連續輸送物料計量稱重系統的設計

李永偉，朱婧菲，劉占陽，孫海波

（1.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；2.河北省機電一體化中試基地，河北石家莊050081）

計量稱重與人類生產、生活息息相關，在工農業生產、倉儲和產品流通等環節中，很多場合需要對連續輸送散裝物料進行計量稱重，如飼料加工、糧食加工、化工、冶金、醫藥等行業的貿易結算或企業散裝物料入庫、出庫以及上下工序間工藝控制用計量稱重，都需要對連續輸送的物料進行精確快速計量稱重。傳統的計量稱重系統是在傳送帶中間嵌入皮帶秤計量物料的流量，間接計算出連續輸送物料的總量，這種計量方式其計量精度受傳送帶運行狀況的影響較大，精度一般在2%左右，且不穩定，達不到貿易結算的要求。采用一邊加料一邊動態稱重的傳統計量系統，稱量過程受到加料沖擊和振動等影響，其計量稱重精度也很難達到貿易結算的要求。要提高連續輸送物料的計量精度，最有效的方法是采用靜態計量，即物料處于靜止狀態時進行計量稱重，但物料在連續輸送過程中很難滿足靜止狀態計量要求。本文設計的連續輸送物料計量稱重系統是基于動態稱重方法，采用物料流的動態切換和雙稱量斗互備緩沖的計量方式［1-2］，計量精度高于0.5%，可作為貿易結算等用途的計量，解決了連續輸送的散裝物料的精確計量和快速稱重的難題［3］。

1 系統組成和工作原理

1.1 系統組成

連續輸送物料計量稱重系統主要由機械系統、稱重系統和自動控制系統組成［4］，整個系統安裝在一個方形的箱體內，系統結構圖見圖1。系統包括左、右2個計量斗、6只稱重傳感器、2套稱重儀表、物料流切換裝置、計量斗放料閘門、驅動閘門切換的氣缸、電磁閥、氣源部件、控制面板及自動控制系統等組成。

圖1 連續輸送物料計量稱重系統結構圖Fig.1 Diagram of measuring and weighing system of continuous conveyed materials

1.2 工作原理

在開始計量時，通過物料流切換裝置使左計量斗處于進料狀態，右計量斗處于進料等待狀態，左計量斗進料完成后進入計量稱重狀態，同時右計量斗進入進料狀態，以保障進料的連續性。左計量斗計量稱重完成后由氣缸控制放料閘門快速放料，放料完畢立即轉入進料等待狀態。右計量斗進料完成后轉為計量稱重狀態，左計量斗再次轉為進料狀態，如此循環往復，通過多次循環完成整個計量稱重任務。在計量稱重過程中，始終要有一個計量斗處于進料狀態，以保證精確計量和物料連續輸送的統一。

2 控制系統及其硬件設計

2.1 物料流轉換時序設計

連續輸送物料計量稱重系統的關鍵是以2套互為備份的稱量裝置在計量和進料、放料等過程中進行合理切換［5-7］，使得2套稱量裝置保持有一套裝置處于進料狀態，另一套裝置處于計量或計量輔助狀態，以確保物料流的連續性和計量的準確性［8］。物料流切換和2套稱量裝置的狀態轉換時序設計，要保證一套裝置的計量時間和放料時間之和小于另一套裝置的最長進料時間，否則，處于進料狀態的進料斗已滿，處于計量狀態的計量斗還沒有完成計量或放料，則無法切換到進料狀態，物料流的連續性就不能保證。最長進料時間由可計量的最大流量和計量斗有效容積決定，稱量時間決定于計量時穩定延時時間，計量斗放料時間決定于放料口截面積和物料下落速度［9］。各個環節的時序應符合以下關系：

式中：Q為最大計量流量；VP為一個計量斗有效容積物料密度；T1為物料流切換裝置的動作時間；T2為計量前的穩定時間；T3為計量采樣時間；T4為放料時間。為此，應當首先確定T1和T4，然后根據式（1）反算所需計量斗容積，但計量斗容積又會影響放料時間T4，而T4與每次計量物料質量之間沒有對應的計算方法，一般通過實驗測定［10］。因此，時序確定是一個需要多次反復實驗和驗證的過程。

2.2 物料流切換裝置設計

物料流切換功能是實現互備緩沖計量的前提，為了簡化結構，切換裝置利用物料在重力作用下自流來實現切換［11］，不使用機械和動力。可能的切換方式有單導向板或雙導向板結構，有上轉軸和下轉軸方式。本設計綜合切換速度、所需驅動行程和驅動力大小等因素，選擇雙導向板轉軸上置方案。

2.3 硬件選型及設計

計量斗稱重傳感器的選型與布置的合理性直接影響計量精度，稱重傳感器可選用拉式傳感器或壓式傳感器［12］，計量斗稱重傳感器的數量可以為1～4只，考慮到計量斗稱重傳感器既起到稱重的作用又對計量斗起到固定與支撐作用，所以每個計量斗選用3只S型拉式傳感器懸吊安裝，3只傳感器呈120°均勻分布以保證受力均勻。綜合考慮計量精度和可靠性等因素，PLC選用性價比較高的S7-224XP CN西門子PLC，稱重傳感器選用TSC-200傳感器，稱重儀表選用IND320，觸摸屏選用DOP-B07E515。

3 系統軟件設計

系統的軟件控制程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of main program

3.1 稱重儀表與PLC的接口通信軟件設計

稱重儀表輸出有模擬輸出或串行口數字輸出［13］，為了把計量斗重量數據傳送到PLC，可選用模擬信號傳輸方式或串行通信方式。由于系統選用的稱重儀表為數字式儀表，重量數據在儀表內部已經轉化成了數字量，如果用模擬信號傳輸給PLC，儀表要進行D／A轉換，PLC需要增加模擬輸入模塊，再經過A／D轉換把模擬量轉化為數字量，一方面增加了成本，另一方面經過多次轉換降低了計量精度。所以，本設計采用串行通信方式直接傳輸數字量。稱重儀表串行通信一般采用RS-485方式，通信協議為MODBUS，但很多PLC沒有直接支持MODBUS協議的軟件模塊，需要通過PLC編程實現與儀表的MODBUS協議通信，為了保證通信的可靠性，必須采用有效的抗干擾措施，包括通信線的屏蔽、終端電阻以及采用數據重發和軟件容錯算法等。

3.2 自動稱量動作流程設計與PLC控制軟件實現

連續輸送物料計量稱重系統靠2套計量裝置合理切換與配合來保證物料流的連續性和計量的準確性，要實現嚴格時序關系，關鍵在于自動稱量動作流程設計和PLC控制程序的編制，要在保證物料流連續性的前提下，合理分配物料切換時間、計量前的穩定時間、計量采樣時間和放料時間的長短，并保留一定的時間裕度，以確保系統運行的可靠性。最終的控制方案需要經過實際運行測試，并通過多次優化后確定最終值。

4 系統動態特性分析

經過簡化，單自由度二階系統可以作為該計量稱重系統的力學模型［14］，見圖3。其中，主加料質量、空秤皮質量分別為m1和mz，在t1時間內，主加料沖擊力為f（t），受力分析如圖3所示。

若物料下落高度較小，并且時間t1很短，一階躍函數m1g1（t）可以近似看作f（t）作用的動力學模型，系統的運動方程如下：

式中：k為計量稱重系統等效彈性系數；c為計量稱重系統等效阻尼系數；x（t）為計量稱重系統位移量。

在零初始條件下，對式（2）進行拉氏變換得到

整理后得

在欠阻尼（0＜ξ＜1）情況下，拉氏逆變換并整理后得

式中：阻尼比ξ=c／｛2［（m1＋mz）k］1／2｝；無阻尼固有頻率ωn=［k／（m1＋mz）］1／2；有阻尼固有頻率ωd=ωn（1-ξ2）1／2。

系統穩定輸出為x（∞）=m1g／k，乘以彈性系數k即得質量m1g。要快速準確得出質量m1，必須盡可能提高系統的響應速度，通過增加ωn，使ξ達到最佳阻尼比0.707左右［15］。由于稱量傳感器量程限制了主加料質量和空秤皮質量，稱量傳感器結構限制了系統等效彈性系數，因此系統本身阻尼系數較小。通過對系統的動態分析，系統為增加阻尼比ξ可外加阻尼器，從而達到增加阻尼系數c的目的，為了使阻尼比ξ維持在最佳阻尼比0.707左右，也可以采用動態數字補償處理方法來改變系統阻尼系數，使ξ趨近最佳阻尼比0.707。考慮到在增強系統阻尼系數的同時，又要使系統具有較高的響應速度，所以二階控制系統的設計需要采取合理的折中方案或補償方案，才能達到設計的目的。

圖3 計量稱重系統力學模型Fig.3 Mechanical model of weighing system

5 結 語

通過系統分析，提出了連續輸送物料計量稱重系統的設計方案，采用動態切換和雙稱量斗互備緩沖的計量方式，在保證物料輸送連續性的基礎上，解決了連續輸送物料的精確計量和快速稱重的難題，確保了物料流連續性和計量準確性的統一，計量精度高于0.5%，可作為貿易結算計量等用途，可替代傳統皮帶秤或核子秤。

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