配料是化工、 冶金、 建材等行业的典型生产工艺之一 [ 1] 。所谓称重配料, 就是将若干种不同物料按照一定重量比例混合起来。传统的失重秤是将给料流量与设定流量进行比较, 并在下一次配料时进行差值补偿[ 2], 这是一种静态的称重方法, 满足了系统精度, 却影响了系统运行速度。20 世纪 90 年代初出现的失重式连续称重配料系统是按照减量法原理, 将物料的给料速度和设定速度进行对比, 对给料速度进行在线连续调节, 并对输送量进行计量, 在一定程度上提高了系统的称量速度和精度[ 3]。

为了使配料过程中使用的超细粉体物料( 粒径约为几十微米至几百微米) 能够达到较高的配比精确度, 本文提出了一种新型的失重式连续称重配料系统, 它以配料后生成产品的质量为中心, 通过检测产品中的物料组成成分, 与设定的物料配比值进行比较, 进而改变物料流速的设定值, 从而形成串级和双闭环组合系统, 从根本上提高了系统的运行速度和生成产品的质量。

1 系统基本构成和工作原理

1. 1 装置组成

失重式连续称重配料系统主要由储料仓, 称重料仓, 螺旋加料器, 采用可编程顺序控制器( PLC) 组成的配料控制器和上位机( PC) 等组成。

1. 2 配料系统控制原理

物料由自动上料机或人工加入储料仓, 再由储料仓下部的螺旋加料器送入称重料仓, 经称重料仓下部的螺旋加料器连续送出, 称重料仓和螺旋加料器放置在称重传感器上, 定时检测二者的重量, 并计算出单位时间内重量的损失, 得出物料被送出的瞬时流量。将实际给料速度与设定的给料速度进行比较, 其偏差通过 PID运算, 使用变频器控制螺旋加料器的转速,使实际流速在设定流速规定的范围内变化。

2种物料进入混合仓后, 迅速搅拌, 并采用近红外技术分析产品中的物料成分 [ 4] , 如果物料成分超出设定的物料配比值, 保持物料 1 的流速设定值不变,改变物料2 流速的设定值, 物料 2 的实际流速也随之改变, 再次检测混合仓的物料组成成分, 直至达到产品的质量要求。物料 1 的流速信号与控制器自身构成闭环系统, 物料 2的流速信号形成的闭环和物料配比值信号形成的闭环构成串级系统, 物料 2的流速信号形成的闭环为副环。

当称重料仓内的物料少于下限值时, 打开储料仓下部的螺旋加料器,将物料迅速由储料仓加入称重料仓, 重量接近上限时关闭, 此过程为再充填过程。在再充填过程中, 称重料仓内物料的输送为容积式输送, 即送料电动机以再充填开始时的转速工作, 再充填过程结束后, 恢复重量式计量的调速过程。

1. 3 配料系统计量原理

理论上, 配料系统的送料速度为单位时间内重量的损失值 Q m , 即:Q _m = dG/ dt              

( 1)实际计算过程中, 对称重料仓和螺旋加料器的重量损失进行连续采样( 1s 内 3~ 5 次) , 设传感器在 t i-1 , t i 时刻测得的重量值为 G _i-1 , G _i , 则物料的瞬时流量 Q i 为:

Q _i = (G _i-1 - G _i ) / (t _i - t _i-1 )在 1个称重周期 T 内, 失重式连续称重配料系统的下料累计量 G _q 是由测量周期t _m 内完成的下料量G _m 和再填充过程 t _f 时间内按容积式原理送出的重量G _f 组成, 即:T = t _m + t _f , G _q = G _m + G _f         

( 2)又 G _m = (G _H + δ_H ) - (G _L ±δ_L )        

( 3)G _f = Q _f·t _f式中: G _H , G _L —— 称重料仓设定的上、 下限值;D _H , D _L ——重量上、 下限的称量误差;Q _f——再充填开始时的流速。一个周期的平均流速为: Q _q /4 = G _q / T , 累计每个周期的排料流量, 从而对于 0~ t 时间内的流量为:G =∫^t₀  Q _q /4 dt。

2 称重配料系统的设计

2. 1 系统工作流程

称重配料系统采用 PLC 作为配料控制器, 控制物料的流速、 物料配比值和料仓中物料的料位。

1) 称重信号经由称重传感器转换成电信号进入变送器, 变送器放大后转换成 PLC 模块可接受的电压信号, 进入模拟输入模块。

2) 工况情况输入信号如料位位置等进入 PLC开关量输入模块。

3) 外部电气执行机构由 PLC 数字及模拟输出模块给出, PLC 通过设计软件来自动完成失重给料系统的控制工作。同时上位机通过与 PLC 通过编程器接口实现通信, 通信内容包括工况标志、 模拟量数据、 开机信号等。

2. 2 提高系统精度措施

1) 如果系统中的物料在下料过程中容易出现架桥结拱等现象, 则需要在出料装置的上方安装破拱装置, 保证物料的通畅流通。

2) 每台秤由 3 个精度高、 线性度好的称重传感器支撑, 安装时尽量保证 3 个传感器的受力点水平,禁止对称重传感器受力点施加冲击力或大于过载系数的重力。为了克服物料从螺旋加料器下落到秤体时的不均衡性, 使物料在处于秤体的任何位置时均能得到相同的毫伏电压信号, 需给 3 个传感器分别提供可调整的高精度供桥电压。

3) 为了确定流量和变频器驱动输出的关系, 则必须在运行使用前进行物料的流量测试标定, 不同的物料对应关系不一样, 因此必须分别测试标定, 并保存在系统参数中, 供电脑控制时使用。

4) 各设备之间的信号接口均采用光电隔离, 电路相互屏蔽。

3 结语

针对配料时使用的物料为超细粉体和在配料过程中对计量精确度的较高要求, 改进了 20 世纪 90年代初出现的失重式连续称重配料系统, 新型的失重式连续称重配料系统以合成的产品质量为核心,引入二级反馈构成串级系统。该系统自动化程度高, 物料的上料、 储存、 计量、 输送全过程均为自动控制; 由于系统的设计以生成产品的质量为中心, 因此它的精确度高, 对于使用超细粉体物料的配料系统,具有现实的推广作用。

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