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的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、 粮食与饲料等行业 。工业配料系统的特点是:

( 1)配料现场粉尘大, 环境恶劣 ;

( 2)各组份在配方中所占比例不同, 有时甚至差异悬殊 ;

( 3)配料速度和精度要求高 ;

( 4)配方可能经常变换 、 调整;

( 5)物料可能受环境温度、 湿度影响 。

1 称重配料系统的组成

一般的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, 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)控制系统

配料控制系统由称量仪表、上位工控机、 可编程控制器及其他控制器件等组成。典型的配料控制系统如图 1 所示 。在一些比较简单的称重配料系统中, 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的控制。

( 5)校秤系统

配料系统传感器应定期进行调校 , 以保证系统配料精度。

2 配料技术的最新进展

目前, 称重配料系统的流程控制几乎全部由可编程控制器 ( PLC)来实现 , 上位计算机主要用于配方管理、 屏幕人机对话和称重资料的存储打印等工作。随着微处理器技术的发展 , 配料系统中的称量仪表由最初的专用积木式仪表发展为智能化的工业控制终端以及专门的配料控制器。配料控制器是用来控制一种或多种物料的配制的微电脑系统 , 可以完全或部分取代可编程控制器 , 实现配料的自动化 。称量仪表的功能也由最初的资料显示发展为具有自诊断、 自动零位跟踪、置零去皮、 预置点输出 、 动态称重、 数据通信等多项功能 。

近年来 , 随着现场总线技术的推广, 将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势 。目前, 许多用于配料的称重仪表已经有了 Profibus、 Modbus 等现场总线接口 ,使基于现场总线的配料控制系统成为可能, 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。

3 配料系统的设计

配料系统的设计包括称重方式选择、 给料方式选择 、 生产线结构方式选择、 配料控制系统的设计等。

3. 1 称重方式选择

在工业配料过程中, 常用称量方式有进料式称量和卸料式称量 2 种 。

进料式称量有 2 种实现方法 , 第 1 种方式称为零位法, 即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,然后打开闸门将料卸出 , 再从零位重新称量下一物料;第2 种方式称为增量法 , 即称量料斗接收 、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 。显然, 零位法的称量精度比增量法的称量精度高 。

采用进料式称量 , 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 。因为有落差的影响, 增量法称量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 。

为保证称量速度和称量精度, 在进料式称量时一般采用双速给料的方法 , 即先快速给料至设定值的90%～ 95%, 以保证称量效率, 然后慢速给料 ,以保证称量精度 。

卸料式称量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进行称量, 落下的物料的重量就是要配制的物料的重量 。减量法称量还可以省去料斗, 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, 此方法由于精度太低而较少采用。减量法只能一料一秤。

同样为了兼顾速度和精度 , 减量法也采取双速卸料, 一般是先快速卸料, 到达设定值的 90%～95%时改为慢速卸料。

3 种方式的称量时间和重量曲线如图 2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 , 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,要求车间高度较高 , 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, 造成称量精度降低 。因而一般情况下卸料式称量的精度比进料式称量的精度低。

3. 2 给料方式选择

目前, 称重配料系统最常用的给料装置有电磁振动给料机和螺旋给料机。

电磁振动给料机运用机械振动学的共振原理,双质体在低临界近共振状态下工作 , 无转动部件、耗电少 、 体积小、 重量轻、 运行费用低。在给料过程中, 物料在料槽中被连续抛起 , 并按抛物线轨迹向前作跳跃运动, 因此对料槽的磨损较小 。其缺点是安装后的调试较复杂 , 调整不当会产生噪声且运行不好 。

与电磁振动给料机相比 , 螺旋给料机给料均匀 , 受外界影响小 , 机械振动小 , 运行平稳, 对称量的干扰也小 , 可以避免因振动造成的粉料分层。但螺旋给料机上安装有电动机和减速器, 重量大,效率较低。

对于液体物料 , 一般采用阀门控制给料量 。

3. 3 生产线结构

( 1)采用固定式单组份料斗秤的结构

每个料仓对应 1 台料斗秤 , 各组份原料在称量后由溜槽、集料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 l 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。采用这种方式进行配料需要集料小车有很好的定位精度。

( 4)采用称重带式输送机式的多组份秤的结构

料仓的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带上由皮带秤进行累加称重 。

以上几种结构的生产线中, 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 1台称量仪表和 l 套传感器, 因而成本也最高。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 3 所示 。

3. 4 配料控制系统的设计

在工业配料生产过程中, 一般应该能够实现全自动 、 半自动、 手动配料 , 可以在不同工作模式之间进行切换 , 配料控制系统必须有很高的可靠性 ,保证系统连续正常工作 , 出现故障时能及时报警 ,并能够紧急停车 , 防止系统出现事故。生产过程中的上位机除了直接显示现场的生产数据外, 还要求具有历史数据的处理功能以及相应的数据报表和配方管理等功能。

配料控制系统的设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要是传感器与仪表的选择、可编程控制器的选择、 上位工控计算机的选择等;软件设计主要包括可编程控制器的程序设计和上位工控计算机的监控软件设计。

配料控制系统的传感器主要有称重传感器和料( 液)位传感器 , 一些对于物料的温度有要求的配料系统还要选择温度传感器。

称量仪表的选择 , 主要应考虑与称重传感器合理搭配, 以合理的成本获得较高的精度 。可编程控制器的选择, 主要是根据系统的功能要求, 选择合适点数的带有模数转换模块的可编程控制器 。

上位工控计算机的软件设计主要由工业监控组态软件实现配料系统实时监控 , 监控组态软件集成了人机界面技术 、 数据库技术 、 控制技术、 网络与通信技术, 使控制系统开发人员通过可视化的组态方式, 完成监控程序的设计 。

PLC 的程序流程主要包括接收由上位机传来的配方数据, 根据各输入信号的状态及仪表数据来控制配料的进程, 并对各种异常状态做出相应报警和处理。其关键在于设计合理的双速配料流程。

4 影响配料精度的主要因素

对于工业称重配料系统而言 , 配料精度是关系到系统设计成功与否的关键 。影响称重配料系统精度的因素很多, 主要有以下几个方面 。

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称重传感器, 影响其测量精度的主要因素有:

( 1)受力形式与安装方式的选择

称重传感器有受拉和受压 2 种形式, 其安装形式有 l 点式安装 、 3点式安装 、 4 点式安装 3 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测量重量, 水平力会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, 必须采用密封措施 , 否则就会受到工作现场潮气 、 腐蚀性气体 、 灰尘等的损害 。密封是传感器长期可靠稳定工作的保证, 因此必须根据称量现场的实际情况, 选择合适的密封方式 。

( 3)量程选择

传感器的量程的选择取决于下列因素 :①被称物料的最大重量 ;②料斗自重 ;③传感器的设置数量 ;④正常工作下, 最大可能产生的偏载 ;⑤正常工作下 , 可能产生的动载和冲击及其他附加干扰力。从系统的可靠性来考虑 , 应选择较大量程的传感器 , 但从称量精度角度来看, 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: ( 1)内部模数转换器的 A/D 转换的方式 、 A/D 采样速度及转换精度; (2)仪表数据传送方式 , 称重仪表可以通过模拟量传输和数字量传输 2种方式将重量信号传送到可编程控制器。

4. 3 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。

4. 4 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 , 可以缩短配粉时间, 而要求提高配粉精确度 , 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, 给料机至称量料斗间的空中落料 ( 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 。

4. 5 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 。称量料斗的刚度也会影响传感器的受力情况 。

4. 6 控制元件的响应时间和执行机构的行程时间

控制元件的响应时间和执行机构的行程时间都会影响配料系统的精度, 而这 2 个时间与器件的性能和使用时间的长短有关系。

4. 7 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。

4. 8 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 。为了保证配料精度 , 必须设计一个合理算法 , 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 。

5 结束语

自动配料系统是一个复杂的自动控制系统 , 必须根据所需配制的物料的特性和工艺要求 , 以及企业自身的实际情况综合考虑, 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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