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1 引言

自動(dòng)配料系統(tǒng)是對(duì)粉?；蛞后w物料進(jìn)行單秤稱重并按所選配方混合這一工業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理的自動(dòng)化系統(tǒng), 已廣泛應(yīng)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(dòng)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(chǔ)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, 可以選用不同的給料設(shè)備, 如電磁振動(dòng)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(cè)。

( 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(dòng)給料機(jī)、螺旋給料機(jī)、電( 氣) 動(dòng)閥門等組成。 所有設(shè)備均應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工藝條件和物料的性質(zhì)等進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)進(jìn)行定期調(diào)校, 以保證系統(tǒng)配料精度[ 2] 。

本文就各有關(guān)部分對(duì)精度的影響作如下分析:

2 稱重方式對(duì)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(jìn)料式稱量和卸料式稱量 [ 3]。

進(jìn)料式稱量有兩種實(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(jìn)料式稱量時(shí), 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。由于有落差的影響, 所稱物料重量的設(shè)定值應(yīng)為要配制的物料標(biāo)準(zhǔn)重量減去落差值 。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)料式稱量時(shí)一般采用給料設(shè)備雙速給料的方法, 即先快速給料至設(shè)定值的90%～ 95%,以保證稱量速度, 然后慢速給料, 以保證稱量精度。 對(duì)于減量法則采取雙速卸料, 即先快速卸料, 到達(dá)設(shè)定值的 90%～ 95%時(shí)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(shí)間與重量關(guān)系分別如圖 1-a) 、1-b) 和 1-c)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, 比如易粘附的物料等 , 其缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜, 需要同時(shí)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(dǎo)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(jìn)料式稱量的精度略低。

3 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)形式對(duì)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(jié)構(gòu):

( 1) 采用固定式單組份料斗秤的結(jié)構(gòu): 每個(gè)料倉對(duì)應(yīng)一臺(tái)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(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(gè)料倉對(duì)應(yīng)一臺(tái)料斗秤, 各組份原料在同一臺(tái)料斗秤內(nèi)累加稱量后由集料皮帶或集料小車收集并導(dǎo)入后續(xù)工序。

( 3) 采用移動(dòng)式料斗秤的結(jié)構(gòu): 通過移動(dòng)帶有稱量料斗的集料小車進(jìn)行各種物料的累加式稱量。

( 4) 采用稱重皮帶機(jī)式的多組份秤的結(jié)構(gòu): 料倉得出料機(jī)構(gòu)就是多組份秤的給料機(jī)構(gòu), 各種物料在移動(dòng)的配料皮帶上由皮帶秤進(jìn)行累加稱重。

對(duì)于以上這幾種結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)線, 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一臺(tái)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(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 2所示。

4 配料控制系統(tǒng)對(duì)精度的影響

工業(yè)自動(dòng)配料系統(tǒng)一般采用集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制結(jié)構(gòu), 對(duì)于一些比較簡單的稱重配料系統(tǒng), 也可以采用工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)加數(shù)據(jù)采集板卡的形式進(jìn)行配料過程的控制。 一種典型的基于 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(yīng)時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)性行程時(shí)間以及PLC 的控制算法等 [6] 。

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)中最常用的的稱重傳感器, 影響其測(cè)量精度的主要因素有以下幾個(gè)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(diǎn)式安裝、三點(diǎn)式安裝、四點(diǎn)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(dòng)會(huì)影響傳感器的計(jì)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(jìn)行測(cè)量, 水平力有可能導(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(shí), 都會(huì)有各傳感器受力不均的現(xiàn)象, 從而對(duì)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(chǎng), 環(huán)境比較惡劣, 若不加可靠密封, 就會(huì)受到工作現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(yīng)選擇較大量程的傳感器 , 但從稱量精度來看, 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(duì)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(hào)輸入并減小單個(gè)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(cè)量精度的主要因素有內(nèi)部 ADC 的 A D 轉(zhuǎn)換方式、A D 采樣速度及轉(zhuǎn)換精度等。

4. 3 控制元件的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程時(shí)間

控制元件的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程時(shí)間都會(huì)影響配料系統(tǒng)的精度。而這兩個(gè)時(shí)間與器件的性能和使用時(shí)間的長短等因素有關(guān)系。

4. 4 稱重控制算法的設(shè)計(jì)

采用進(jìn)料式稱量時(shí), 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。 因此, 要為了保證配料精度, 必須設(shè)計(jì)一個(gè)終止給料提前量的控制算法, 對(duì)終止給料提前量進(jìn)行控制, 以減小落差對(duì)配料精度產(chǎn)生的影響,使實(shí)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(fù)稱量的特性, 利用當(dāng)次稱量的結(jié)果對(duì)下次配料時(shí)的終止給料提前量進(jìn)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(dòng)配料系統(tǒng)中, 還有一些因素會(huì)影響到系統(tǒng)的配料精度, 這些因素主要包括以下幾個(gè)方面。

5. 1 物料特性

主要是指物料的流動(dòng)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(huì)直接影響到物料在配制過程中的流動(dòng)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(biāo)與給料精度指標(biāo)是矛盾的, 加快給料速度, 可以降低配料時(shí)間, 而要求提高配料的精度, 就必須延長給料時(shí)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, 自給料機(jī)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(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。

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(huì)影響到稱重傳感器量程的選擇。 另外, 稱量料斗的剛度也會(huì)影響傳感器的受力情況。

5. 4 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(dòng)態(tài)實(shí)物校準(zhǔn)后才能投入生產(chǎn), 并需要定期調(diào)校。

6 結(jié)語

根據(jù)以上對(duì)影響配料精度主要原因的分析, 作者設(shè)計(jì)了一套藥芯焊絲自動(dòng)配粉系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用零位法稱量, 增量法復(fù)核的稱量方法, 生產(chǎn)線采用螺旋給料機(jī)給料、移動(dòng)式料斗秤稱量的結(jié)構(gòu)形式。 該系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)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(dòng)配料系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)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(jìn)行綜合分析, 首先選擇合理的稱量方式和生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)形式, 然后正確選擇傳感器、稱量儀表以及設(shè)計(jì)合理的控制算法并綜合考慮其他相關(guān)因素,這樣才能設(shè)計(jì)出精度高、成本低、符合要求的自動(dòng)配料系統(tǒng)。

 

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