1 引言

自動配料係統是對粉粒或液體物料進行單秤稱重並按所選配方混合這一工業過程進行實時監控管理的自動化係統, 已廣泛應用於冶金、建材、化工、醫藥、糧食及飼料等行業 [1] 。 一般的工業自動配料係統由以下幾部分組成。

( 1) 給料部分: 給料部分是從料倉( 或儲罐) 向稱重設備中加料的執行機構。 根據物料的不同特性, 可以選用不同的給料設備, 如電磁振動給料機、螺旋給料機、單( 雙) 速電磁閥等。

( 2) 稱量部分: 稱量部分由傳感器、標準連接件、接線盒和稱量鬥組成, 與稱量儀表一起進行物料的稱量以及誤差的檢測。

( 3) 排料設備: 排料可以是稱重設備( 減量法) 或排放設備( 增量法、零位法)。 通常由排空閥門、電磁振動給料機、螺旋給料機、電( 氣) 動閥門等組成。 所有設備均應根據現場的工藝條件和物料的性質等進行設計和選擇。

( 4) 配料控製係統: 配料控製係統由稱量儀表、可編程控製器、上位工控機及其它控製器件等組成。

( 5) 校秤係統: 配料係統傳感器應進行定期調校, 以保證係統配料精度[ 2] 。

本文就各有關部分對精度的影響作如下分析:

2 稱重方式對係統精度的影響

在工業配料過程中, 常用稱重方式有兩種, 即進料式稱量和卸料式稱量 [ 3]。

進料式稱量有兩種實現方法, 第一種: 稱量料鬥接收、稱量好一種物料後, 不排空料鬥, 而是隻將電子秤內部計數值清零,再接收另一物料, 這種方式稱為增量法; 第二種: 在稱量開始時通過給料設備向稱量料鬥內給料, 在稱量值達到設定值時停止給料,然後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。

在進料式稱量時, 當給料設備停止給料後, 還將有一部分物料在空中以自由落體的方式落入稱量料鬥, 這些餘料稱為落差。由於有落差的影響, 所稱物料重量的設定值應為要配製的物料標準重量減去落差值 。

卸料式稱量是首先向料鬥內裝入始終多於配方要求的物料, 然後自料鬥內向外卸料來進行稱量, 落下的物料的重量就是要配製的物料的重量, 因此這種方法又稱減量法。 減量法稱量還可以進一步省去料鬥, 直接將傳感器安裝在料倉上, 料倉中物料總重量減少的數值就是要配製的物料的重量值, 但這樣由於精度太低而較少采用。

為保證稱量速度和稱量精度, 在進料式稱量時一般采用給料設備雙速給料的方法, 即先快速給料至設定值的90%～ 95%,以保證稱量速度, 然後慢速給料, 以保證稱量精度。 對於減量法則采取雙速卸料, 即先快速卸料, 到達設定值的 90%～ 95%時改為慢速卸料 [ 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間與重量關係分別如圖 1-a) 、1-b) 和 1-c)所示。

在進料式稱量中, 由於物料本身特性及料鬥原因可能造成卸料不淨, 從而產生稱量誤差。 卸料式稱量隻稱量從料鬥中取走的物料量並顯示其重量, 不存在卸料幹淨與否的問題 , 因而該方式特別適合於稱量難稱的物料, 比如易粘附的物料等 , 其缺點是設備比較複雜, 需要同時有給料裝置和卸料裝置, 並且由於稱量料鬥內的物料重量值總是高於需要配製的物料的重量值, 從而導致傳感器量程增大, 並直接影響到係統的精度。一般而言,卸料式稱量的精度比進料式稱量的精度略低。

3 生產線結構形式對係統精度的影響

在工程中, 常用的稱重配料生產線一般有以下幾種結構:

( 1) 采用固定式單組份料鬥秤的結構: 每個料倉對應一台料鬥秤, 各組份原料在稱量後由溜槽、集料皮帶或集料小車收集並導入後續工序。

( 2) 采用固定式多組份料鬥秤的結構: 幾個料倉對應一台料鬥秤, 各組份原料在同一台料鬥秤內累加稱量後由集料皮帶或集料小車收集並導入後續工序。

( 3) 采用移動式料鬥秤的結構: 通過移動帶有稱量料鬥的集料小車進行各種物料的累加式稱量。

( 4) 采用稱重皮帶機式的多組份秤的結構: 料倉得出料機構就是多組份秤的給料機構, 各種物料在移動的配料皮帶上由皮帶秤進行累加稱重。

對於以上這幾種結構的生產線, 采用固定式單組份料鬥秤的結構的生產線的配料精度最高, 但由於每種物料都要有一台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鬥秤結構並采用集料小車收集配製完畢的物料的配料生產線結構原理如圖 2所示。

4 配料控製係統對精度的影響

工業自動配料係統一般采用集散控製係統結構或基於現場總線的控製結構, 對於一些比較簡單的稱重配料係統, 也可以采用工業計算機(IPC)加數據采集板卡的形式進行配料過程的控製。 一種典型的基於 PROFIBUS 現場總線的配料控製係統如圖3 所示。

配料控製係統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、可編程控製器、上位工控計算機等; 軟件部分則主要包括可編程控製器的控製算法和上位工控計算機的監控程序。

配料控製係統中影響配料精度的因素主要有稱重傳感器、稱量儀表、控製元件的響應時間和執行機構性行程時間以及PLC 的控製算法等 [6] 。

4. 1 稱重傳感器

電阻應變式傳感器是目前稱重配料係統中最常用的的稱重傳感器, 影響其測量精度的主要因素有以下幾個方麵。

( 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, 其安裝形式有一點式安裝、三點式安裝、四點式安裝三種。 拉力傳感器一般采用懸吊安裝, 因給料衝擊和閘門開啟等使稱量料鬥晃動會影響傳感器的計量性能。 壓力傳感器采用固定安裝, 隻能承受垂直作用力來進行測量, 水平力有可能導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象, 從而對係統精度產生影響。

( 2) 密封方式的選擇

稱重傳感器安裝在工業現場, 環境比較惡劣, 若不加可靠密封, 就會受到工作現場潮氣、腐蝕性氣體、灰塵等的損害, 從而使係統精度受到影響, 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鬥的最大重量、傳感器的數量、可能產生的偏載、動載、衝擊及其它附加產生的幹擾力等。

從係統的可靠性來考慮, 應選擇較大量程的傳感器 , 但從稱量精度來看, 傳感器應選擇較小量程, 因此, 必須根據具體情況合理選擇傳感器的量程, 一般應使傳感器工作於其滿量程的30%～ 70%之間。

( 4) 傳感器性能指標

主要是指非線性誤差、遲滯、重複性、零漂和蠕變等指標, 這些誤差將對傳感器的合成誤差產生影響。

( 5) 傳感器的橋路連接

在工業應用中一般采用多傳感器串聯或並聯方式, 以獲得較大信號輸入並減小單個傳感器的量程。 目前一般采用並聯組秤的方式。

4. 2 稱重儀表

影響稱重儀表測量精度的主要因素有內部 ADC 的 A D 轉換方式、A D 采樣速度及轉換精度等。

4. 3 控製元件的響應時間和執行機構行程時間

控製元件的響應時間和執行機構行程時間都會影響配料係統的精度。而這兩個時間與器件的性能和使用時間的長短等因素有關係。

4. 4 稱重控製算法的設計

采用進料式稱量時, 由於落差的影響, 當停止給料後, 還有一部分物料在空中以自由落體方式落入稱量料鬥。 因此, 要為了保證配料精度, 必須設計一個終止給料提前量的控製算法, 對終止給料提前量進行控製, 以減小落差對配料精度產生的影響,使實際配料值保持在誤差範圍內。

資料[ 7] 給出了一種配料控製算法, 該算法利用了配料係統生產過程為多次重複稱量的特性, 利用當次稱量的結果對下次配料時的終止給料提前量進行修正。 經過有限幾次的試配製後, 就可以使所配製物料的靜態稱量值保持在誤差範圍內。

5 影響配料係統精度的其他主要因素

在工業自動配料係統中, 還有一些因素會影響到係統的配料精度, 這些因素主要包括以下幾個方麵。

5. 1 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等。這些因素會直接影響到物料在配製過程中的流動情況, 從而影響到配料的精度。

5. 2 給料量的控製

( 1) 給料速度: 給料速度指標與給料精度指標是矛盾的, 加快給料速度, 可以降低配料時間, 而要求提高配料的精度, 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到設定值。

( 3) 給料機出料口至稱量料鬥的高度: 切斷給料機電源, 停止給料後, 自給料機至稱量料鬥中間的空中落料( 落差) 是影響配料精度的主要誤差來源之一。給料機出料口至稱量料鬥的高度越大, 落差值也越大, 精度越不易控製。

5. 3 稱量料鬥

如果係統中每次配製的物料都較少, 稱量料鬥的重量會影響到稱重傳感器量程的選擇。 另外, 稱量料鬥的剛度也會影響傳感器的受力情況。

5. 4 係統校準精度的影響

係統必須在靜態砝碼校準及動態實物校準後才能投入生產, 並需要定期調校。

6 結語

根據以上對影響配料精度主要原因的分析, 作者設計了一套藥芯焊絲自動配粉係統, 該係統采用零位法稱量, 增量法複核的稱量方法, 生產線采用螺旋給料機給料、移動式料鬥秤稱量的結構形式。 該係統已經連續運行一年有餘, 其係統精度比原來采用人工配製有大幅提高, 而且降低了車間的環境汙染, 節約了人力成本。

總之, 自動配料係統是一個複雜的自動控製係統, 要保證配料的精度, 必須根據工藝要求、所需配製物料的特性等因素進行綜合分析, 首先選擇合理的稱量方式和生產線的結構形式, 然後正確選擇傳感器、稱量儀表以及設計合理的控製算法並綜合考慮其他相關因素,這樣才能設計出精度高、成本低、符合要求的自動配料係統。

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除