配料是化工、 冶金、 建材等行業的典型生產工藝之一 [ 1] 。所謂稱重配料, 就是將若幹種不同物料按照一定重量比例混合起來。傳統的失重秤是將給料K8凯发登录入口與設定K8凯发登录入口進行比較, 並在下一次配料時進行差值補償[ 2], 這是一種靜態的稱重方法, 滿足了係統精度, 卻影響了係統運行速度。20 世紀 90 年代初出現的失重式連續稱重配料係統是按照減量法原理, 將物料的給料速度和設定速度進行對比, 對給料速度進行在線連續調節, 並對輸送量進行計量, 在一定程度上提高了係統的稱量速度和精度[ 3]。

為了使配料過程中使用的超細粉體物料( 粒徑約為幾十微米至幾百微米) 能夠達到較高的配比精確度, 本文提出了一種新型的失重式連續稱重配料係統, 它以配料後生成產品的質量為中心, 通過檢測產品中的物料組成成分, 與設定的物料配比值進行比較, 進而改變物料流速的設定值, 從而形成串級和雙閉環組合係統, 從根本上提高了係統的運行速度和生成產品的質量。

1 係統基本構成和工作原理

1. 1 裝置組成

失重式連續稱重配料係統主要由儲料倉, 稱重料倉, 螺旋加料器, 采用可編程順序控製器( PLC) 組成的配料控製器和上位機( PC) 等組成。

1. 2 配料係統控製原理

物料由自動上料機或人工加入儲料倉, 再由儲料倉下部的螺旋加料器送入稱重料倉, 經稱重料倉下部的螺旋加料器連續送出, 稱重料倉和螺旋加料器放置在稱重傳感器上, 定時檢測二者的重量, 並計算出單位時間內重量的損失, 得出物料被送出的瞬時K8凯发登录入口。將實際給料速度與設定的給料速度進行比較, 其偏差通過 PID運算, 使用變頻器控製螺旋加料器的轉速,使實際流速在設定流速規定的範圍內變化。

2種物料進入混合倉後, 迅速攪拌, 並采用近紅外技術分析產品中的物料成分 [ 4] , 如果物料成分超出設定的物料配比值, 保持物料 1 的流速設定值不變,改變物料2 流速的設定值, 物料 2 的實際流速也隨之改變, 再次檢測混合倉的物料組成成分, 直至達到產品的質量要求。物料 1 的流速信號與控製器自身構成閉環係統, 物料 2的流速信號形成的閉環和物料配比值信號形成的閉環構成串級係統, 物料 2的流速信號形成的閉環為副環。

當稱重料倉內的物料少於下限值時, 打開儲料倉下部的螺旋加料器,將物料迅速由儲料倉加入稱重料倉, 重量接近上限時關閉, 此過程為再充填過程。在再充填過程中, 稱重料倉內物料的輸送為容積式輸送, 即送料電動機以再充填開始時的轉速工作, 再充填過程結束後, 恢複重量式計量的調速過程。

1. 3 配料係統計量原理

理論上, 配料係統的送料速度為單位時間內重量的損失值 Q m , 即:Q _m = dG/ dt              

( 1)實際計算過程中, 對稱重料倉和螺旋加料器的重量損失進行連續采樣( 1s 內 3~ 5 次) , 設傳感器在 t i-1 , t i 時刻測得的重量值為 G _i-1 , G _i , 則物料的瞬時K8凯发登录入口 Q i 為:

Q _i = (G _i-1 - G _i ) / (t _i - t _i-1 )在 1個稱重周期 T 內, 失重式連續稱重配料係統的下料累計量 G _q 是由測量周期t _m 內完成的下料量G _m 和再填充過程 t _f 時間內按容積式原理送出的重量G _f 組成, 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 —— 稱重料倉設定的上、 下限值;D _H , D _L ——重量上、 下限的稱量誤差;Q _f——再充填開始時的流速。一個周期的平均流速為: Q _q /4 = G _q / T , 累計每個周期的排料K8凯发登录入口, 從而對於 0~ t 時間內的K8凯发登录入口為:G =∫^t₀  Q _q /4 dt。

2 稱重配料係統的設計

2. 1 係統工作流程

稱重配料係統采用 PLC 作為配料控製器, 控製物料的流速、 物料配比值和料倉中物料的料位。

1) 稱重信號經由稱重傳感器轉換成電信號進入變送器, 變送器放大後轉換成 PLC 模塊可接受的電壓信號, 進入模擬輸入模塊。

2) 工況情況輸入信號如料位位置等進入 PLC開關量輸入模塊。

3) 外部電氣執行機構由 PLC 數字及模擬輸出模塊給出, PLC 通過設計軟件來自動完成失重給料係統的控製工作。同時上位機通過與 PLC 通過編程器接口實現通信, 通信內容包括工況標誌、 模擬量數據、 開機信號等。

2. 2 提高係統精度措施

1) 如果係統中的物料在下料過程中容易出現架橋結拱等現象, 則需要在出料裝置的上方安裝破拱裝置, 保證物料的通暢流通。

2) 每台秤由 3 個精度高、 線性度好的稱重傳感器支撐, 安裝時盡量保證 3 個傳感器的受力點水平,禁止對稱重傳感器受力點施加衝擊力或大於過載係數的重力。為了克服物料從螺旋加料器下落到秤體時的不均衡性, 使物料在處於秤體的任何位置時均能得到相同的毫伏電壓信號, 需給 3 個傳感器分別提供可調整的高精度供橋電壓。

3) 為了確定K8凯发登录入口和變頻器驅動輸出的關係, 則必須在運行使用前進行物料的K8凯发登录入口測試標定, 不同的物料對應關係不一樣, 因此必須分別測試標定, 並保存在係統參數中, 供電腦控製時使用。

4) 各設備之間的信號接口均采用光電隔離, 電路相互屏蔽。

3 結語

針對配料時使用的物料為超細粉體和在配料過程中對計量精確度的較高要求, 改進了 20 世紀 90年代初出現的失重式連續稱重配料係統, 新型的失重式連續稱重配料係統以合成的產品質量為核心,引入二級反饋構成串級係統。該係統自動化程度高, 物料的上料、 儲存、 計量、 輸送全過程均為自動控製; 由於係統的設計以生成產品的質量為中心, 因此它的精確度高, 對於使用超細粉體物料的配料係統,具有現實的推廣作用。

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