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1 引言

自動配料系統(tǒng)是對粉粒或液體物料進行單秤稱重并按所選配方混合這一工業(yè)過程進行實時監(jiān)控管理的自動化系統(tǒng), 已廣泛應用于冶金、建材、化工、醫(yī)藥、糧食及飼料等行業(yè) [1] 。 一般的工業(yè)自動配料系統(tǒng)由以下幾部分組成。

( 1) 給料部分: 給料部分是從料倉( 或儲罐) 向稱重設備中加料的執(zhí)行機構。 根據(jù)物料的不同特性, 可以選用不同的給料設備, 如電磁振動給料機、螺旋給料機、單( 雙) 速電磁閥等。

( 2) 稱量部分: 稱量部分由傳感器、標準連接件、接線盒和稱量斗組成, 與稱量儀表一起進行物料的稱量以及誤差的檢測。

( 3) 排料設備: 排料可以是稱重設備( 減量法) 或排放設備( 增量法、零位法)。 通常由排空閥門、電磁振動給料機、螺旋給料機、電( 氣) 動閥門等組成。 所有設備均應根據(jù)現(xiàn)場的工藝條件和物料的性質等進行設計和選擇。

( 4) 配料控制系統(tǒng): 配料控制系統(tǒng)由稱量儀表、可編程控制器、上位工控機及其它控制器件等組成。

( 5) 校秤系統(tǒng): 配料系統(tǒng)傳感器應進行定期調(diào)校, 以保證系統(tǒng)配料精度[ 2] 。

本文就各有關部分對精度的影響作如下分析:

2 稱重方式對系統(tǒng)精度的影響

在工業(yè)配料過程中, 常用稱重方式有兩種, 即進料式稱量和卸料式稱量 [ 3]。

進料式稱量有兩種實現(xiàn)方法, 第一種: 稱量料斗接收、稱量好一種物料后, 不排空料斗, 而是只將電子秤內(nèi)部計數(shù)值清零,再接收另一物料, 這種方式稱為增量法; 第二種: 在稱量開始時通過給料設備向稱量料斗內(nèi)給料, 在稱量值達到設定值時停止給料,然后打開閘門將物料卸出, 再從零位重新稱量下一物料,這種方式稱為零位法。 顯而易見, 零位法的稱量精度比增量法的稱量精度高。

在進料式稱量時, 當給料設備停止給料后, 還將有一部分物料在空中以自由落體的方式落入稱量料斗, 這些余料稱為落差。由于有落差的影響, 所稱物料重量的設定值應為要配制的物料標準重量減去落差值 。

卸料式稱量是首先向料斗內(nèi)裝入始終多于配方要求的物料, 然后自料斗內(nèi)向外卸料來進行稱量, 落下的物料的重量就是要配制的物料的重量, 因此這種方法又稱減量法。 減量法稱量還可以進一步省去料斗, 直接將傳感器安裝在料倉上, 料倉中物料總重量減少的數(shù)值就是要配制的物料的重量值, 但這樣由于精度太低而較少采用。

為保證稱量速度和稱量精度, 在進料式稱量時一般采用給料設備雙速給料的方法, 即先快速給料至設定值的90%～ 95%,以保證稱量速度, 然后慢速給料, 以保證稱量精度。 對于減量法則采取雙速卸料, 即先快速卸料, 到達設定值的 90%～ 95%時改為慢速卸料 [ 4] 。 采用雙速給料( 卸料) 的增量法、零位法、減量法稱量方式下的時間與重量關系分別如圖 1-a) 、1-b) 和 1-c)所示。

在進料式稱量中, 由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不凈, 從而產(chǎn)生稱量誤差。 卸料式稱量只稱量從料斗中取走的物料量并顯示其重量, 不存在卸料干凈與否的問題 , 因而該方式特別適合于稱量難稱的物料, 比如易粘附的物料等 , 其缺點是設備比較復雜, 需要同時有給料裝置和卸料裝置, 并且由于稱量料斗內(nèi)的物料重量值總是高于需要配制的物料的重量值, 從而導致傳感器量程增大, 并直接影響到系統(tǒng)的精度。一般而言,卸料式稱量的精度比進料式稱量的精度略低。

3 生產(chǎn)線結構形式對系統(tǒng)精度的影響

在工程中, 常用的稱重配料生產(chǎn)線一般有以下幾種結構:

( 1) 采用固定式單組份料斗秤的結構: 每個料倉對應一臺料斗秤, 各組份原料在稱量后由溜槽、集料皮帶或集料小車收集并導入后續(xù)工序。

( 2) 采用固定式多組份料斗秤的結構: 幾個料倉對應一臺料斗秤, 各組份原料在同一臺料斗秤內(nèi)累加稱量后由集料皮帶或集料小車收集并導入后續(xù)工序。

( 3) 采用移動式料斗秤的結構: 通過移動帶有稱量料斗的集料小車進行各種物料的累加式稱量。

( 4) 采用稱重皮帶機式的多組份秤的結構: 料倉得出料機構就是多組份秤的給料機構, 各種物料在移動的配料皮帶上由皮帶秤進行累加稱重。

對于以上這幾種結構的生產(chǎn)線, 采用固定式單組份料斗秤的結構的生產(chǎn)線的配料精度最高, 但由于每種物料都要有一臺稱量儀表和一套傳感器, 因而成本也最高[5] 。 采用固定式單組份料斗秤結構并采用集料小車收集配制完畢的物料的配料生產(chǎn)線結構原理如圖 2所示。

4 配料控制系統(tǒng)對精度的影響

工業(yè)自動配料系統(tǒng)一般采用集散控制系統(tǒng)結構或基于現(xiàn)場總線的控制結構, 對于一些比較簡單的稱重配料系統(tǒng), 也可以采用工業(yè)計算機(IPC)加數(shù)據(jù)采集板卡的形式進行配料過程的控制。 一種典型的基于 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的配料控制系統(tǒng)如圖3 所示。

配料控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要是稱重傳感器、稱量儀表、可編程控制器、上位工控計算機等; 軟件部分則主要包括可編程控制器的控制算法和上位工控計算機的監(jiān)控程序。

配料控制系統(tǒng)中影響配料精度的因素主要有稱重傳感器、稱量儀表、控制元件的響應時間和執(zhí)行機構性行程時間以及PLC 的控制算法等 [6] 。

4. 1 稱重傳感器

電阻應變式傳感器是目前稱重配料系統(tǒng)中最常用的的稱重傳感器, 影響其測量精度的主要因素有以下幾個方面。

( 1) 受力形式與安裝方式的選擇: 稱重傳感器有受拉和受壓兩種形式, 其安裝形式有一點式安裝、三點式安裝、四點式安裝三種。 拉力傳感器一般采用懸吊安裝, 因給料沖擊和閘門開啟等使稱量料斗晃動會影響傳感器的計量性能。 壓力傳感器采用固定安裝, 只能承受垂直作用力來進行測量, 水平力有可能導致傳感器彈性梁的損壞 。無論哪種傳感器, 在多傳感器安裝時, 都會有各傳感器受力不均的現(xiàn)象, 從而對系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響。

( 2) 密封方式的選擇

稱重傳感器安裝在工業(yè)現(xiàn)場, 環(huán)境比較惡劣, 若不加可靠密封, 就會受到工作現(xiàn)場潮氣、腐蝕性氣體、灰塵等的損害, 從而使系統(tǒng)精度受到影響, 因此必須選擇合適的密封方式, 以保證傳感器長期可靠穩(wěn)定工作。

( 3) 量程選擇

確定傳感器的量程要綜合考慮各種因素, 主要包括被稱物料和料斗的最大重量、傳感器的數(shù)量、可能產(chǎn)生的偏載、動載、沖擊及其它附加產(chǎn)生的干擾力等。

從系統(tǒng)的可靠性來考慮, 應選擇較大量程的傳感器 , 但從稱量精度來看, 傳感器應選擇較小量程, 因此, 必須根據(jù)具體情況合理選擇傳感器的量程, 一般應使傳感器工作于其滿量程的30%～ 70%之間。

( 4) 傳感器性能指標

主要是指非線性誤差、遲滯、重復性、零漂和蠕變等指標, 這些誤差將對傳感器的合成誤差產(chǎn)生影響。

( 5) 傳感器的橋路連接

在工業(yè)應用中一般采用多傳感器串聯(lián)或并聯(lián)方式, 以獲得較大信號輸入并減小單個傳感器的量程。 目前一般采用并聯(lián)組秤的方式。

4. 2 稱重儀表

影響稱重儀表測量精度的主要因素有內(nèi)部 ADC 的 A D 轉換方式、A D 采樣速度及轉換精度等。

4. 3 控制元件的響應時間和執(zhí)行機構行程時間

控制元件的響應時間和執(zhí)行機構行程時間都會影響配料系統(tǒng)的精度。而這兩個時間與器件的性能和使用時間的長短等因素有關系。

4. 4 稱重控制算法的設計

采用進料式稱量時, 由于落差的影響, 當停止給料后, 還有一部分物料在空中以自由落體方式落入稱量料斗。 因此, 要為了保證配料精度, 必須設計一個終止給料提前量的控制算法, 對終止給料提前量進行控制, 以減小落差對配料精度產(chǎn)生的影響,使實際配料值保持在誤差范圍內(nèi)。

資料[ 7] 給出了一種配料控制算法, 該算法利用了配料系統(tǒng)生產(chǎn)過程為多次重復稱量的特性, 利用當次稱量的結果對下次配料時的終止給料提前量進行修正。 經(jīng)過有限幾次的試配制后, 就可以使所配制物料的靜態(tài)稱量值保持在誤差范圍內(nèi)。

5 影響配料系統(tǒng)精度的其他主要因素

在工業(yè)自動配料系統(tǒng)中, 還有一些因素會影響到系統(tǒng)的配料精度, 這些因素主要包括以下幾個方面。

5. 1 物料特性

主要是指物料的流動性、物料的粘度、吸潮性以及物料形狀的均勻程度等。這些因素會直接影響到物料在配制過程中的流動情況, 從而影響到配料的精度。

5. 2 給料量的控制

( 1) 給料速度: 給料速度指標與給料精度指標是矛盾的, 加快給料速度, 可以降低配料時間, 而要求提高配料的精度, 就必須延長給料時間。

( 2) 料倉中料位的影響: 料倉中料位過低或者缺料有可能引起給料無法達到設定值。

( 3) 給料機出料口至稱量料斗的高度: 切斷給料機電源, 停止給料后, 自給料機至稱量料斗中間的空中落料( 落差) 是影響配料精度的主要誤差來源之一。給料機出料口至稱量料斗的高度越大, 落差值也越大, 精度越不易控制。

5. 3 稱量料斗

如果系統(tǒng)中每次配制的物料都較少, 稱量料斗的重量會影響到稱重傳感器量程的選擇。 另外, 稱量料斗的剛度也會影響傳感器的受力情況。

5. 4 系統(tǒng)校準精度的影響

系統(tǒng)必須在靜態(tài)砝碼校準及動態(tài)實物校準后才能投入生產(chǎn), 并需要定期調(diào)校。

6 結語

根據(jù)以上對影響配料精度主要原因的分析, 作者設計了一套藥芯焊絲自動配粉系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用零位法稱量, 增量法復核的稱量方法, 生產(chǎn)線采用螺旋給料機給料、移動式料斗秤稱量的結構形式。 該系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運行一年有余, 其系統(tǒng)精度比原來采用人工配制有大幅提高, 而且降低了車間的環(huán)境污染, 節(jié)約了人力成本。

總之, 自動配料系統(tǒng)是一個復雜的自動控制系統(tǒng), 要保證配料的精度, 必須根據(jù)工藝要求、所需配制物料的特性等因素進行綜合分析, 首先選擇合理的稱量方式和生產(chǎn)線的結構形式, 然后正確選擇傳感器、稱量儀表以及設計合理的控制算法并綜合考慮其他相關因素,這樣才能設計出精度高、成本低、符合要求的自動配料系統(tǒng)。

 

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