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自動配料系統(tǒng)是對粉?；蛞后w物料進(jìn)行單秤稱重并按所選配方混合的工業(yè)過程進(jìn)行實時監(jiān)控管理的自動化系統(tǒng), 已廣泛應(yīng)用于冶金、 建材 、 化工 、醫(yī)藥、 糧食與飼料等行業(yè) 。工業(yè)配料系統(tǒng)的特點是:

( 1)配料現(xiàn)場粉塵大, 環(huán)境惡劣 ;

( 2)各組份在配方中所占比例不同, 有時甚至差異懸殊 ;

( 3)配料速度和精度要求高 ;

( 4)配方可能經(jīng)常變換 、 調(diào)整;

( 5)物料可能受環(huán)境溫度、 濕度影響 。

1 稱重配料系統(tǒng)的組成

一般的自動配料系統(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(shè)備中加料的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。根據(jù)物料的不同特性, 選用不同的給料設(shè)備 , 如電磁振動給料機(jī)、 螺旋給料機(jī) 、 單 ( 雙)速電磁閥等。

( 2)稱量部分

稱量部分由傳感器、標(biāo)準(zhǔn)連接件、 接線盒和稱量斗組成 , 與稱量儀表一起進(jìn)行物料的稱量以及誤差的檢測 。

( 3)排料設(shè)備

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

( 4)控制系統(tǒng)

配料控制系統(tǒng)由稱量儀表、上位工控機(jī)、 可編程控制器及其他控制器件等組成。典型的配料控制系統(tǒng)如圖 1 所示 。在一些比較簡單的稱重配料系統(tǒng)中, 也可以采用工業(yè)計算機(jī) (IPC) 加數(shù)據(jù)采集板卡的形式進(jìn)行配料的控制。

( 5)校秤系統(tǒng)

配料系統(tǒng)傳感器應(yīng)定期進(jìn)行調(diào)校 , 以保證系統(tǒng)配料精度。

2 配料技術(shù)的最新進(jìn)展

目前, 稱重配料系統(tǒng)的流程控制幾乎全部由可編程控制器 ( PLC)來實現(xiàn) , 上位計算機(jī)主要用于配方管理、 屏幕人機(jī)對話和稱重資料的存儲打印等工作。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展 , 配料系統(tǒng)中的稱量儀表由最初的專用積木式儀表發(fā)展為智能化的工業(yè)控制終端以及專門的配料控制器。配料控制器是用來控制一種或多種物料的配制的微電腦系統(tǒng) , 可以完全或部分取代可編程控制器 , 實現(xiàn)配料的自動化 。稱量儀表的功能也由最初的資料顯示發(fā)展為具有自診斷、 自動零位跟蹤、置零去皮、 預(yù)置點輸出 、 動態(tài)稱重、 數(shù)據(jù)通信等多項功能 。

近年來 , 隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣, 將傳統(tǒng)的配料控制系統(tǒng)改進(jìn)為基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)成為科技進(jìn)步的必然趨勢 。目前, 許多用于配料的稱重儀表已經(jīng)有了 Profibus、 Modbus 等現(xiàn)場總線接口 ,使基于現(xiàn)場總線的配料控制系統(tǒng)成為可能, 基于現(xiàn)場總線的配料控制系統(tǒng)正在迅速推廣。

3 配料系統(tǒng)的設(shè)計

配料系統(tǒng)的設(shè)計包括稱重方式選擇、 給料方式選擇 、 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)方式選擇、 配料控制系統(tǒng)的設(shè)計等。

3. 1 稱重方式選擇

在工業(yè)配料過程中, 常用稱量方式有進(jìn)料式稱量和卸料式稱量 2 種 。

進(jìn)料式稱量有 2 種實現(xiàn)方法 , 第 1 種方式稱為零位法, 即在稱量開始時通過給料設(shè)備向稱量料斗內(nèi)給料, 在稱量值達(dá)到設(shè)定值時停止給料,然后打開閘門將料卸出 , 再從零位重新稱量下一物料;第2 種方式稱為增量法 , 即稱量料斗接收 、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 。顯然, 零位法的稱量精度比增量法的稱量精度高 。

采用進(jìn)料式稱量 , 當(dāng)給料設(shè)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 。因為有落差的影響, 增量法稱量物料重量的設(shè)定值應(yīng)為要配制的物料標(biāo)準(zhǔn)重量減去落差值 。

為保證稱量速度和稱量精度, 在進(jìn)料式稱量時一般采用雙速給料的方法 , 即先快速給料至設(shè)定值的90%～ 95%, 以保證稱量效率, 然后慢速給料 ,以保證稱量精度 。

卸料式稱量首先向料斗內(nèi)裝入始終多于配方要求的物料 , 然后自料斗內(nèi)向外卸料進(jìn)行稱量, 落下的物料的重量就是要配制的物料的重量 。減量法稱量還可以省去料斗, 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, 此方法由于精度太低而較少采用。減量法只能一料一秤。

同樣為了兼顧速度和精度 , 減量法也采取雙速卸料, 一般是先快速卸料, 到達(dá)設(shè)定值的 90%～95%時改為慢速卸料。

3 種方式的稱量時間和重量曲線如圖 2所示。

在進(jìn)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 , 如易粘附的物料等, 其缺點是設(shè)備比較復(fù)雜 , 需要同時有給料裝置和卸料裝置,要求車間高度較高 , 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(dǎo)致傳感器量程增大, 造成稱量精度降低 。因而一般情況下卸料式稱量的精度比進(jìn)料式稱量的精度低。

3. 2 給料方式選擇

目前, 稱重配料系統(tǒng)最常用的給料裝置有電磁振動給料機(jī)和螺旋給料機(jī)。

電磁振動給料機(jī)運(yùn)用機(jī)械振動學(xué)的共振原理,雙質(zhì)體在低臨界近共振狀態(tài)下工作 , 無轉(zhuǎn)動部件、耗電少 、 體積小、 重量輕、 運(yùn)行費(fèi)用低。在給料過程中, 物料在料槽中被連續(xù)拋起 , 并按拋物線軌跡向前作跳躍運(yùn)動, 因此對料槽的磨損較小 。其缺點是安裝后的調(diào)試較復(fù)雜 , 調(diào)整不當(dāng)會產(chǎn)生噪聲且運(yùn)行不好 。

與電磁振動給料機(jī)相比 , 螺旋給料機(jī)給料均勻 , 受外界影響小 , 機(jī)械振動小 , 運(yùn)行平穩(wěn), 對稱量的干擾也小 , 可以避免因振動造成的粉料分層。但螺旋給料機(jī)上安裝有電動機(jī)和減速器, 重量大,效率較低。

對于液體物料 , 一般采用閥門控制給料量 。

3. 3 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

( 1)采用固定式單組份料斗秤的結(jié)構(gòu)

每個料倉對應(yīng) 1 臺料斗秤 , 各組份原料在稱量后由溜槽、集料帶或集料小車收集并導(dǎo)入后續(xù)工序。

( 2)采用固定式多組份料斗秤的結(jié)構(gòu)

幾個料倉對應(yīng) l 臺料斗秤 , 各組份原料在同一臺料斗秤內(nèi)累加稱量后由集料帶或集料小車收集并導(dǎo)入后續(xù)工序 。

( 3)采用移動式料斗秤的結(jié)構(gòu)

通過移動帶有稱量料斗的集料小車進(jìn)行各種物料的累加式稱量。采用這種方式進(jìn)行配料需要集料小車有很好的定位精度。

( 4)采用稱重帶式輸送機(jī)式的多組份秤的結(jié)構(gòu)

料倉的出料機(jī)構(gòu)就是多組份秤的給料機(jī)構(gòu), 各種物料在移動的配料帶上由皮帶秤進(jìn)行累加稱重 。

以上幾種結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)線中, 采用固定式單組份料斗秤的結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)線的配料精度最高, 但由于每種物料都要有 1臺稱量儀表和 l 套傳感器, 因而成本也最高。采用固定式單組份料斗秤結(jié)構(gòu)并采用集料小車收集配制完畢的物料的配料生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示 。

3. 4 配料控制系統(tǒng)的設(shè)計

在工業(yè)配料生產(chǎn)過程中, 一般應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)全自動 、 半自動、 手動配料 , 可以在不同工作模式之間進(jìn)行切換 , 配料控制系統(tǒng)必須有很高的可靠性 ,保證系統(tǒng)連續(xù)正常工作 , 出現(xiàn)故障時能及時報警 ,并能夠緊急停車 , 防止系統(tǒng)出現(xiàn)事故。生產(chǎn)過程中的上位機(jī)除了直接顯示現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)外, 還要求具有歷史數(shù)據(jù)的處理功能以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)報表和配方管理等功能。

配料控制系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要是傳感器與儀表的選擇、可編程控制器的選擇、 上位工控計算機(jī)的選擇等;軟件設(shè)計主要包括可編程控制器的程序設(shè)計和上位工控計算機(jī)的監(jiān)控軟件設(shè)計。

配料控制系統(tǒng)的傳感器主要有稱重傳感器和料( 液)位傳感器 , 一些對于物料的溫度有要求的配料系統(tǒng)還要選擇溫度傳感器。

稱量儀表的選擇 , 主要應(yīng)考慮與稱重傳感器合理搭配, 以合理的成本獲得較高的精度 ?？删幊炭刂破鞯倪x擇, 主要是根據(jù)系統(tǒng)的功能要求, 選擇合適點數(shù)的帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的可編程控制器 。

上位工控計算機(jī)的軟件設(shè)計主要由工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件實現(xiàn)配料系統(tǒng)實時監(jiān)控 , 監(jiān)控組態(tài)軟件集成了人機(jī)界面技術(shù) 、 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 、 控制技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù), 使控制系統(tǒng)開發(fā)人員通過可視化的組態(tài)方式, 完成監(jiān)控程序的設(shè)計 。

PLC 的程序流程主要包括接收由上位機(jī)傳來的配方數(shù)據(jù), 根據(jù)各輸入信號的狀態(tài)及儀表數(shù)據(jù)來控制配料的進(jìn)程, 并對各種異常狀態(tài)做出相應(yīng)報警和處理。其關(guān)鍵在于設(shè)計合理的雙速配料流程。

4 影響配料精度的主要因素

對于工業(yè)稱重配料系統(tǒng)而言 , 配料精度是關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵 。影響稱重配料系統(tǒng)精度的因素很多, 主要有以下幾個方面 。

4. 1 稱重傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是目前稱重配料系統(tǒng)中最常用的稱重傳感器, 影響其測量精度的主要因素有:

( 1)受力形式與安裝方式的選擇

稱重傳感器有受拉和受壓 2 種形式, 其安裝形式有 l 點式安裝 、 3點式安裝 、 4 點式安裝 3 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測量重量, 水平力會導(dǎo)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, 必須采用密封措施 , 否則就會受到工作現(xiàn)場潮氣 、 腐蝕性氣體 、 灰塵等的損害 。密封是傳感器長期可靠穩(wěn)定工作的保證, 因此必須根據(jù)稱量現(xiàn)場的實際情況, 選擇合適的密封方式 。

( 3)量程選擇

傳感器的量程的選擇取決于下列因素 :①被稱物料的最大重量 ;②料斗自重 ;③傳感器的設(shè)置數(shù)量 ;④正常工作下, 最大可能產(chǎn)生的偏載 ;⑤正常工作下 , 可能產(chǎn)生的動載和沖擊及其他附加干擾力。從系統(tǒng)的可靠性來考慮 , 應(yīng)選擇較大量程的傳感器 , 但從稱量精度角度來看, 傳感器應(yīng)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(yīng)使傳感器工作于其滿量程的30%～ 70%之間。

( 4)傳感器性能指標(biāo)

主要是指非線性誤差、遲滯、重復(fù)性、 零漂和蠕變等指標(biāo), 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(yīng)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: ( 1)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 A/D 轉(zhuǎn)換的方式 、 A/D 采樣速度及轉(zhuǎn)換精度; (2)儀表數(shù)據(jù)傳送方式 , 稱重儀表可以通過模擬量傳輸和數(shù)字量傳輸 2種方式將重量信號傳送到可編程控制器。

4. 3 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。

4. 4 給料量的控制

( 1)給料速度

給料速度指標(biāo)與給料精度指標(biāo)是矛盾的 , 加快給料速度 , 可以縮短配粉時間, 而要求提高配粉精確度 , 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(dá)到設(shè)定值。

( 3)給料機(jī)出料口至稱量料斗的高度

切斷給料機(jī)電源 , 停止給料后, 給料機(jī)至稱量料斗間的空中落料 ( 落差)是影響配料精度的主要誤差來源之一。給料機(jī)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 。

4. 5 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 。稱量料斗的剛度也會影響傳感器的受力情況 。

4. 6 控制元件的響應(yīng)時間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程時間

控制元件的響應(yīng)時間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程時間都會影響配料系統(tǒng)的精度, 而這 2 個時間與器件的性能和使用時間的長短有關(guān)系。

4. 7 系統(tǒng)校準(zhǔn)精度的影響

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

4. 8 稱重控制算法的設(shè)計

采用進(jìn)料式稱量時 , 由于落差的影響 , 當(dāng)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 。為了保證配料精度 , 必須設(shè)計一個合理算法 , 對終止給料提前量進(jìn)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) 。

5 結(jié)束語

自動配料系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng) , 必須根據(jù)所需配制的物料的特性和工藝要求 , 以及企業(yè)自身的實際情況綜合考慮, 才能設(shè)計出精度高、成本低 、 符合要求的自動配料系統(tǒng)。

 

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