等有黏性的特殊物料配料。由于減重秤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 相對(duì)于每次裝料稱重單元的量程要大得多( 一般為5 倍或更高) , 因而減重秤的定量精度相對(duì)較低。
3.2 增量法實(shí)現(xiàn)配料
累加式配料系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示, 設(shè)置多個(gè)給料裝置向同一個(gè)稱重單元供料, 由多個(gè)稱重周期構(gòu)成一個(gè)配料過程。由于滿足“有一個(gè)稱重單元, 通過多個(gè)稱重周期, 控制每次輸出的裝料質(zhì)量的重力式自動(dòng)裝料衡器”的定義, 因此, 累加式配料系統(tǒng)屬于重力式自動(dòng)裝料衡器的范疇, 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該參照QB / T2501—2000《重力式自動(dòng)裝料衡器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家鑒定規(guī)程JJG 564—2002《重力式自動(dòng)裝料衡器》或國際法制計(jì)量組織OIML R61 執(zhí)行。為了保證系統(tǒng)的配料精度, 一般要限制系統(tǒng)配料的比例。各個(gè)成分間重量比例越高, 相應(yīng)的配比中比份小的物料的配料精度就會(huì)越低。
3.3 配料系統(tǒng)控制方法及人機(jī)交互技術(shù)
稱重配料控制系統(tǒng)主要由儲(chǔ)料倉、給料裝置、稱重裝置、輸送裝置、電控柜、微機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成, 可完成多種物料不同配方配料的自動(dòng)供料配料。
3.3.1 由模擬傳感器和專用配料控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)
配料控制器除具有一般稱重顯示儀表的功能外, 還具有配方輸入、配方存儲(chǔ)、給料順序設(shè)定、放料控制、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?。工作時(shí)只要在專用配料控制器上輸入工藝配方, 配料控制器即對(duì)各料倉給料順序、給料方式、稱重、卸料等進(jìn)行控制。該系統(tǒng)適用于物料品種少( 一般在4 種以下) , 常用配方數(shù)量不多, 不需對(duì)配方數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的場合應(yīng)用。其人機(jī)交互性較差,但其結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)造價(jià)低、維護(hù)方便。
3.3.2 由數(shù)字變送器、PLC 和觸摸屏構(gòu)成控制系統(tǒng)
配料控制系統(tǒng)自從采用了PLC 控制后, 系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指示均有了明顯的提高, 充分體現(xiàn)了可靠、快速、靈活的控制特點(diǎn), 滿足了較為復(fù)雜的工藝要求, 實(shí)現(xiàn)了以往難以做到的多種復(fù)雜控制和故障保護(hù), 使系統(tǒng)具備了小型化、操作維護(hù)簡單化和控制智能化的特點(diǎn)。
在PLC 硬件設(shè)計(jì)上, 僅保留直接面向人和設(shè)備的輸入和輸出的接口, 省去了一切中間環(huán)節(jié), 大大節(jié)約了系統(tǒng)的投資。在PLC 的軟件設(shè)計(jì)上, 采用靈活的編程方式, 使程序更加簡潔易讀、易修改, 也使得系統(tǒng)在控制功能上有著更大的靈活性和適應(yīng)性。采用觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控, 可靠性高, 監(jiān)控實(shí)現(xiàn)容易, 觸摸屏與PLC 之間的通信問題生產(chǎn)廠商已處理好, 用戶不用考慮通信問題, 可以大大縮短工程周期。但靈活性一般, 功能有限, 不能滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的監(jiān)控要求, 而且價(jià)格高。在系統(tǒng)可靠性要求高、工期短的情況下可以采用此方法。
3.3.3 由數(shù)字變送器、PLC 和工控機(jī)( 組態(tài)軟件) 構(gòu)成控制系統(tǒng)
PLC 組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控一般有3 種方法: 觸摸屏監(jiān)控、組態(tài)軟件監(jiān)控、第三方軟件編制的監(jiān)控軟件監(jiān)控。用第三方軟件編制的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控, 靈活性好, 系統(tǒng)投資低, 能適用于各種系統(tǒng)。但開發(fā)系統(tǒng)工作量大、可靠性難保證, 對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平要求高, 還必須購買通信協(xié)議軟件。在系統(tǒng)資金投資有限、技術(shù)人員水平較高的情況下可以采用此方法。
并用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控, 功能強(qiáng)大, 靈活性好, 可靠性高。但軟件價(jià)格高, 需要解決組態(tài)軟件與PLC 的通信問題。在復(fù)雜控制系統(tǒng)中可以采用此方法。組態(tài)軟件是運(yùn)行于PC 平臺(tái)的一個(gè)通用工具軟件, 和PC 機(jī)或工控機(jī)一起也可以組成HMI 產(chǎn)品。通用的組態(tài)軟件支持的設(shè)備種類多一些, 而且由于其硬件平臺(tái)的性能強(qiáng)大( 在速度和存儲(chǔ)容量上) , 通用組態(tài)軟件的功能也強(qiáng)很多[ 2 ]。由數(shù)字變送器、PLC 和工控機(jī)( 組態(tài)軟件) 構(gòu)成的配料控制系統(tǒng)如圖4 所示。大中型塑膠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)成以“ 工控機(jī)+PLC”的配置較為常見。
PLC 作為塑膠配料測控系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器, 工控機(jī)用作上位機(jī), 可通過多種通信方式與PLC 通訊,接收PLC 傳送來的數(shù)據(jù)信息, 利用組態(tài)軟件, 可以很方便的進(jìn)行實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、顯示、打印等功能。
4 飼料及添加劑的定量包裝
由于飼料、添加劑以及預(yù)混料的比重、流動(dòng)性等物理特性的差異, 所選用的相應(yīng)包裝設(shè)備結(jié)構(gòu)也將有所不同。電腦定量秤可以采用國際法制計(jì)量組織( OIMLR61) 建議或等效的國家計(jì)量鑒定規(guī)程JJG 564—2002《重力式自動(dòng)裝料衡器》標(biāo)準(zhǔn), 其精度等級(jí)用X( x) 表示, 比如: 0.2 級(jí)和0.5 級(jí)分別表示為X( 0.2) 和X( 0.5) [ 3 ]。設(shè)計(jì)優(yōu)良的稱重控制軟件具有良好的用戶界面, 同時(shí)可以優(yōu)化大給料點(diǎn)、小給料點(diǎn)等系統(tǒng)工作參數(shù), 經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)可以在掉電的情況下保存十年之久。
電腦定量秤都可以通過RS485 接口將每包重量等信息向上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸, 以便對(duì)累計(jì)重量、累計(jì)計(jì)量誤差等進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 產(chǎn)生日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表等, 方便管理。
4.1 顆粒物料的定量包裝
顆粒狀物料( 比如水產(chǎn)飼料) 的流動(dòng)性非常好。因此, 電腦定量秤基本利用物料流動(dòng)性好的特點(diǎn),采用活門自落料的給料方式。對(duì)于要求定量精度高或較小秤量量程的場合, 也可以使用振動(dòng)給料的結(jié)構(gòu)形式。
4.1.1 顆粒物料的大袋定量包裝
20~50 kg 的電腦定量秤采用3 只稱重傳感器懸掛秤斗, 氣缸驅(qū)動(dòng)大、小活門方式給料。具有秤斗穩(wěn)定性好、定量速度快、精度高的特點(diǎn)。
4.1.2 顆粒物料的小袋定量包裝
1.0~5.0 kg 的顆粒小包裝電腦定量秤, 采用具有兩個(gè)獨(dú)立稱重單元的雙秤結(jié)構(gòu), 使用單只懸臂梁式稱重傳感器連接秤斗。由氣缸驅(qū)動(dòng)的活門和振幅可以調(diào)整的振動(dòng)給料器分別構(gòu)成大、小給料系統(tǒng),這樣的給料系統(tǒng)充分利用了活門給料快速和振動(dòng)給料精確的特點(diǎn), 電腦定量秤包裝速度快, 精度高。
4.2 顆粒、粉狀混合物料的定量包裝
顆粒、粉狀混合物料( 畜禽飼料) 多采用皮帶輸送式給料裝置, 亦即采用小型皮帶機(jī)供送物料, 可采用變頻技術(shù)改變皮帶機(jī)的帶速, 進(jìn)行給料速度的調(diào)節(jié), 也可以使用控制物料厚度的插板和截料門控制形成兩極給料模式。由于使用截料門、皮帶上物料厚度調(diào)節(jié)擋板、
變頻電機(jī)等一系列技術(shù)措施, 保證了給料電腦定量秤高速、高精度、穩(wěn)定的工作。
4.3 粉狀物料的定量包裝
粉狀物料使用螺旋( 絞籠) 推進(jìn)式給料裝置給料, 由于定量包裝的重量不同, 電腦定量秤的結(jié)構(gòu)也有變化。
4.3.1 粉狀物料的大袋定量包裝
粉狀物料的大袋定量包裝一般使用大絞籠和小絞籠構(gòu)成兩級(jí)給料系統(tǒng)。兩只絞籠均呈水平布置。為提高系統(tǒng)的計(jì)量精度, 在絞籠出口處設(shè)有截料門。
秤斗采用圓柱形內(nèi)開門結(jié)構(gòu), 3 只稱重傳感器呈120°分布懸掛秤斗。稱重系統(tǒng)具有穩(wěn)定、密封性好的特點(diǎn)。
4.3.2 粉狀物料( 添加劑) 的小袋定量包裝
粉狀物料的小袋包裝( 0.1~5.0 kg) 一直是電腦定量包裝中的難題, 其難度主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面由于粉料大多具有黏性, 這使得給料變得很困難, 同時(shí)物料也容易粘到所接觸的地方; 另一方面在包裝的過程中容易揚(yáng)塵, 如果使用塑料袋包裝, 由于靜電的作用, 粉料容易粘到包裝袋上, 使熱合封口非常困難。
市場上最新設(shè)計(jì)的粉狀物料小包裝電腦定量秤, 采用全新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 很好地解決了粉料小包裝電腦計(jì)量中的技術(shù)難題。如圖5 所示, 系統(tǒng)采用錐形料斗儲(chǔ)存物料, 豎絞籠給料的工作方式; 豎絞籠采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。夾袋機(jī)構(gòu)和秤臺(tái)一體作為承重部件安裝到稱重傳感
器上。系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)后, 首先步進(jìn)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng), 快速向口袋( 罐) 中加入物料, 當(dāng)接近包裝重量時(shí), 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)豎絞籠慢速向口袋( 罐) 中加入物料, 當(dāng)重量達(dá)到目標(biāo)包裝重量時(shí), 步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng), 完成一個(gè)稱重周期。
由以上的工作過程可以看出, 由于沒有傳統(tǒng)定量包裝秤的計(jì)量斗, 絞籠排的物料直接進(jìn)入包裝容器中, 從而從根本上避免了由于黏料帶來的計(jì)量誤差; 同時(shí)罐裝的過程是一個(gè)漸進(jìn)的相對(duì)平穩(wěn)的過程, 避免了傳統(tǒng)電腦定量秤開秤斗門集中罐裝時(shí)帶來的粉料流量過大、包裝容器中的空氣由于不能在瞬間排出而與粉料親和造成大量揚(yáng)塵的問題。該型粉狀料電腦定量秤由于機(jī)械結(jié)構(gòu)合理, 運(yùn)行可靠, 可以滿足高速度、高精度粉狀物料定量包裝的需求。
5 結(jié)束語
從精確投料到中間計(jì)量, 從系統(tǒng)配料到最后成品的定量包裝, 現(xiàn)代稱重控制技術(shù)在飼料生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)管理水平的不斷提高, 稱重控制技術(shù)在包括飼料行業(yè)在內(nèi)的很多生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用前景將十分廣闊。

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