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| 防爆地磅配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì) | 2020-01-11 |
| 摘要：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)和產(chǎn)品流通等環(huán)節(jié)需要對(duì)電子秤(尤其是顆粒狀散裝物料)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地防爆地磅稱重。傳統(tǒng)電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)，要么防爆地磅精度差，要么運(yùn)行速度慢，不能滿足精確防爆地磅和快速稱重的要求。防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)是基于動(dòng)態(tài)稱重方法，采用物料流的動(dòng)態(tài)切換和雙稱重反應(yīng)罐互備緩沖防爆地磅方式，解決了防爆電子秤的精確防爆地磅和快速稱重的難題，防爆地磅精度高于0．5％，可作為貿(mào)易結(jié)算或企業(yè)散裝物料入庫(kù)、出庫(kù)及上下工序間工藝控制用防爆地磅稱重，可替代傳統(tǒng)皮帶秤或核子秤等，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和更快的響應(yīng)速度。 防爆地磅稱重與人類生產(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)行防爆地磅稱重，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防爆地磅稱重，都需要對(duì)連續(xù)輸送的物料進(jìn)行精確快速防爆地磅稱重。傳統(tǒng)的自動(dòng)配料系統(tǒng)是在傳送帶中間嵌入皮帶秤防爆地磅物料的流量，間接計(jì)算出防爆電子秤的總量，這種防爆地磅方式其防爆地磅精度受傳送帶運(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)防爆地磅系統(tǒng)，稱量過程受到加料沖擊和振動(dòng)等影響，其防爆電子秤稱重精度也很難達(dá)到貿(mào)易結(jié)算的要求。要提高防爆電子秤的防爆地磅精度，的方法是采用靜態(tài)防爆地磅，即物料處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行防爆電子秤稱重，但物料在連續(xù)輸送過程中很難滿足靜止?fàn)顟B(tài)防爆地磅要求。本文設(shè)計(jì)的防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)是基于動(dòng)態(tài)稱重方法，采用物料流的動(dòng)態(tài)切換和雙稱重反應(yīng)罐互備緩沖的防爆地磅方式，防爆地磅精度高于0．5％，可作為貿(mào)易結(jié)算等用途的防爆地磅，解決了連續(xù)輸送的散裝物料的精確防爆地磅和快速稱重的難題。 1系統(tǒng)組成和工作原理 1．1系統(tǒng)組成 防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)和自動(dòng)配料系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)方形的箱體內(nèi)。系統(tǒng)包括左、右2個(gè)防爆地磅反應(yīng)罐、6只稱重模塊、2套稱重儀表、物料流切換裝置、防爆地磅罐放料閘門、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)配料系統(tǒng)等組成。 1．2工作原理 在開始防爆地磅時(shí)，通過物料流切換裝置使左防爆地磅罐處于進(jìn)料狀態(tài)，右防爆地磅罐處于進(jìn)料等待狀態(tài)，左防爆地磅罐進(jìn)料完成后進(jìn)入防爆地磅稱重狀態(tài)，同時(shí)右防爆地磅罐進(jìn)入進(jìn)料狀態(tài)，以保障進(jìn)料的連續(xù)性。左防爆地磅罐防爆地磅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)。右防爆地磅罐進(jìn)料完成后轉(zhuǎn)為防爆地磅稱重狀態(tài)，左防爆地磅罐再次轉(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)防爆地磅稱重任務(wù)。在防爆地磅稱重過程中，始終要有一個(gè)防爆地磅罐處于進(jìn)料狀態(tài)，以保證精確防爆地磅和物料連續(xù)輸送的統(tǒng)一。 2控制系統(tǒng)及其硬件設(shè)計(jì) 1物料流轉(zhuǎn)換時(shí)序設(shè)計(jì)防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)的關(guān)鍵是以2套互為備份的稱量裝置在防爆地磅和進(jìn)料、放料等過程中進(jìn)行合理切換，使得2套稱量裝置保持有一套裝置處于進(jìn)料狀態(tài)，另一套裝置處于防爆地磅或防爆地磅輔助狀態(tài)，以確保物料流的連續(xù)性和防爆地磅的準(zhǔn)確性凹]。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)，要保證一套裝置的防爆地磅時(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，處于防爆地磅狀態(tài)的防爆地磅罐還沒有完成防爆地磅或放料，則無法切換到進(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)間由可防爆地磅的流量和防爆地磅罐有效容積決定，稱量時(shí)間決定于防爆地磅時(shí)穩(wěn)定延時(shí)時(shí)間，防爆地磅罐放料時(shí)間決定于放料口截面積和物料下落速度。各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)序應(yīng)符合以下關(guān)系：Q／VP>T。+?。?T。+T。。(1)式中：Q為防爆地磅流量；V，為一個(gè)防爆地磅罐有效容積物料密度；T，為物料流切換裝置的動(dòng)作時(shí)間；Tz為防爆地磅前的穩(wěn)定時(shí)間；T3為防爆地磅采樣時(shí)間；T。為放料時(shí)間。為此，應(yīng)當(dāng)首先確定T。和T4，然后根據(jù)式(1)反算所需防爆地磅罐容積，但防爆地磅罐容積又會(huì)影響放料時(shí)間T4，而T4與每次防爆地磅物料質(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)互備緩沖防爆地磅的前提，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實(shí)現(xiàn)切換，不使用機(jī)械和動(dòng)力。可能的切換方式有單導(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) 防爆地磅罐稱重模塊的選型與布置的合理性直接影響防爆地磅精度，稱重模塊可選用拉式防爆電子地磅或壓式防爆電子地磅口，防爆地磅罐稱重模塊的數(shù)量可以為1～4只，考慮到防爆地磅罐稱重模塊既起到稱重的作用又對(duì)防爆地磅罐起到固定與支撐作用，所以每個(gè)防爆地磅罐選用3只s型拉式防爆電子地磅懸吊安裝，3只防爆電子地磅呈120。均勻分布以保證受力均勻。綜合考慮防爆地磅精度和可靠性等因素，PLC選用性價(jià)比較高的S7—224XPCN西門子PLC，稱重模塊選用TSG200防爆電子地磅，稱重儀表選用IND320，觸摸屏選用DOP—B07E515。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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)字輸出口，為了把防爆地磅罐重量數(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)換降低了防爆地磅精度。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) 防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)靠2套防爆地磅裝置合理切換與配合來保證物料流的連續(xù)性和防爆地磅的準(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、防爆地磅蘭’左防爆地磅罐進(jìn)料．防爆地磅左防爆地磅罐開閘門放料。放料完立即轉(zhuǎn)入進(jìn)料等待狀態(tài)右防爆地磅罐進(jìn)料，防爆地磅右防爆地磅罐開閘門放料．放料完立即轉(zhuǎn)入進(jìn)料等待狀態(tài)圖2主程序流程圖Fig．2F10wchartofmainprogram前的穩(wěn)定時(shí)間、防爆地磅采樣時(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)可以作為該自動(dòng)配料系統(tǒng)的力學(xué)模型n引，見圖3。其中，主加料質(zhì)量、空秤皮質(zhì)量分別為m。和m：，在￡。時(shí)間內(nèi)，主加料沖擊力為，(￡)，受力分析如圖3所示。若物料下落高度較小，并且時(shí)間￡。很短，一階躍函數(shù)m，91(￡)可以近似看作廠(￡)作用的動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：(ml+m。)z(￡)+fz(￡)+尼z(￡)一m191(￡)。(2)式中：忌為自動(dòng)配料系統(tǒng)等效彈性系數(shù)；c為自動(dòng)配料系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)；z(￡)為自動(dòng)配料系統(tǒng)位移量。在零初始條件下，對(duì)式(2)進(jìn)行拉氏變換得到(ml+m：)S2X(S)+cSX(S)+最X(S)一mlg／S。(3)整理后得x(s)一警‘再彘)。 式中：阻尼比S=c／{2[(優(yōu)，+m。)忌]“2)；無阻尼固有頻率∞。一[忌／(m。+優(yōu)。)]V2；有阻尼固有頻率∞。=叫。(1一譬)1／2。系統(tǒng)穩(wěn)定輸出為z(。。)一m。g／五，乘以彈性系數(shù)忌即得質(zhì)量m。g。要快速準(zhǔn)確得出質(zhì)量?jī)?yōu)，，必須盡可能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過增加叫。，使∈達(dá)到阻尼比o．707左右[151。由于稱量防爆電子地磅量程限制了主加料質(zhì)量和空秤皮質(zhì)量，稱量防爆電子地磅結(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)為增加阻尼比亭可外加阻尼器，從而達(dá)到增加阻尼系數(shù)c的目的，為了使阻尼比享維持在阻尼比o．707左右，也可以采用動(dòng)態(tài)數(shù)字補(bǔ)償處理方法來改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，使∈趨近阻尼比0．707。考慮到在增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)的同圖3自動(dòng)配料系統(tǒng)力學(xué)模型Fig．3Mechanicalmodelofweighingsystem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。 5結(jié)語(yǔ) 通過系統(tǒng)分析，提出了防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用動(dòng)態(tài)切換和雙稱重反應(yīng)罐互備緩沖的防爆地磅方式，在保證物料輸送連續(xù)性的基礎(chǔ)上，解決了防爆電子秤的精確防爆地磅和快速稱重的難題，確保了物料流連續(xù)性和防爆地磅準(zhǔn)確性的統(tǒng)一，防爆地磅精度高于o．5％，可作為貿(mào)易結(jié)算防爆地磅等用途，可替代傳統(tǒng)皮帶秤或核子秤。 | |
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