李永偉，朱婧菲，劉占陽(yáng)，孫海波

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

計(jì)量稱重與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)和產(chǎn)品流通等環(huán)節(jié)中，很多場(chǎng)合需要對(duì)連續(xù)輸送散裝物料進(jìn)行計(jì)量稱重，如飼料加工、糧食加工、化工、冶金、醫(yī)藥等行業(yè)的貿(mào)易結(jié)算或企業(yè)散裝物料入庫(kù)、出庫(kù)以及上下工序間工藝控制用計(jì)量稱重，都需要對(duì)連續(xù)輸送的物料進(jìn)行精確快速計(jì)量稱重。傳統(tǒng)的計(jì)量稱重系統(tǒng)是在傳送帶中間嵌入皮帶秤計(jì)量物料的流量，間接計(jì)算出連續(xù)輸送物料的總量，這種計(jì)量方式其計(jì)量精度受傳送帶運(yùn)行狀況的影響較大，精度一般在2%左右，且不穩(wěn)定，達(dá)不到貿(mào)易結(jié)算的要求。采用一邊加料一邊動(dòng)態(tài)稱重的傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)，稱量過程受到加料沖擊和振動(dòng)等影響，其計(jì)量稱重精度也很難達(dá)到貿(mào)易結(jié)算的要求。要提高連續(xù)輸送物料的計(jì)量精度，最有效的方法是采用靜態(tài)計(jì)量，即物料處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行計(jì)量稱重，但物料在連續(xù)輸送過程中很難滿足靜止?fàn)顟B(tài)計(jì)量要求。本文設(shè)計(jì)的連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)是基于動(dòng)態(tài)稱重方法，采用物料流的動(dòng)態(tài)切換和雙稱量斗互備緩沖的計(jì)量方式［1-2］，計(jì)量精度高于0.5%，可作為貿(mào)易結(jié)算等用途的計(jì)量，解決了連續(xù)輸送的散裝物料的精確計(jì)量和快速稱重的難題［3］。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成［4］，整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)方形的箱體內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。系統(tǒng)包括左、右2個(gè)計(jì)量斗、6只稱重傳感器、2套稱重儀表、物料流切換裝置、計(jì)量斗放料閘門、驅(qū)動(dòng)閘門切換的氣缸、電磁閥、氣源部件、控制面板及自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。

圖1 連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of measuring and weighing system of continuous conveyed materials

1.2 工作原理

在開始計(jì)量時(shí)，通過物料流切換裝置使左計(jì)量斗處于進(jìn)料狀態(tài)，右計(jì)量斗處于進(jìn)料等待狀態(tài)，左計(jì)量斗進(jìn)料完成后進(jìn)入計(jì)量稱重狀態(tài)，同時(shí)右計(jì)量斗進(jìn)入進(jìn)料狀態(tài)，以保障進(jìn)料的連續(xù)性。左計(jì)量斗計(jì)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(zhuǎn)入進(jìn)料等待狀態(tài)。右計(jì)量斗進(jìn)料完成后轉(zhuǎn)為計(jì)量稱重狀態(tài)，左計(jì)量斗再次轉(zhuǎn)為進(jìn)料狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，通過多次循環(huán)完成整個(gè)計(jì)量稱重任務(wù)。在計(jì)量稱重過程中，始終要有一個(gè)計(jì)量斗處于進(jìn)料狀態(tài)，以保證精確計(jì)量和物料連續(xù)輸送的統(tǒng)一。

2 控制系統(tǒng)及其硬件設(shè)計(jì)

2.1 物料流轉(zhuǎn)換時(shí)序設(shè)計(jì)

連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)的關(guān)鍵是以2套互為備份的稱量裝置在計(jì)量和進(jìn)料、放料等過程中進(jìn)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(jìn)料狀態(tài)，另一套裝置處于計(jì)量或計(jì)量輔助狀態(tài)，以確保物料流的連續(xù)性和計(jì)量的準(zhǔn)確性［8］。物料流切換和2套稱量裝置的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序設(shè)計(jì)，要保證一套裝置的計(jì)量時(shí)間和放料時(shí)間之和小于另一套裝置的最長(zhǎng)進(jìn)料時(shí)間，否則，處于進(jìn)料狀態(tài)的進(jìn)料斗已滿，處于計(jì)量狀態(tài)的計(jì)量斗還沒有完成計(jì)量或放料，則無(wú)法切換到進(jìn)料狀態(tài)，物料流的連續(xù)性就不能保證。最長(zhǎng)進(jìn)料時(shí)間由可計(jì)量的最大流量和計(jì)量斗有效容積決定，稱量時(shí)間決定于計(jì)量時(shí)穩(wěn)定延時(shí)時(shí)間，計(jì)量斗放料時(shí)間決定于放料口截面積和物料下落速度［9］。各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)序應(yīng)符合以下關(guān)系：

式中：Q為最大計(jì)量流量；VP為一個(gè)計(jì)量斗有效容積物料密度；T1為物料流切換裝置的動(dòng)作時(shí)間；T2為計(jì)量前的穩(wěn)定時(shí)間；T3為計(jì)量采樣時(shí)間；T4為放料時(shí)間。為此，應(yīng)當(dāng)首先確定T1和T4，然后根據(jù)式（1）反算所需計(jì)量斗容積，但計(jì)量斗容積又會(huì)影響放料時(shí)間T4，而T4與每次計(jì)量物料質(zhì)量之間沒有對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法，一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定［10］。因此，時(shí)序確定是一個(gè)需要多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的過程。

2.2 物料流切換裝置設(shè)計(jì)

物料流切換功能是實(shí)現(xiàn)互備緩沖計(jì)量的前提，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，切換裝置利用物料在重力作用下自流來(lái)實(shí)現(xiàn)切換［11］，不使用機(jī)械和動(dòng)力?？赡艿那袚Q方式有單導(dǎo)向板或雙導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)，有上轉(zhuǎn)軸和下轉(zhuǎn)軸方式。本設(shè)計(jì)綜合切換速度、所需驅(qū)動(dòng)行程和驅(qū)動(dòng)力大小等因素，選擇雙導(dǎo)向板轉(zhuǎn)軸上置方案。

2.3 硬件選型及設(shè)計(jì)

計(jì)量斗稱重傳感器的選型與布置的合理性直接影響計(jì)量精度，稱重傳感器可選用拉式傳感器或壓式傳感器［12］，計(jì)量斗稱重傳感器的數(shù)量可以為1～4只，考慮到計(jì)量斗稱重傳感器既起到稱重的作用又對(duì)計(jì)量斗起到固定與支撐作用，所以每個(gè)計(jì)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(jì)量精度和可靠性等因素，PLC選用性價(jià)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(shè)計(jì)

稱重儀表輸出有模擬輸出或串行口數(shù)字輸出［13］，為了把計(jì)量斗重量數(shù)據(jù)傳送到PLC，可選用模擬信號(hào)傳輸方式或串行通信方式。由于系統(tǒng)選用的稱重儀表為數(shù)字式儀表，重量數(shù)據(jù)在儀表內(nèi)部已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了數(shù)字量，如果用模擬信號(hào)傳輸給PLC，儀表要進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，PLC需要增加模擬輸入模塊，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，一方面增加了成本，另一方面經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換降低了計(jì)量精度。所以，本設(shè)計(jì)采用串行通信方式直接傳輸數(shù)字量。稱重儀表串行通信一般采用RS-485方式，通信協(xié)議為MODBUS，但很多PLC沒有直接支持MODBUS協(xié)議的軟件模塊，需要通過PLC編程實(shí)現(xiàn)與儀表的MODBUS協(xié)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(shù)據(jù)重發(fā)和軟件容錯(cuò)算法等。

3.2 自動(dòng)稱量動(dòng)作流程設(shè)計(jì)與PLC控制軟件實(shí)現(xiàn)

連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)靠2套計(jì)量裝置合理切換與配合來(lái)保證物料流的連續(xù)性和計(jì)量的準(zhǔn)確性，要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格時(shí)序關(guān)系，關(guān)鍵在于自動(dòng)稱量動(dòng)作流程設(shè)計(jì)和PLC控制程序的編制，要在保證物料流連續(xù)性的前提下，合理分配物料切換時(shí)間、計(jì)量前的穩(wěn)定時(shí)間、計(jì)量采樣時(shí)間和放料時(shí)間的長(zhǎng)短，并保留一定的時(shí)間裕度，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。最終的控制方案需要經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，并通過多次優(yōu)化后確定最終值。

4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

經(jīng)過簡(jiǎn)化，單自由度二階系統(tǒng)可以作為該計(jì)量稱重系統(tǒng)的力學(xué)模型［14］，見圖3。其中，主加料質(zhì)量、空秤皮質(zhì)量分別為m1和mz，在t1時(shí)間內(nèi)，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(shí)間t1很短，一階躍函數(shù)m1g1（t）可以近似看作f（t）作用的動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

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

在零初始條件下，對(duì)式（2）進(jìn)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(wú)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(tǒng)穩(wěn)定輸出為x（∞）=m1g／k，乘以彈性系數(shù)k即得質(zhì)量m1g。要快速準(zhǔn)確得出質(zhì)量m1，必須盡可能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過增加ωn，使ξ達(dá)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(zhì)量和空秤皮質(zhì)量，稱量傳感器結(jié)構(gòu)限制了系統(tǒng)等效彈性系數(shù)，因此系統(tǒng)本身阻尼系數(shù)較小。通過對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，系統(tǒng)為增加阻尼比ξ可外加阻尼器，從而達(dá)到增加阻尼系數(shù)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(dòng)態(tài)數(shù)字補(bǔ)償處理方法來(lái)改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，使ξ趨近最佳阻尼比0.707?？紤]到在增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)的同時(shí)，又要使系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度，所以二階控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要采取合理的折中方案或補(bǔ)償方案，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

圖3 計(jì)量稱重系統(tǒng)力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of weighing system

5 結(jié) 語(yǔ)

通過系統(tǒng)分析，提出了連續(xù)輸送物料計(jì)量稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用動(dòng)態(tài)切換和雙稱量斗互備緩沖的計(jì)量方式，在保證物料輸送連續(xù)性的基礎(chǔ)上，解決了連續(xù)輸送物料的精確計(jì)量和快速稱重的難題，確保了物料流連續(xù)性和計(jì)量準(zhǔn)確性的統(tǒng)一，計(jì)量精度高于0.5%，可作為貿(mào)易結(jié)算計(jì)量等用途，可替代傳統(tǒng)皮帶秤或核子秤。

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