1 引言

自动配料系统是对粉粒或液体物料进行单秤称重并按所选配方混合这一工业过程进行实时监控管理的自动化系统, 已广泛应用于冶金、建材、化工、医药、粮食及饲料等行业 [1] 。 一般的工业自动配料系统由以下几部分组成。

( 1) 给料部分: 给料部分是从料仓( 或储罐) 向称重设备中加料的执行机构。 根据物料的不同特性, 可以选用不同的给料设备, 如电磁振动给料机、螺旋给料机、单( 双) 速电磁阀等。

( 2) 称量部分: 称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量斗组成, 与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。

( 3) 排料设备: 排料可以是称重设备( 减量法) 或排放设备( 增量法、零位法)。 通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电( 气) 动阀门等组成。 所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。

( 4) 配料控制系统: 配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其它控制器件等组成。

( 5) 校秤系统: 配料系统传感器应进行定期调校, 以保证系统配料精度[ 2] 。

本文就各有关部分对精度的影响作如下分析:

2 称重方式对系统精度的影响

在工业配料过程中, 常用称重方式有两种, 即进料式称量和卸料式称量 [ 3]。

进料式称量有两种实现方法, 第一种: 称量料斗接收、称量好一种物料后, 不排空料斗, 而是只将电子秤内部计数值清零,再接收另一物料, 这种方式称为增量法; 第二种: 在称量开始时通过给料设备向称量料斗内给料, 在称量值达到设定值时停止给料,然后打开闸门将物料卸出, 再从零位重新称量下一物料,这种方式称为零位法。 显而易见, 零位法的称量精度比增量法的称量精度高。

在进料式称量时, 当给料设备停止给料后, 还将有一部分物料在空中以自由落体的方式落入称量料斗, 这些余料称为落差。由于有落差的影响, 所称物料重量的设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值 。

卸料式称量是首先向料斗内装入始终多于配方要求的物料, 然后自料斗内向外卸料来进行称量, 落下的物料的重量就是要配制的物料的重量, 因此这种方法又称减量法。 减量法称量还可以进一步省去料斗, 直接将传感器安装在料仓上, 料仓中物料总重量减少的数值就是要配制的物料的重量值, 但这样由于精度太低而较少采用。

为保证称量速度和称量精度, 在进料式称量时一般采用给料设备双速给料的方法, 即先快速给料至设定值的90%～ 95%,以保证称量速度, 然后慢速给料, 以保证称量精度。 对于减量法则采取双速卸料, 即先快速卸料, 到达设定值的 90%～ 95%时改为慢速卸料 [ 4] 。 采用双速给料( 卸料) 的增量法、零位法、减量法称量方式下的时间与重量关系分别如图 1-a) 、1-b) 和 1-c)所示。

在进料式称量中, 由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不净, 从而产生称量误差。 卸料式称量只称量从料斗中取走的物料量并显示其重量, 不存在卸料干净与否的问题 , 因而该方式特别适合于称量难称的物料, 比如易粘附的物料等 , 其缺点是设备比较复杂, 需要同时有给料装置和卸料装置, 并且由于称量料斗内的物料重量值总是高于需要配制的物料的重量值, 从而导致传感器量程增大, 并直接影响到系统的精度。一般而言,卸料式称量的精度比进料式称量的精度略低。

3 生产线结构形式对系统精度的影响

在工程中, 常用的称重配料生产线一般有以下几种结构:

( 1) 采用固定式单组份料斗秤的结构: 每个料仓对应一台料斗秤, 各组份原料在称量后由溜槽、集料皮带或集料小车收集并导入后续工序。

( 2) 采用固定式多组份料斗秤的结构: 几个料仓对应一台料斗秤, 各组份原料在同一台料斗秤内累加称量后由集料皮带或集料小车收集并导入后续工序。

( 3) 采用移动式料斗秤的结构: 通过移动带有称量料斗的集料小车进行各种物料的累加式称量。

( 4) 采用称重皮带机式的多组份秤的结构: 料仓得出料机构就是多组份秤的给料机构, 各种物料在移动的配料皮带上由皮带秤进行累加称重。

对于以上这几种结构的生产线, 采用固定式单组份料斗秤的结构的生产线的配料精度最高, 但由于每种物料都要有一台称量仪表和一套传感器, 因而成本也最高[5] 。 采用固定式单组份料斗秤结构并采用集料小车收集配制完毕的物料的配料生产线结构原理如图 2所示。

4 配料控制系统对精度的影响

工业自动配料系统一般采用集散控制系统结构或基于现场总线的控制结构, 对于一些比较简单的称重配料系统, 也可以采用工业计算机(IPC)加数据采集板卡的形式进行配料过程的控制。 一种典型的基于 PROFIBUS 现场总线的配料控制系统如图3 所示。

配料控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要是称重传感器、称量仪表、可编程控制器、上位工控计算机等; 软件部分则主要包括可编程控制器的控制算法和上位工控计算机的监控程序。

配料控制系统中影响配料精度的因素主要有称重传感器、称量仪表、控制元件的响应时间和执行机构性行程时间以及PLC 的控制算法等 [6] 。

4. 1 称重传感器

电阻应变式传感器是目前称重配料系统中最常用的的称重传感器, 影响其测量精度的主要因素有以下几个方面。

( 1) 受力形式与安装方式的选择: 称重传感器有受拉和受压两种形式, 其安装形式有一点式安装、三点式安装、四点式安装三种。 拉力传感器一般采用悬吊安装, 因给料冲击和闸门开启等使称量料斗晃动会影响传感器的计量性能。 压力传感器采用固定安装, 只能承受垂直作用力来进行测量, 水平力有可能导致传感器弹性梁的损坏 。无论哪种传感器, 在多传感器安装时, 都会有各传感器受力不均的现象, 从而对系统精度产生影响。

( 2) 密封方式的选择

称重传感器安装在工业现场, 环境比较恶劣, 若不加可靠密封, 就会受到工作现场潮气、腐蚀性气体、灰尘等的损害, 从而使系统精度受到影响, 因此必须选择合适的密封方式, 以保证传感器长期可靠稳定工作。

( 3) 量程选择

确定传感器的量程要综合考虑各种因素, 主要包括被称物料和料斗的最大重量、传感器的数量、可能产生的偏载、动载、冲击及其它附加产生的干扰力等。

从系统的可靠性来考虑, 应选择较大量程的传感器 , 但从称量精度来看, 传感器应选择较小量程, 因此, 必须根据具体情况合理选择传感器的量程, 一般应使传感器工作于其满量程的30%～ 70%之间。

( 4) 传感器性能指标

主要是指非线性误差、迟滞、重复性、零漂和蠕变等指标, 这些误差将对传感器的合成误差产生影响。

( 5) 传感器的桥路连接

在工业应用中一般采用多传感器串联或并联方式, 以获得较大信号输入并减小单个传感器的量程。 目前一般采用并联组秤的方式。

4. 2 称重仪表

影响称重仪表测量精度的主要因素有内部 ADC 的 A D 转换方式、A D 采样速度及转换精度等。

4. 3 控制元件的响应时间和执行机构行程时间

控制元件的响应时间和执行机构行程时间都会影响配料系统的精度。而这两个时间与器件的性能和使用时间的长短等因素有关系。

4. 4 称重控制算法的设计

采用进料式称量时, 由于落差的影响, 当停止给料后, 还有一部分物料在空中以自由落体方式落入称量料斗。 因此, 要为了保证配料精度, 必须设计一个终止给料提前量的控制算法, 对终止给料提前量进行控制, 以减小落差对配料精度产生的影响,使实际配料值保持在误差范围内。

资料[ 7] 给出了一种配料控制算法, 该算法利用了配料系统生产过程为多次重复称量的特性, 利用当次称量的结果对下次配料时的终止给料提前量进行修正。 经过有限几次的试配制后, 就可以使所配制物料的静态称量值保持在误差范围内。

5 影响配料系统精度的其他主要因素

在工业自动配料系统中, 还有一些因素会影响到系统的配料精度, 这些因素主要包括以下几个方面。

5. 1 物料特性

主要是指物料的流动性、物料的粘度、吸潮性以及物料形状的均匀程度等。这些因素会直接影响到物料在配制过程中的流动情况, 从而影响到配料的精度。

5. 2 给料量的控制

( 1) 给料速度: 给料速度指标与给料精度指标是矛盾的, 加快给料速度, 可以降低配料时间, 而要求提高配料的精度, 就必须延长给料时间。

( 2) 料仓中料位的影响: 料仓中料位过低或者缺料有可能引起给料无法达到设定值。

( 3) 给料机出料口至称量料斗的高度: 切断给料机电源, 停止给料后, 自给料机至称量料斗中间的空中落料( 落差) 是影响配料精度的主要误差来源之一。给料机出料口至称量料斗的高度越大, 落差值也越大, 精度越不易控制。

5. 3 称量料斗

如果系统中每次配制的物料都较少, 称量料斗的重量会影响到称重传感器量程的选择。 另外, 称量料斗的刚度也会影响传感器的受力情况。

5. 4 系统校准精度的影响

系统必须在静态砝码校准及动态实物校准后才能投入生产, 并需要定期调校。

6 结语

根据以上对影响配料精度主要原因的分析, 作者设计了一套药芯焊丝自动配粉系统, 该系统采用零位法称量, 增量法复核的称量方法, 生产线采用螺旋给料机给料、移动式料斗秤称量的结构形式。 该系统已经连续运行一年有余, 其系统精度比原来采用人工配制有大幅提高, 而且降低了车间的环境污染, 节约了人力成本。

总之, 自动配料系统是一个复杂的自动控制系统, 要保证配料的精度, 必须根据工艺要求、所需配制物料的特性等因素进行综合分析, 首先选择合理的称量方式和生产线的结构形式, 然后正确选择传感器、称量仪表以及设计合理的控制算法并综合考虑其他相关因素,这样才能设计出精度高、成本低、符合要求的自动配料系统。

 

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