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| 防爆地磅配料系統(tǒng)的設(shè)計 | 2020-01-11 |
| 摘要：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉儲和產(chǎn)品流通等環(huán)節(jié)需要對電子秤(尤其是顆粒狀散裝物料)進行快速準確地防爆地磅稱重。傳統(tǒng)電子秤自動配料系統(tǒng)，要么防爆地磅精度差，要么運行速度慢，不能滿足精確防爆地磅和快速稱重的要求。防爆電子秤自動配料系統(tǒng)是基于動態(tài)稱重方法，采用物料流的動態(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、出庫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，同時具有較強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)、倉儲和產(chǎn)品流通等環(huán)節(jié)中，很多場合需要對連續(xù)輸送散裝物料進行防爆地磅稱重，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、出庫以及上下工序間工藝控制用防爆地磅稱重，都需要對連續(xù)輸送的物料進行精確快速防爆地磅稱重。傳統(tǒng)的自動配料系統(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行狀況的影響較大，精度一般在2％左右，且不穩(wěn)定，達不到貿(mào)易結(jié)算的要求。采用一邊加料一邊動態(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等影響，其防爆電子秤稱重精度也很難達到貿(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，即物料處于靜止狀態(tài)時進行防爆電子秤稱重，但物料在連續(xù)輸送過程中很難滿足靜止狀態(tài)防爆地磅要求。本文設(shè)計的防爆電子秤自動配料系統(tǒng)是基于動態(tài)稱重方法，采用物料流的動態(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 防爆電子秤自動配料系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)和自動配料系統(tǒng)組成，整個系統(tǒng)安裝在一個方形的箱體內(nèi)。系統(tǒng)包括左、右2個防爆地磅反應(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)動閘門切換的氣缸、電磁閥、氣源部件、控制面板及自動配料系統(tǒng)等組成。 1．2工作原理 在開始防爆地磅時，通過物料流切換裝置使左防爆地磅罐處于進料狀態(tài)，右防爆地磅罐處于進料等待狀態(tài)，左防爆地磅罐進料完成后進入防爆地磅稱重狀態(tài)，同時右防爆地磅罐進入進料狀態(tài)，以保障進料的連續(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)入進料等待狀態(tài)。右防爆地磅罐進料完成后轉(zhuǎn)為防爆地磅稱重狀態(tài)，左防爆地磅罐再次轉(zhuǎn)為進料狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，通過多次循環(huán)完成整個防爆地磅稱重任務(wù)。在防爆地磅稱重過程中，始終要有一個防爆地磅罐處于進料狀態(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 1物料流轉(zhuǎn)換時序設(shè)計防爆電子秤自動配料系統(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料、放料等過程中進行合理切換，使得2套稱量裝置保持有一套裝置處于進料狀態(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)性和防爆地磅的準確性凹]。物料流切換和2套稱量裝置的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時序設(shè)計，要保證一套裝置的防爆地磅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(tài)的進料斗已滿，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，則無法切換到進料狀態(tài)，物料流的連續(xù)性就不能保證。最長進料時間由可防爆地磅的流量和防爆地磅罐有效容積決定，稱量時間決定于防爆地磅時穩(wěn)定延時時間，防爆地磅罐放料時間決定于放料口截面積和物料下落速度。各個環(huán)節(jié)的時序應(yīng)符合以下關(guān)系：Q／VP>T。+丁：+T。+T。。(1)式中：Q為防爆地磅流量；V，為一個防爆地磅罐有效容積物料密度；T，為物料流切換裝置的動作時間；Tz為防爆地磅前的穩(wěn)定時間；T3為防爆地磅采樣時間；T。為放料時間。為此，應(yīng)當首先確定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影響放料時間T4，而T4與每次防爆地磅物料質(zhì)量之間沒有對應(yīng)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(fù)實驗和驗證的過程。 2．2物料流切換裝置設(shè)計 物料流切換功能是實現(xiàn)互備緩沖防爆地磅的前提，為了簡化結(jié)構(gòu)，切換裝置利用物料在重力作用下自流來實現(xiàn)切換，不使用機械和動力。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)計綜合切換速度、所需驅(qū)動行程和驅(qū)動力大小等因素，選擇雙導(dǎo)向板轉(zhuǎn)軸上置方案。 2．3硬件選型及設(shè)計 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防爆地磅罐起到固定與支撐作用，所以每個防爆地磅罐選用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 3．1稱重儀表與PLC的接口通信軟件設(shè)計 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，如果用模擬信號傳輸給PLC，儀表要進行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)和軟件容錯算法等。 3．2自動稱量動作流程設(shè)計與PLC控制軟件實現(xiàn) 防爆電子秤自動配料系統(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)性和防爆地磅的準確性，要實現(xiàn)嚴格時序關(guān)系，關(guān)鍵在于自動稱量動作流程設(shè)計和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間、防爆地磅蘭’左防爆地磅罐進料．防爆地磅左防爆地磅罐開閘門放料。放料完立即轉(zhuǎn)入進料等待狀態(tài)右防爆地磅罐進料，防爆地磅右防爆地磅罐開閘門放料．放料完立即轉(zhuǎn)入進料等待狀態(tài)圖2主程序流程圖Fig．2F10wchartofmainprogram前的穩(wěn)定時間、防爆地磅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(tǒng)運行的可靠性。最終的控制方案需要經(jīng)過實際運行測試，并通過多次優(yōu)化后確定最終值。 4系統(tǒng)動態(tài)特性分析經(jīng)過簡化，單自由度二階系統(tǒng)可以作為該自動配料系統(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，并且時間￡。很短，一階躍函數(shù)m，91(￡)可以近似看作廠(￡)作用的動力學(xué)模型，系統(tǒng)的運動方程如下：(ml+m。)z(￡)+fz(￡)+尼z(￡)一m191(￡)。(2)式中：忌為自動配料系統(tǒng)等效彈性系數(shù)；c為自動配料系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)；z(￡)為自動配料系統(tǒng)位移量。在零初始條件下，對式(2)進行拉氏變換得到(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。要快速準確得出質(zhì)量優(yōu)，，必須盡可能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過增加叫。，使∈達到阻尼比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。通過對系統(tǒng)的動態(tài)分析，系統(tǒng)為增加阻尼比亭可外加阻尼器，從而達到增加阻尼系數(shù)c的目的，為了使阻尼比享維持在阻尼比o．707左右，也可以采用動態(tài)數(shù)字補償處理方法來改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，使∈趨近阻尼比0．707。考慮到在增強系統(tǒng)阻尼系數(shù)的同圖3自動配料系統(tǒng)力學(xué)模型Fig．3Mechanicalmodelofweighingsystem時，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)計需要采取合理的折中方案或補償方案，才能達到設(shè)計的目的。 5結(jié)語 通過系統(tǒng)分析，提出了防爆電子秤自動配料系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用動態(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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