料塔智能稱重系統(tǒng)介紹及選型分析

劉 聰 樊士冉 張志勇 任學(xué)明 于 奇 陳麒麟

（新希望六和股份有限公司，山東青島 266001）

當(dāng)前,國內(nèi)養(yǎng)豬設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平相對(duì)較低,缺乏有效的科學(xué)化飼養(yǎng)管理,飼料浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。而料塔智能稱重系統(tǒng)的出現(xiàn)則有效地緩解了飼料浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)效益之間的問題。料塔智能稱重系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飼料重量的變化,通過終端傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息匯總到中央處理器中,從數(shù)據(jù)層面上記錄各類生豬不同階段的飼料消耗量。以料塔稱重?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合生豬的生長曲線,可以優(yōu)化出更加科學(xué)的養(yǎng)殖方法,不斷提高生豬的飼料轉(zhuǎn)化率,提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)出比,從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)化提升,實(shí)現(xiàn)飼料方面的節(jié)本增效。因此,熟悉料塔稱重系統(tǒng)的組成,并掌握系統(tǒng)的選型方法,對(duì)于智能化、科學(xué)化的養(yǎng)豬至關(guān)重要。

1 料塔智能稱重系統(tǒng)介紹

料塔智能稱重系統(tǒng)主要由稱重模塊、傳感器接線盒、稱重顯示儀表等部分組成(圖1)。

圖1 料塔智能稱重系統(tǒng)圖

1.1 稱重模塊

1.1.1 稱重模塊的結(jié)構(gòu)

稱重模塊是把高精度傳感器、載荷傳遞裝置以及安裝聯(lián)接裝置等結(jié)合在一起形成的新型稱重單元,這種裝置不受安裝條件和環(huán)境的影響,在確保傳感器穩(wěn)定性和精度的同時(shí),又能避免因安裝的原因而造成稱重產(chǎn)生誤差的風(fēng)險(xiǎn)[2]。稱重模塊主要由頂板、底板、稱重傳感器、傳感器承壓頭及支撐螺栓等組成,具備結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理簡單的特點(diǎn),所有部件均不需要焊接,也沒有其他附加的配件,便于快速安裝調(diào)試。因此像料塔這種大噸位的稱重系統(tǒng)建議使用稱重模塊。

根據(jù)稱重模塊在實(shí)際應(yīng)用中的受力特點(diǎn),將其分為靜載稱重模塊和動(dòng)載稱重模塊[3]。靜載稱重模塊適用于只受垂直作用力的場合。靜態(tài)載荷幾乎或根本不會(huì)對(duì)稱重模塊產(chǎn)生剪切力,如反應(yīng)釜、槽罐、儲(chǔ)料斗的重量檢測。動(dòng)載稱重模塊適用于作用力較明顯的場合。使用動(dòng)態(tài)載荷,在將產(chǎn)品放在秤上或進(jìn)行加工的過程中會(huì)將水平剪切力傳輸至稱重模塊,如平臺(tái)、生產(chǎn)線、傳送帶的重量檢測。

由于豬場料塔相對(duì)于傳感器是垂直方向的力,因此,在稱重系統(tǒng)中,應(yīng)該選擇靜載模塊作為稱重系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。圖2中支撐螺栓的主要作用是抵御上抬力和傾覆力,此外,還可以防止傳感器在運(yùn)輸和安裝過程中受力,需要注意的是,在稱重模塊安轉(zhuǎn)完畢后,應(yīng)松開螺栓上部的螺母,確保容器的作用力傳遞到傳感器上。

圖2 靜載稱重模塊構(gòu)成圖

稱重模塊根據(jù)頂板的不同,分為固定式、半浮動(dòng)式和全浮動(dòng)式3種結(jié)構(gòu)。在一個(gè)稱重系統(tǒng)中,通常使用一支固定模塊、一支半浮動(dòng)模塊、其余全為全浮動(dòng)模塊[4]的布局形式。這樣的結(jié)構(gòu)組合使得稱重系統(tǒng)在受到熱脹冷縮影響產(chǎn)生位移時(shí),既能確保稱重模塊上傳感器的受力點(diǎn)不變,還能保證稱重傳感器的高精度、長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn),同時(shí)又可以防止因安裝不當(dāng)而造成的測量誤差。

固定式模塊通過一個(gè)固定點(diǎn)連接傳感器和頂板,使傳感器不能平移,但卻可以圍繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。半浮動(dòng)模塊阻止秤體圍繞固定式模塊轉(zhuǎn)動(dòng),但允許秤體因熱脹冷縮而產(chǎn)生徑向移動(dòng),減少稱量誤差。其頂板在切線方向受限位以防止秤體轉(zhuǎn)動(dòng)。浮動(dòng)式模塊的頂板允許做任意方向的移動(dòng),移動(dòng)幅度受支撐螺栓頭與沉孔間隙的限制。圖3、圖4、圖5。

圖3 固定式模塊

圖4 半浮動(dòng)式模塊

圖5 全浮動(dòng)式模塊

稱重模塊安裝時(shí),半浮動(dòng)模塊須安裝在固定模塊的對(duì)角；固定模塊的安裝支點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生水平位移,因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,管道和電氣連接部分應(yīng)靠近該點(diǎn)；半浮動(dòng)和浮動(dòng)模塊使系統(tǒng)能圍繞固定點(diǎn)移動(dòng),消除容器變形對(duì)稱重產(chǎn)生的影響。若由于地基下陷造成的傳感器發(fā)生變化誤差,傳感器的輸出信號(hào)差異過大,導(dǎo)致校稱后效果仍不理想,就需要重新進(jìn)行地基加固處理。

1.1.2 稱重傳感器的參數(shù)性能

稱重傳感器是稱重模塊的心臟部件,稱重傳感器的誤差和準(zhǔn)確度直接關(guān)系到稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。選擇一個(gè)高質(zhì)量的稱重傳感器是稱重控制器獲取稱量精度的重要步驟,稱重傳感器的質(zhì)量就是由其各種參數(shù)決定的[5]。稱重系統(tǒng)的精確度取決于所采用稱重傳感器的質(zhì)量,從稱重系統(tǒng)獲得的最佳狀態(tài)是達(dá)到稱重傳感器的性能額定值。稱重傳感器標(biāo)準(zhǔn)性能的額定值見表1。

表1 稱重傳感器技術(shù)參數(shù)表

非線性誤差是表示此傳感器輸出的電壓信號(hào)與負(fù)荷之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的精確程度參數(shù)。

重復(fù)性誤差則是指傳感器在同一負(fù)荷、同樣條件下反復(fù)施壓時(shí),其輸出值是否能重復(fù)一致,這項(xiàng)特性更能反映傳感器的品質(zhì)。

靈敏度(額定輸出)指輸出增量與所加的負(fù)荷增量之比。通常每輸入1 V電壓時(shí)額定輸出的mV值。

滯后誤差指當(dāng)逐級(jí)施加負(fù)荷再依次卸下負(fù)荷時(shí),對(duì)應(yīng)每一級(jí)負(fù)荷,理想情況下應(yīng)有相同的讀數(shù),但事實(shí)上會(huì)存在不一致,不一致的程度用滯后誤差表示。國際標(biāo)準(zhǔn)中滯后誤差為同一試驗(yàn)點(diǎn)上3次行程實(shí)際輸出信號(hào)值的算術(shù)平均值與3次上行程實(shí)際輸出信號(hào)值的算術(shù)平均值之間的最大差值。

綜合誤差是由非線性誤差和滯后誤差聯(lián)合作用產(chǎn)生的誤差,即從零負(fù)載到額定量程之間的誤差帶。

IP等級(jí)是由2位數(shù)字組成,第1位數(shù)字表示殼體離塵、防止外物侵入的等級(jí),第2位數(shù)字表示殼體防濕氣、防水侵入的密閉程度,數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高,兩位標(biāo)示數(shù)字所表示的防護(hù)等級(jí)見表2。

表2 由IEC 制定的IP 防護(hù)等級(jí)

1.1.3 稱重傳感器量程選擇

稱重傳感器量程選擇可依據(jù)稱重系統(tǒng)的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載等因素綜合評(píng)價(jià)來確定。一般來說,傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷,其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用時(shí),由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外,還存在秤體自重、皮重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷,因此選用傳感器量程時(shí),要考慮諸多因素,保證傳感器的安全和壽命[6]。傳感器量程的計(jì)算公式是在充分考慮到影響秤體的各個(gè)因素后,經(jīng)過大量的試驗(yàn)而確定的,具體公式如下：

式中：C——單個(gè)傳感器的額定量程；W——承載體自重；Wmax——被稱物體凈重的最大值；N——承載體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量；K0——保險(xiǎn)系數(shù),一般取1.2～1.3之間；K1——沖擊系數(shù)；K2——承載體的重心偏移系數(shù)；K3——風(fēng)壓系數(shù)。

如果上述公式中的參數(shù)無法確定,可依據(jù)下述依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出簡易公式計(jì)算：

a值的大小,依據(jù)下述使用條件給定：

①當(dāng)N個(gè)傳感器均勻受載,且在無振動(dòng)、無沖擊條件下工作時(shí),a＝1.1～1.3；②當(dāng)偶爾有沖擊振動(dòng)時(shí),a＝1.3～1.5；③當(dāng)在有重復(fù)性的沖擊振動(dòng)條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重時(shí),a＝1.7～2.0。當(dāng)N個(gè)傳感器不均勻受載時(shí),則根據(jù)偏載可能形成的最大載荷乘以上述系數(shù)即可[7]。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般應(yīng)使稱重傳感器工作在其30%～70%量程內(nèi),使傳感器的稱量儲(chǔ)備量增大,以保證稱重傳感器的安全和使用壽命。

1.1.4 外力因素對(duì)稱重模塊的影響

⑴撞擊載荷對(duì)稱重模塊的影響[8]

為了消除掉落物體產(chǎn)生的沖擊荷載,必須清楚掉落物體的重量、掉落的垂直距離、空秤結(jié)構(gòu)的重量、稱重傳感器的數(shù)量以及稱重傳感器的額定量程和彎曲度。掉落載荷公式：

為了消除降落物體(特別是吊車荷載應(yīng)用)產(chǎn)生的撞擊荷載,必須清楚降落物體的重量、降落速度、空秤結(jié)構(gòu)的重量、稱重傳感器的數(shù)量以及稱重傳感器的額定量程和撓曲度。降落載荷公式：

式中：MMAX——掉落或降落載荷在最差的稱重傳感器上產(chǎn)生的最大負(fù)載(單位：kg)；M1——最差的稱重傳感器所承載的掉落或降落載荷部分[單位：kg]；M2——最差的稱重傳感器所承載的秤的固定負(fù)載部分(單位：kg)；H——物體掉落的高度(單位：mm)；R.C——稱重傳感器的額定量程(單位：kg])?？梢詫⑵渌麊挝粨Q算成b或kg；△——額定量程下,稱重傳感器的傾斜度(單位：mm)；V——物體降落的速度(單位：mm/s)；g——重力加速度＝9 810 mm/s2；MMAX——應(yīng)小于稱重傳感器或稱重模塊額定量程(單位：kg)。如果需要采取其他措施消除撞擊載荷,指定較大量程的稱重傳感器或稱重模塊是一種可行的解決方案。

⑵環(huán)境因素對(duì)稱重模塊的影響

由于環(huán)境因素會(huì)影響稱重模塊系統(tǒng)的精確度和安全性,因此在選擇階段一定要考慮環(huán)境因素。粉塵、潮濕對(duì)傳感器造成短路影響。在潮濕或揚(yáng)塵環(huán)境下應(yīng)選用密閉性很高的傳感器。不同的傳感器其密封的方式不同,應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況選擇合適的IP防護(hù)等級(jí)。

電磁場會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出紊亂信號(hào)[9]。在此情況下,應(yīng)對(duì)傳感器的屏蔽性進(jìn)行嚴(yán)格檢查,看其是否具有良好的抗電磁能力。若要得到準(zhǔn)確的重量讀數(shù),秤必須能夠區(qū)分電壓存在百萬分之一差別的電子信號(hào)。噪音會(huì)導(dǎo)致稱重誤差,噪音常見來源為電源線、輸電線、電機(jī)或者移動(dòng)電話產(chǎn)生的無線電率(RF)和電磁(EM)輻射。以下3種方法有助于防止電磁干擾：①要降低無線電頻率和電磁干擾,在儀表信號(hào)線纜上安裝一個(gè)磁環(huán)。磁環(huán)置于防塵罩內(nèi)部,或盡量靠近面板安裝結(jié)構(gòu)上的接頭。將信號(hào)線纜導(dǎo)線和屏蔽地線在磁環(huán)上纏繞4圈。保證磁環(huán)盡量靠近電纜進(jìn)入防塵罩的位置。②電纜安裝位置距離電源線至少300 mm。③將電纜徹底絕緣并接地,防止其接收不必要的噪音。④避雷,安裝避雷防護(hù)設(shè)備,防止稱重系統(tǒng)遭到雷電襲擊。使用專業(yè)的設(shè)備,防止閃電產(chǎn)生的電流通過接地傳至稱重傳感器。因此設(shè)備應(yīng)在每個(gè)稱重模塊附近設(shè)置備用的低阻接地路徑。

1.1.5 稱重模塊的校準(zhǔn)

稱重模塊系統(tǒng)安裝完畢后必須進(jìn)行校準(zhǔn),以便儀表上的讀數(shù)能準(zhǔn)確反映秤上物體的重量。現(xiàn)在常用的調(diào)試校準(zhǔn)方法有標(biāo)準(zhǔn)砝碼法、替代法和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬標(biāo)定法[10]。

⑴標(biāo)準(zhǔn)砝碼法

標(biāo)準(zhǔn)砝碼法是將標(biāo)準(zhǔn)砝碼從零開始逐步加載到最大量程,再逐步卸載至空秤來進(jìn)行校準(zhǔn),用這種方法加載的結(jié)果是最精確的,但要求料塔稱重系統(tǒng)上裝有放置砝碼的平臺(tái)支架或掛鉤等裝置。

⑵替代法

替代法相對(duì)簡單,指只有少量砝碼時(shí),用其他替代物來校準(zhǔn),從空秤零點(diǎn)起用標(biāo)準(zhǔn)砝碼與其他替代物重復(fù)比對(duì)進(jìn)行校準(zhǔn)。不能使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)時(shí),在另外的高精度秤上稱量出替代物的質(zhì)量,再將替代物放進(jìn)料塔稱重配料系統(tǒng)中進(jìn)行校準(zhǔn)。替代法是目前料塔稱重系統(tǒng)校準(zhǔn)中常用方法之一。

⑶標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬標(biāo)定法

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬標(biāo)定法指用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源替代稱重模塊的信號(hào)輸出,模擬稱重系統(tǒng)的空秤值和滿量程值,通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的輸出進(jìn)行量程的校準(zhǔn),這種方法對(duì)料塔稱重配料系統(tǒng)的精度有一定的影響,一般不采用。

根據(jù)料塔稱重的特點(diǎn)及性能需求,建議選擇靜載稱重模塊。綜合考慮稱重傳感器的各項(xiàng)性能參數(shù)、外界環(huán)境因素影響以及實(shí)際使用需求,按照公式⑴和公式⑵計(jì)算得出最合適的稱重傳感器量程。經(jīng)過比較分析,推薦使用的傳感器防護(hù)等級(jí)不低于IP65。C3精度對(duì)應(yīng)的C3的分度值,目前所有畜牧行業(yè)都采用的C3標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 接線盒

接線盒是稱重系統(tǒng)中連接稱重傳感器與稱重儀表的中間部件,具有連接稱重儀表和傳輸稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)的重要職能[11]。根據(jù)稱重傳感器和稱重儀表原理與結(jié)構(gòu)的不同分為模擬式接線盒和數(shù)字式接線盒。

1.2.1 模擬式接線盒

模擬式接線盒也稱“接線盒(J-BOX)”,用于連接模擬式稱重傳感器和模擬式稱重儀表。由于傳感器中的關(guān)鍵材料應(yīng)變和彈性體各有差異及制造工藝的差異,造成各個(gè)傳感器的參數(shù)有差別,主要是靈敏度不一致,這種不一致稱為角差。接線盒的作用是接入傳感器的輸出信號(hào),將其傳輸?shù)絻x表上,在這個(gè)過程中通過調(diào)節(jié)接線盒里的電位器來調(diào)整角差,使各個(gè)傳感器的靈敏度接近一致,從而保證整個(gè)秤體的平衡[12]。

1.2.2 數(shù)字式接線盒

數(shù)字式接線盒(Digital J-BOX)是數(shù)字稱重系統(tǒng)與數(shù)字稱重傳感器和數(shù)字稱重儀表連接的專用接線盒。數(shù)字接線盒是將多個(gè)數(shù)字式稱重傳感器并聯(lián)接入總線的一種接線裝置,只起連接作用?；跀?shù)字接線盒使用條件的局限性及對(duì)大部分稱重儀的調(diào)研結(jié)果,推薦使用模擬式接線盒連接各稱重模塊。

1.3 稱重顯示控制器的選用建議

1.3.1 稱重顯示控制器的原理

稱重變送控制器集稱量顯示、控制和重量信號(hào)變送于一體[13],廣泛應(yīng)用于各種稱重、測力、配料和稱量數(shù)據(jù)采集的場合。它以一體化單片微電腦為核心,標(biāo)定、設(shè)定等工作參數(shù)采用EEPROM(帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)保存。由傳感器輸出的重量信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)放大器放大,二階低通有源濾波器處理后,送高精度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字,微電腦將該轉(zhuǎn)換值讀入處理器后經(jīng)標(biāo)定運(yùn)算分4路進(jìn)行輸出和控制。

1.3.2 稱重顯示控制器的參數(shù)

調(diào)研英孚克斯、中電科、寧波柯力、天津麗景等公司的稱重顯示儀表結(jié)果顯示市場上的大部分產(chǎn)品參數(shù)基本與表3參數(shù)相同。同時(shí),調(diào)試模擬濾波器、數(shù)字濾波器及移動(dòng)平均等多種處理,可以消除因機(jī)械振動(dòng)、外部沖擊等對(duì)計(jì)量精度及速度的影響,確保了秤的高精度、高速度計(jì)量工程。

考慮到國內(nèi)不少豬場料塔稱重系統(tǒng)因稱重顯示控制器沒有濾波功能造成稱量不準(zhǔn)確,結(jié)合實(shí)際情況,使之能夠符合豬場的應(yīng)用規(guī)范,且更便捷應(yīng)用,建議選用的控制顯示儀表應(yīng)具有以下特性：①儀表可使用以太網(wǎng)接口支持http協(xié)議,儀表可設(shè)置為服務(wù)器與手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；②具備良好的濾波功能,保證讀數(shù)穩(wěn)定；③記錄料塔每次進(jìn)料和出料的重量、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間及實(shí)時(shí)重量等,并可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,形成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和操作員報(bào)表等信息；④儀表可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,并支持查詢,包括稱量記錄(時(shí)間、名稱、規(guī)格及數(shù)據(jù)備注字段)、累計(jì)量和累計(jì)次數(shù)等；⑤網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)可通過儀表查詢數(shù)據(jù),確保正常工作,斷網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生并記錄的數(shù)據(jù)會(huì)保存到儀表本地?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi),掉電不丟失,聯(lián)網(wǎng)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,確保數(shù)據(jù)不

表3 稱重顯示控制器的相關(guān)參數(shù)丟失。

表3 稱重顯示控制器的相關(guān)參數(shù)

2 選型建議及注意事項(xiàng)

對(duì)料塔智能稱重系統(tǒng)中靜載稱重模塊、接線盒、顯示控制儀表的原理及應(yīng)用進(jìn)行簡要概述,通過對(duì)比英孚克斯、中電科、寧波柯力、天津麗景、上海耀華等公司稱重系統(tǒng)的參數(shù)及性能,旨在增進(jìn)用戶對(duì)料塔智能稱重系統(tǒng)各個(gè)組成部分的了解,為后續(xù)系統(tǒng)配置提供參考建議。

綜上所述,在料塔智能稱重系統(tǒng)使用中,建議使用模塊參數(shù)和注意事項(xiàng)總結(jié)見表4。(注：對(duì)于配套設(shè)施,既可以采用全套設(shè)施,也可按照技術(shù)要求自行搭配)。

表4 稱重系統(tǒng)選型建議及注意事項(xiàng)