（机械电子工程专业论文）散料计量控制仪表的研究与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 散料计量控制仪表的研究与开发 摘要 定量给料系统广泛应用于工业给料配料自动化的领域，针对大量固体粉粒状 物料对自动定量给料要求，在分析电振机给料性能基础上，本课题研制了一种数 字式计量控制装置，并将其应用于电磁振动定量给料系统中，使系统具有自动计 量和配料的功能，实现定量给料设备给料量的自动调节，为各行业的自动给料配 料生产线提供了自动化生产的基础。 本文首先对电磁振动定量给料系统的过程变量的检测方式和控制方式进行阐 述，对构成定量给科系统的固体流量计、电振机、可控硅半波整流装置的工作特 性作了简要的分析，并对计量控制仪表的功能和操作方法进行了说明，而且从离 散控制理论上分析了电磁振动定量系统的各组成环节。 本文还详细的介绍了流量计量控制仪表的开发过程和软硬件设计思想。仪表 硬件上基于a t 8 9 c 5 2 开发，采用模拟滤波，数据断点保护技术，用g a l 2 2 v 1 0 实 现了在接口电路中地址译码、控制总线缓冲和隔离功能，采用a b e l h d l 编写g a l 方程，高精度线性电源与硬件看门狗相结合使仪表稳定工作在环境恶劣的工业现 场，1 2 位a d 、d a 转换器保证了仪表的检测及控制精度。非易失性数据存贮器 的设计保证仪表掉电后系统参数不丢失。仪表提供r s 2 3 2 通讯接口，可实现与上 位机通讯，组成分级控制的给料系统。仪表软件控制算法采用p i d 改进控制算法 有效的克服了流量调节中的大偏差，大滞后带来的振荡。1 2 位数码管可同时显示 瞬时流量、给料总量，流量设定值、p i d 参数等多项参数值并可对系统参数值进行 设定和修改。 利用实验室中现有的一套电磁振动定量给料设备对仪表进行标定：调试，观 察定量给料系统的运行效果并进行在线p 1 1 ) 整定。 通过计量控制仪表在电磁振动定量给料系统中的应用，验证了电磁振动给料 系统作为恒值控制系统现场自动调节给料量的可行性，其控制精度和控制速度能 够满足一些场合的要求。同时，通过对系统运行中的控制误差产生的原因做了一 定的分析，指出了现有电磁振动定量给料系统的不足，并提出了进一步提高控制 精度的方法。 关键词：定量给料，电振机，计量仪表，p i d 控制，流量调节 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t t a c t t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fd i s c r e t e m a t e r i a l sm e t e r i n ga n d r e g u l a t i n g i n s t r u m e n t a b s t r a c t g i v e nq u a n t i t yf e e d i n gs y s t e mi su s e de x t e n s i v ei ni n d u s t r ya u t o m a t e df e e d i n g r e g i o n ，a i ma tr e q u i r e m e n to fs l a t h e rs o l i dd i s c r e t em a t e r i a l ss e l f - r e g u l a t i o na n db a s eo n a n a l y s i so fp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e t i s mv i b r a t i o nf e e d i n gm a c h i n ea s o r to fd i g i t a l m e t e r i n ga n dr e g u l a t i n gd e v i c e ，w h i c hu s e di ne l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o ng i v e nq u a n t i t y f e e d i n gs y s t e m ，h a v eb e e nd e v e l o p e d i tm a d es y s t e mp o s s e s sb o t ha u t o m e t e r i n ga n d f e e d i n gf u n c t i o n ，w h i c h h a v er e a l i z e d s e l f - r e g u l a t i o n o f f e e d i n gq u a n t i t y o f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nq u a n t i t yf e e d i n gm a c h i n e i tl a y st h ef o u n d a t i o nf o ri n d u s 订i a l a u t o m a t i o nf e e d i n gp r o d u c tl i n e f i r s t l y ，t h i st h e s i se x p o u n d sd e t e c t i o nm o d ea n dc o n t r o lm o d eo fp r o c e s sv a r i a b l e o fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o ng i v e nq u a n t i t yf e e d i n gs y s t e m ，a n da n a l y z e sp e r f o f i n a n c e o fs o l i df l o w m e t e ra n de l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nq u a n t i t yf e e d i n gm a c h i n ea n ds i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rh a l f - w a v er e c t i f i c a t i o nd e v i c e ，w h i c hc o m p o s eg i v e nq u a n t i t yg i v e n q u a n t i t yf e e d i n gs y s t e ma n di l l u s t r a t e sf i m c t i o na n do p e r a t i o n ma p p r o a c ho fm e t e r i n g a n dr e g u l a t i n gi n s t r u m e n t t h i st h e s i sa n a l y z e sc o m p o n e n tl i n k so fe l e c t r o m a g n e t i s m v i b r a t i o ng i v e nq u a n t i t yf e e d i n gs y s t e mt h r o u g ht h ed i s c r e t ec o n t r o lt h e o r yt o o i nt h ef o l l o w e ds t e p ，t h i st h e s i sd e t a i l e di n t r o d u c e sd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h e d e s i g np h i l o s o p h yo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ff l o w m e t e r i n ga n dr e g u l a t i n g i n s t r u m e n t h a r d w a r eo fi n s t r m n e n tb a s e do na t 8 9 c 5 2i s d e v e l o p e d a n da d o p t s i m u l a t i v ef i l t e r ，d a t ab r e a k p o i n tp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ，w i t hg a l 2 2 v 1 0 ，w h o s eg a l e q u a t i o nh a s b e e nw r i t t e n ，r e a l i z e sa d d r e s s d e c o d i n g ，b u f f e r i n gc o n t r o lb u sa n di s o l a t i o n f u n c t i o na ti n t e r f a c e c i r c u i t h i g h - p r e c i s i o nl i n e a rs u p p l ya n dw a t c h - d o gg u a r a n t e e i n s t r u m e n tw o r ks t e a d ya ti n d u s t r i a lf i e l d ，w h e r ei sn o i s es i g n a l1 2b i ta d ，d a c o n v e y o re n s u r em e a s u r ea n dc o n t r o la c c u r a c ya g a i n s to ft h ei n s t r u m e n t t h ed e s i g no f n o n v o l a t i l i t yr a me n s u r et h a ti n s t r u m e n t sp a r a m e t e rn o tl o s t w h i l ep o w e r f a i l i n s t r u m e n to f f e rr $ 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，w h i c hm a k e si n s t n m a e n tb ea b l et o c o m m u n i c a t ew i 恤p c ，c o m p o s es t e p c o n t r o lf e e d i n gs y s t e m s o f t w a r ea l g o r i t h mo f t h e i n s t r u m e n ta d o p tp i dc o n t r o l ，s os y s t e mo v e r c o m eo s c i l l a t i o nw h i c hi sb r o u g h tb yl a r g e e r r o ra n dl a r g el a gb r i n g i n s t a n t a n e o u sf l o w ，1 2b i tl e dc a nd i s p l a yi n s t a n t a n e o u sf l o w ， f e e d i n gg r o s s ，d i s c h a r g e ，f l o ws e tv a l u e ，p i dp a r a m e t e r ，a n dt h a ts y s t e mp a r a m e t e r i i i 查! ! 查兰壁主兰竺笙查垒! ! ! ! 竺 v a l u ec a r lb es e ta n dm o d i f i e d 1 1 1 ei n s t r u m e n th a sb e e nc a l i b r a t e da n dd e b u g u s i n gl a b o r a t o r i a le l e c t r o m a g n e t i s m v i b r m i o ng i v e nq u a n t i t yf e e d i n gm a c h i n e w o r kp e r f o r m a n c eo fg i v e nq u a n t i t yf e e d i n g s y s t e mh a sb e e no b s e r v e da n dp i dp a r a m e t e rs e t t i n go n l i n eh a v eb e e nm a d e t h r o u g ha p p l i c a t i o no fi n s t r u m e n ta m o n ge l e c t r o m a g n e t i s mv i b r a t i o ng i v e n q u a n t i t yf e e d i n gs y s t e me l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r yf e e d i n gs y s t e ms e l f - r e g u l a t i o ng i v e n q u a n t i t yf e e d i n gf e a s i b i l i t yc o n s t a n tc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nd e m o n s t r a t e da ti n d u s t r i a l f i e l d c o n t r o la c c u r a c ya n dr e g u l a t i n gs p e e do ft h es y s t e mi nap o s i t i o nt os a t i s f a c t i o n s o m eo c c a s i o n r e q u i r ea m o n gp a s tm e a s u r ec o n t r o li n s t r u m e n ta t e l e c t r o m a g n e t i c v i b r a t i o ng i v e nq u a n t i t yf e e d i n gs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f r e g u l a t i n g e r r o ro fs y s t e m ，i n d i c a t ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nf e e d i n gs y s t e m i c i n s u f f i c i e n c yi ne x i s t e n c ea n dc o m eu pw i t hm e a n so fa d v a n c i n gc o n t r o la c c u r a c y k e yw o r d s ：g i v e nq u a n t i t yf e e d i n g ，e l e c t r o m a g n e t i s mv i b r a t i o nf e e d i n gm a c h i n e m e t e r i n gi n s t r u m e n t ，p i dc o n t r o l ，f l o wr e g u l a t i n g i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： e t期：7 。“f 。g 学位论文版权使用授权书 细雪 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 定量给料设备现已广泛应用于冶金、建材、电力、化工、食品和医药等各种 行业中，在冶金行业中，烧结矿生产就需要使用自动给料系统。在建材行业中， 混凝土的搅拌使用自动配料系统能大大改善制品的性能，提高产量；在电力行业 中，定量给料系统应用于锅炉的定量供煤：在化工部门化学制剂的比例供给，食 品医药的定量包装以及炼焦工艺等都离不开定量给系统。总之，定量给料系统在 工业生产中发挥着越来越重要的作用。 由于定量给料系统在工业生产中得到广泛的应用，如果提高给料系统的自动 化程度，就具有重要的现实意义。采用传统的定量给料系统和计量控制装置相结 合成为了一个新的研究领域，它既可起到计量的作用又兼配料的作用，为各行业 的自动均匀给料配料生产线提供了自动化生产的一个基础。因此，研究本课题， 具有较高的理论和现实意义。 1 2 定量给料系统的发展概况和趋势 对于定量给料自动化系统国内外都有相应的研究和产品，这种系统一般由工 控机、高精度计量控制仪表、物料检测设备和物料补给设备，集测量、控制、管 理于一体的全自动配料控制系统。 1 2 1 计量控制仪表 目前应用于实际的自动计量调节装置有电子皮带秤，称重显示控制仪表，流 量计量调节仪表等。这些装置既可以进行物料计量，又可以实现物料的定量调节。 国内外一些公司都有自己研制的计量控制装置的产品，如申克公司的 f c o4 3 1 、i n t e p l u s 、m u l t i c o n t 、d i s c o n t ，日本大和衡器公司c f c1 0 0 ，美国拉 姆齐公司的m t 2 0 0 0 ，美国梅特勒一托利多的p a t h e r 表等等，这些仪表均已经形成 模块化、系列化。国内许多厂家亦自主开发了一批计量控制仪表，如合肥院金山 公司研究开发生产了多种型号的计量控制仪表，如：s p c 一5 1 a 、3 k 、f c 0 - 4 5 1 、s k p l c 等。此外，承德自动化计量仪表厂、成都科学仪器厂等单位也推出一些称重控制 仪表。 从技术角度看，从8 0 年代的单板机( z 一8 0 为代表) 到g o 年代的单片机( 8 0 3 1 为代表) 以及9 0 年代末2 1 世纪初( 单片机8 0 9 6 、智能模块、p l c ) ，可以说，计 量控制仪表生产制造水平已经取得了飞速发展，并采用目前电子技术发展的新技 东北大学硕士学位论文第一章绪论 术，如s m t 表面焊接、专用智能信号处理芯片等，其产品功能齐全，可靠性较高。 在计量称重控制领域中，目前已经广泛采用新技术，如：控制数学模型的建立、 系统理论、模糊理论、人工智能、神经网络、数字滤波、振动理论、阻尼技术、 自诊断与自适应技术等，比如，合肥院金山公司研制的s k p l c 仪表运用在煤粉定 量控制系统中，已经摒弃原有的简单p i d 调节控制思想，而大量揉和了数字滤波、 人工智能、自诊断与自适应、前馈调节等多项自动化控制领域中的新技术，经过 现场实践证明，效果很好。 1 2 2 流量控制策略 本系统中，需要控制的过程变量是流量，通常，流量回路的操纵手段是控制 给料阀门、变频驱动( v f d ) 或泵，流量回路本身是一个时滞小的一阶过程， p v ( 过程变量) 跟踪s p ( 设定值) 的速度有多快，是否有超调，超调恢复有多快以 及p v 稳定在要求范围内所需的时间有多长，这些都是评价流量控制回路的品质指 标。 流量控制回路执行机构通常都是非线性的。控制阀几乎都是非线性器件，其 输入与输出之间的关系或是“凹”，或是“凸”，或是“s ”型。甚至还有一些控 制阀的动作极不正常，使流量控制问题变得更糟；变频驱动( v f d ) 能节省能源， 但是其本身是一个非线性设备。由基于占空比的脉宽调制驱动的流量泵不必与流 量成线性关系。另外，不可避免的摩擦损伤会加重执行机构的非线性程度。因此， 流量控制的困难主要是如何控制好非线性过程，达到满意的控制效果。 对于线性非线性、定常时变系统工业中常用的控制方法有p i d 控制、模型 预测控制、鲁棒控制、自适应控制、模糊控制 1 2 2 1 p i d 控制 p i d 控制是按设定值与实际值偏差的比例、积分和微分对工业参数进行控制一 种方法。在工业过程中，当控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数又 经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大的代价进行模型辨识，但 往往不能得到预期的效果，所以现在仍然有人采用p i d 对系统进行调节，并根据 经验进行在线整定，而且，p i d 的算法简单，易于用软件实现并能应用于中低档的 控制器中。但p i d 控制也有其局限性，它能够控制基本的现行系统和定常系统， 但不能有效的控制那些非线性、时变、耦合、时滞、干扰大和不确定因素多的复 杂过程；控制一个过程前必须要整定好p i d 的参数，包括比例增益k p 、积分时间 t i 和微分时间t d ，如果系统过程的动态特性发生变化，就需要重新整定p i d 的各 个参数。 自整定和自调节p i d 就是为了处理p i d 参数整定问题而开发出来的。这些特 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 殊的p i d 能很好的应用于一些场合，但是它们仍然存在着一些问题。对于基于模 型的自整定p i d 来说，建立和保持过程模型是一大挑战。由于需要经常给过程施 加额外的激励信号，这就给生产过程引入扰动，因此操作人员很难自己做出决定 是否要调整基于模型的自整定p i d 的参数。 1 22 2 模型预测控制 预测控制是一种基于预测过程模型的控制算法，根据过程的历史信息判断将 来的输入和输出。它强调模型的函数而非模型的结构，因此，状态方程、传递函 数甚至阶跃响应或脉冲响应都可作为预测模型。预测模型能体现系统将来的行为， 因此，设计者可以实验不同的控制律用计算机仿真观察系统输出结果。 预测控制是一种最优控制的算法，根据补偿函数或性能函数计算出将来的控 制动作。预测控制的优化过程不是一次离线完成的，是在有限的移动时间间隔内 反复在线进行的。移动的时间间隔称为有限时域，这是与传统的最优控制最大的 区别，传统的最优控制是用一个性能函数来判断全局最优化。对于动态特性变化 和存在不确定因素的复杂系统无需在全局范围内判断最优化性能，因此这种滚动 优化方法很适用于这样的复杂系统。预测控制也是一种反馈控制的算法。如果模 型和过程匹配错误，或者是由于系统的不确定因素引起的控制性能问题，预测控 制可以补偿误差或根据在线辨识校正模型参数。 虽然预测控制系统能控制各种复杂过程，但由于其本质原因，设计这样一个 控制系统非常复杂，要有丰富的经验，这也是预测控制不能预期那样广泛得到应 用的主要原因。预测控制适用于先进过程控制( a p c ) 和监督控制场合，其控制 输出作用主要是跟踪设定值的变化。但预测控制并不能很好地处理调节控制难题。 12 2 3 鲁棒控制 鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。鲁棒性一般定 义为在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这 个控制器，它的参数不能改变而且控制性能保证。 鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般假设过程动态特性的信息和 它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型但需要一些离线辨识。一般鲁棒 控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。 鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性 已知且不确定因素的变化范围可以预估。过程控制应用中，某些控制系统可以用 鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且不确定因素变化范围大和稳定裕度 小的对象。 但是，鲁棒控制系统的设计一般要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需 太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 4 自适应控制 传统的自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈 控制系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。 自适应控制适合( 1 ) 没有大时间延迟的机械系统；( 2 ) 对设计的系统动态特 性很清楚。在工业过程控制应用中，p i d 自整定方案是最可靠的。 传统的自适应控制方法，要么采用模型参考要么采用自整定，一般需要辨识 过程的动态特性。它存在许多基本问题( 1 ) 需要复杂的离线训练；( 2 ) 辨识所需 的充分激励信号和系统平稳运行的矛盾；( 3 ) 对系统结构假设；( 4 ) 实际应用中， 模型的收敛性和系统稳定性无法保证。另外，传统自适应控制方法中假设系统结 构的信息，在处理非线性、变结构或大时间延迟时很难。 1 22 5 模糊控制 作为智能控制的一个分支，模糊控制具有一定的应用前景，因为模糊控制系 统具有如下的属性和特征： 无需过程的精确的定量知识； 无需对系统控制对象的数学模型进行辨识； 不需要复杂的人工控制器参数整定； 模糊控制器主要包括输入量的模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接 口，如图1 1 所示。 _j_ -一一一-u一一i_i一一i_-一i一_一一i-ii_i一-一一_i_ii_一一一i-_一-_-i一_一-ii一-一_-一一_一_ 模糊挖制器 一一一一一一一一一一一一一一l 图1 1 模糊控制器的组成 f i g 1 1c o m p o s i t i o no f f u z z yc o n t r o l l e r 模糊控制器的确定量输入必须经过模糊化接口模糊化之后，转换成一个模糊 矢量才能用于模糊控制。知识库由数据库和规则库两部分组成。数据库所存放的 是所有输入输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值或隶属度函数，用于规则推 理的模糊关系方程求解中，向推理机提供数据。规则库就是用来存放全部模糊控 制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则。模糊控制器的规则是基于专家 知识或手动操作经验来建立的，它是按人的直觉推理的一种语言表达形式。推理 机是模糊控制器中，根据输入模糊量和知识库完成模糊推理，并求解模糊关系方 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 程，从而获得模糊控制量的功能部分。通过模糊决策所得到的是模糊量，要进行 控制必须经过清晰化接口将其转换成精确量。 1 ，2 2 6 本课题采用的控制方法 在许多情况下，我们可能掌握了一些过程知识但是不知道这些知识是否精确。 在定量给料控制的过程控制中，经常碰到进料的波动、物料类型、形状、流速的 改变和一些不可预测的变化。这些就导致一个问题：即无法确定所掌握的过程知 识的精确程度。这种现象通常被叫做“灰箱”问题。如果能掌握过程的大量知识， 那就是一个“白箱”问题。在这种情况下，基于对过程的了解，利用成熟的控制 方法及工具设计控制器就容易多了。 对于传统的自适应控制方法，如果不能获得过程的定量信息，一般需要采用 某种辨识机制，以在线或离线的方式获得系统的动态特性。由此产生了以下一些 难以解决的问题：辨识所需的不断的激励信号与系统平稳运行的矛盾；模型收敛 和局部最小值问题；系统稳定性问题。基于辨识的控制方法不适用于过程控制的 主要原因是控制和辨识是一对矛盾体。好的控制使系统处于一个稳定状态，这种 情况下设定值( s p ) 、控制器输出( 0 p ) 和过程变量( p v ) 在趋势图中显示出来的 都是直线。任何稳定系统都会达到另一个稳定状态，而其中的过程动态特性的变 化却不能被察觉，因此通常需要施加激励信号来进行有效的过程辨识。然而，实 际生产过程很难容许这样做。 p i d 控制系统中没有辨识环节因此可以避免上述问题。一旦运行，p i d 控制器 就可立刻接管控制。p i d 控制器中刷新权值的算法是基于个单一的目标，即缩小 设定值和过程变量之间的偏差。这意味着当过程处于稳定状态，偏差接近零时， 不需要对p i d 控制器的权值进行修改。相比其它的控制方法，由于p i d 不存在辨 识环节，可以论证出了一个通用的系统稳定性判据，即只要是一个无源过程( 本 身不产生能量或热量的过程) ，闭环p i d 控制系统的稳定性就可以得到保证，过程 可以是线性非线性，定常时变等等。所以，p i d 控制器作为通用型控制器在本系 统中被使用。 1 3 论文研究的主要内容 ( 1 ) 阐述了电磁振动定量给料系统的构成和工作原理。 ( 2 ) 介绍了电磁振动定量给料系统中电振机、固体流量计、可控硅半波整流装置 的工作原理，对课题中所开发的计量控制仪表的功能和操作方法做了说明并 从控制角度出发分析系统的组成。 ( 3 ) 详细的介绍了流量计量控制仪表的开发过程和软硬件设计思想。 ( 4 ) 对实验室中的一套电磁振动定量给料设备进行标定、调试，观察系统的运行 5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 效果并进行在线p i d 整定。 ( 5 ) 通过计量控制仪表在电磁振动定量给料系统中的应用，验证了电磁振动给料 系统作为恒值控制系统现场自动调节给料量的可行性，其控制精度能够满足 一些场合的要求。 ( 6 ) 通过对系统运行中的控制误差产生的原因做的分析，指出了现有定量给料系 统的不足，并提出了进一步提高控制精度的方法。 6 一 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 第二章电磁振动定量给料系统的介绍 2 1 定量给料系统的工作原理 图21 电磁振动定量给料系统的构成 f i g 2 1 s t r u c t u r eo f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o ng i v e nq u a n t i t yf e e d i n gs y s t e m 电磁振动给料系统的主要构成如图2 1 所示，包括固体流量计、计量控制仪表， 工业控制p c 机、可控硅半波整流控制箱以及电振机等。 固体散料经过引料槽以并以一定的动能沿切线方向进入流槽曲面，此时，产 生一个与切线方向垂直的压力，此压力与物料流量成正比并通过杠杆作用于压力 传感器上，压力传感器把物理信号变成电信号并通过变送器变成标准电信号送入 计量控制仪表，仪表将显示当前瞬时流量和累计物料输送量，并根据用户的设定 流量通过适当的控制算法处理调整仪表输出信号，电控箱再根据此信号调节激振 器的振幅从而调节料斗给料量，以期达到控制物料流量的目的。此外，现场计量 控制仪表还能与上位计算机进行通讯，接收上位机下达的控制命令以便实现对现 场设备远距离操作和管理。 一7 一 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 2 2 溜槽式固体流量计 固体流量计是利用物料的动能把物料流量的物理量转换为电信号的装置。溜 槽式固体流量计包括引料槽，溜槽检测板，称重传感器及杠杆和配重砝码等。物 料经过导料槽从切线方向进入检测板，由于物料无冲击作用，物料流速基本保持 不变。检测板为弧形曲面，当有物料通过时，使检测板承受偏转力，此力与物料 流量成正比h 0 1 并通过称重传感器已电信号形式输出，以便供的电气仪表进行测量 和处理。 i 引料槽2 杠杆3 板弹簧4 轴承5 配重砝码6 压力传感器7 溜槽检测板 图2 2 溜槽式流量计的结构 f i g 2 2 t h ec o m p o s i t i o no f s o l i df l o wm e t e r 固体流量计采用杠杆式原理进行检测。如图2 2 所示为溜槽式流量计结构示意 图。由图可以看出，杠杆的两端一端为弧形检测板的重量，另一端为配重砝码， 支点为滚珠轴承支座，阻力较小，同时在轴承支座外加装十字形屈曲条，它保证 杠杆的轴只能产生转动，禁止其在竖直平面内上下左右的移动，这有利于杠杆的 准确测量。在弧形检测板的另一端安装测量托架，托架上装有压力传感器。当合 理调整配重砝码，使空的弧形板上沿保持水平位置，这是杠杆处于水平状态，当 有物料通过时，将使杠杆倾斜，压迫测量托架上的压力传感器，是压力传感器产 生电信号。有杠杆原理可知，在一定的变化范围内可认为压力传感器受到的压迫 变形是线性的，而压力传感器的电压值也是线性的。 8 一 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 2 3 计量控制仪表 计量控制仪表的作用是实时对固体流量计输出的信号进行采集、运算，根据 设定值的要求，输出控制信号控制机械装置。同时显示必要参数，从而完成计量、 运算、显示、控制的功能。 2 3 1 仪表的功能特点 ( 1 ) 仪表采用双显结构，8 位红色数码管显示物料总累计量，同时设有多功能 窗口由四位数码管显示瞬时流量、流量设定值、p i d 参数等多项参数值，通过键盘 标注和显示的提示，能够轻松实现对各项参数的调试、显示。 ( 2 ) 仪表内部具有p i d 算法，参数调整非常方便，工作稳定，精度高，采用本 系统计量仪表进行配料控制时，无需另配p i d 调节仪表，不仅使用方便，而且降 低了成本。 ( 3 ) 采用高性能抗干扰线性电源，可以在a c 2 0 0 2 5 0 v 电压范围内工作，全 隔离及硬件看门狗相组合，使仪表在恶劣的使用环境仍可以可靠工作，非易失性 数据存贮器保证掉电后系统参数不丢失。 ( 4 ) 仪表具有一路1 2 位a d 转换通道，保证了仪表的数据采样精度：仪表内 部采用4 字节长度的定点数进行控制算法计算，保证了运算精度；同时仪表有1 2 位的o a 转换输出，保证了控制精度。 ( 5 ) 仪表具有r s 2 3 2 通讯接口，可实现与上位机通讯，组成分级控制的称重配 料系统。 ( 6 ) 仪表可自动存储配料累计量，并可手动清零，此外，仪表还具有根据设定 值允许范围实现越限报警功能。 2 3 2 仪表的功能及操作方法 仪表的前面板如图2 3 所示。 累积量 oh d 参数设定增加左移 o 毒数 功能窗口。设定 标定 p i d 确定返回 电源启动停机报警ifl0 l 需l 尼瞬时流尼 校零消音清累流量 启动停机复位 东北大学机械申子工稗研究所 图2 3 仪表装置前面板 f i g 2 3 i n s t r u m e n tf r o n tp a n e 9 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 1 显示窗口说明 累积量窗口：显示下料累积量，单位为公斤，最大显示量程为9 9 9 9 9 9 9 9 公斤。 多功能窗口：显示瞬时流量、用户设定流量、参数功能代号及执行参数功能时 相应参数。 2 键盘说明 增加：置数时使用，每按一次“增加”键，多功能窗口最后一位数字加1 ， 加到9 又从0 开始增加。 左移：与增加键配合使用，每按一次“左移”键多功能窗口显示数字依次向 左移动一位，最高位数字移出并丢失。 确定：与参数键配合使用，按一下“确定”键确认输入的数据或执行相应预 选功能。 返回：返回上级界面或取消相应的参数修改。 参数：按此键显示f o o x 功能，x 表示l 6 共6 个子功能代号，按一次增加键功 能号加l ，至i j f 0 0 6 功能后又从f o o l 功能重新开始。 f o o l 按确定键后显示p i d 运算比例增益k p ，按增加和左移键修改数值，按确 定键确认修改返回，按返回键不修改返回 f 0 0 2 按确定键后可显示或修改p i d 运算积分时间t i ，操作步骤同上 f 0 0 3 按确定键后可显示或修改p i d 运算微分时间t d ，操作步骤同上 f 0 0 4 按确定键后可显示或修改零点值，操作步骤同上 f 0 0 5 按确定键后可显示满量程 f 0 0 6 按确定键后可显示标定系数 设定：按此键可显示修改用户设定流量值，单位：公斤分钟。 标定：用于a d 采集值与工程流量值的标度变换，具体使用方法见第五章系 统设备标定。 p i d ：是否使用p i d 控制算法对系统进行调节，交替按下切换此功能。 流量：系统自动运行时，按此键多功能窗口显示瞬时流量值，单位：公斤 分钟。 校零：由仪表自动识别系统零偏差，系统空载时，按此键多功能窗口显示系 统零偏差，按确认键修改零点值并返回到停机状态，按返回键不修改零点值返回 到停机状态。 消音：按此键禁止蜂鸣器并关闭报警，再按此键报警打开。 清累：8 位累计量窗口清零。 启动：当所有参数都已输入以后，按此键启动系统，使系统进入自动调节状 态。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 停止：按此键系统停机。 复位：按此键控制器硬复位。 3 发光管指示说明： 电源：系统接通电源此指示灯即亮。 报警：按报警条件执行报警时闪烁。 启动：系统处于自动调节状态。 停止：系统处于停止状态。 p i d ：执行p i d 控制算法调节指示灯亮 其它指示灯指示多功能窗口数值的含义。 2 4 电磁振动给料机 电磁振动给料机又称电振机，在散料输送系统中应用十分广泛。电振机用电 磁铁作为激振装置，不需要电动机和减速器，因此，结构紧凑，重量轻。同时， 由于充分利用机械共振效应，能耗比其它类型的给料机小得多。此外输送量可以 无级调节，在需要定量，计量和远距离控制的生产工艺过程中易于实现自动化操 作。 2 4 1 电振机的工作原理 电振机主要由料槽、激振器和减振器三部分组成。激振器又由电磁铁( 铁心 和线圈) 、衔铁和装在两者之间的主振弹簧等构成。它是产生振动的激振源，可以 通过控制装置对其实行控制。 电振机的工作原理如图2 4 所示。图中m 1 由槽体、联结叉、衔铁、部分板弹 簧质量以及物料质量组成。m 2 由激振器、铁芯、线圈以及部分板弹簧组成。m l 和 m 2 这两个质体通过板弹簧联结在一起，形成一个双质体的定向振动系统。在每个 周期内，流入激振线圈的电流经过可控硅半波整流为半周期导通的脉动直流，在 电源正半周期电压，可控硅导通，线圈上有电流流过，在铁芯和衔铁之间产生一 脉动的电磁吸力使槽体向后运动，两质体靠近并使激振器的主弹簧发生形变，存 储了一定的势能。正半周期结束时，自感线圈电流要持续一段时间激振线圈电流 减小直到截至，当铁芯和衔铁之间的电磁力小于弹簧弹力时，弹簧存储的势能开 始释放，槽体在弹簧力的作用下与电磁铁朝反方向离开，给料槽向前运动。每个 周期像这样往复运动一次，电振机便以5 0 1 1 z 的交流电源频率往复振动，其振幅大 小由电磁线圈中电流导通时间决定，从而可以通过控制激振线圈电流导通时间来 达到控制给料量目的。 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 图2 4 电振机的工作原理 f i g 2 4 w o r kp r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nm a c h i n e 2 4 2 电振机控制箱 电振机控制箱是主要由晶闸管组成的交流电压控制电路，可以调节输出电压 的有效值，用于电振机振幅的调节。控制箱内部主要是由可控硅移相触发装置构 成，它使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时间内将电振机与电源接通， 改变电源导通时间即可达到调压的目的，它作为电振机的控制驱动设各是电振机 工作必也可少的装置。 本系统采用朝阳振动机械厂生产的x k z e l o g 2 型电振机控制箱，供电电压为 交流2 2 0 v ，最大输出电流为i o a ，其电气控制示意图如图2 5 所示。控制箱主要由 触发板、可控硅、电源以及一些电路保护元件组成。触发板为单向可控硅提供触 发脉冲信号，控制电流半波信号的导通时间。可控硅触发角有两种控制方式，一 种是手动调节方式来控制可控硅导通时间，一种是外接o 5 v 直流电压信号来控 制可控硅触发时刻，当给触发板提控5 v 电压信号时，触发板输出的移相脉冲使可 控硅导通角最小，电流导通时间最长，当给触发板提供o v 电压信号时，触发板输 出的移相脉冲使可控硅导通角最大，电流导通时间最短，o 5 v 之间电压值与可控 硅导通时间成近似线形关系，从而可利用外部设备为触发板提供控制电压信号使 电振机成为自动调节系统。 一1 2 东北大学硕士学位论文第三章计量控制仪表的设计 x 图25电振机控制箱电气原理图 f i g 2 5 e l e c t r i cs c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nm a c h i n e c o n t r o lc a s i n g 图中有两组端子，一组( x 1 、x 2 ) 接交流2 2 0 v 电源，为触发板提供工作电源并 且在可控硅导通时为电振机提供能量，另一路( x 3 、x 4 ) 接电振机为电振机d z 供电。 压敏电阻器m y g 2 0 k 4 7 1 并接于可控硅两端，以限制电压低于可控硅的耐压等级。 压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，压敏电阻器可以对可控硅进行 保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流造成对可控硅的损坏。当电压瞬间 高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护了可控硅； 当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不 会影响可控硅的正常工作。图2 6 中u 1 为电源电压瞬时值，在电源u l 的正半周内， 施加到晶闸管阳极的电压为正，满足导通条件，在t 时刻向门极施加一触发脉冲 u g ，晶闸管立即导通，负载便有电流流过。晶闸管一旦被触发导通，门极失去控 制作用，晶闸管在电源电压正半轴经触发一直导通。当国t = 石即u 1 降至零时，晶 闸管中流过的电流由于电振机的电感的作用维持一段时间