（机械制造及其自动化专业论文）一种分布式自动称量配料系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文从工程实际出发，对粉体物料的流动性进行了深入的研究，根据理论分析的结果 和粉体物料流动性试验设计了抗结拱的料仓结构，解决了料仓中物料结拱的难题；进一步， 通过建立称量过程的数学模型对称量误差进行分析，根据误差的来源和特点，提出了一种 三级称量控制方法，在保证称量精度的前提下大大提高了称量的速度；最后，结合刹车片 的生产工艺特点，组建了分布式自动称量配料系统的硬件结构，将系统分为管理级、控制 级和设备级，提高了系统的实时监测性和整体稳定性，并设计了该系统的管理和控制程序。 本文的主要章节为： 第一章论述了本课题的来源和研究意义，介绍了称量配料的相关技术，之后给出了本 课题的研究目标和主要研究内容。 第二章通过粉体在料仓中的重力流动模型分析了粉体结拱的物理机理，在此基础上建 立粉粒的受力模型，并推导了任意粉粒点的应力方程。在该方程的基础上，分析得到了粉 体自由流动的条件。针对料仓中粉体的流动特性提出了最优料仓曲线，并据此设计了几种 抗结拱的料仓结构。通过双绞龙机构解决了团絮状物料的下料。 第三章建立称量过程的数学模型对称量中的误差因素进行分析，包括冲击力偏差和滞 留物料偏差，根据误差的来源和变化特点，提出了一种三级称量控制方法，根据时间流量 曲线采用不同的下料速度，提高了称量的准确度和速度。 第四章介绍了刹车片称量配料系统的结构和生产工艺，在此基础上提出了一种基于 c a n 总线的三级分布式控制系统，包括管理级、控制级和设备级，并给出了管理级、控制 级和设备级的硬件实现，在上述硬件结构的基础上了，设计了上位机管理软件和下位机控 制程序。 第五章回顾并总结了本课题的研究，并指出本文的不足和以后努力的方向。 关键词：粉体，料仓，结拱，称量配料，分布式控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t l l i sd i s s e 删o ns t u d i e so n ed i s 廿i b u t e dd y 瑚【1 1 1 i cw e i g l l i n g 粕db a t c l l i n gs y s t e m f i r s t l y ，t h e n o 岫go fp o w d 即e dm a _ t e r i a li s 阳l d i e d a c c o r d i i 培t ot h er e s u l t so f 廿l e o r 砸c a l 锄【a l y s i s 觚dm e b a 【t c h i r 塔e x p e f i m e n t ，觚t i a r c l l i r 培m a t e d 础b i ni sd e s i g n e d t 1 l e n ，m a t l l e m a t i c 酊m o d e l 斯 d y 础w e i g l l i i l gi se 咖b l i s h e dt 0 锄a l y z e l e 咖ri i ld y n a i l l i cw e i 班n gp r o c e s s i no r d e rt o i i l l p r o v et l l es p e e d 锄da c c u r a c yo fd y i l a i i l i cw e i g h i n g ，o n et l l r e e - 鲫ew e i 曲崦c o n 仃0 lm e m o d i sp r o p o s e d f 岫l l y ，c o r d i i l gt 0m ec h 蹦l c t e r i s t i c so ft h e 眦e p r o d u c t i o l l ，o n ed i s t r i b u t e d c o n n 0 ls y s t e mi se s t a 【b l i s h e d ，i n c l u d i i l gh a r d w a r es 仃u c t u 】旧锄ds o f 呐a r ed e s i g 血n g n l em a i n c o n t e mo ft h j sd i s s e r t a t i o ni sa sb e l o w ： t h ef i r s tc l l a p 缸d i s c i l s s e st h es o u r c e 吼ds i g i l i f i c 锄c eo f l i ss u _ b j e c t ，咖a r i z e st h e r e l e v 锄t t e c 王1 1 1 0 l o g ) r 锄d c u 仃e n tr e s 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理等来获得被称物体的质量或重量。由于没有称量速度的要求，所以该情况下的称量可以 达到很高的精度，比如湖南大学杨敏，滕召胜等设计的基于c s 5 5 3 2 的电子天平的精度可 以达到o 1 m g 【1 】。 但是在工业应用中，例如产品的称量包装、生产线中物料的称量、加油站加油等，称 量不但有精度要求，而且还有速度上的要求。称量的快速性和精准性同样重要，这就要求 称量过程在满足精度要求的同时，速度要尽可能的快。显然，手动称量难以同时满足上述 要求，随着科技的发展，自动称量开始出现。自动称量过程中被称物体往往处于快速运动 状态，由于惯性的作用，被称物体从一种运动状态变化到另一种运动状态不可能瞬间完成， 需要经历一定的时间。所以在自动称量过程中，由于被称物体的冲击、计量秤的振动等因 素影响，称量值与真实值会存在偏差，称量速度越快，偏差越大，称量速度越慢，偏差越 小，因此自动称量必须在快速性和精确性之问做出平衡。 1 2 课题的来源和意义 本课题来源于实际工程项目一一杭州某公司全自动称量配料生产线的研发项目。 称量配料是汽车制动器衬片( 即刹车片) 生产的核心环节。汽车在刹车的过程中，主 要依靠车轮与制动器衬片之间的摩擦力来消耗汽车运行的动力，刹车性能的质量与制动器 衬片有着极大的关系。刹车片根据功能可以分为三个部分：支撑板、隔热层片与刹车摩擦 片。支撑板一般是由金属制成，主要起连接和固定作用。隔热层片是隔热材料加工而成的， 主要功能是隔离热传导。刹车摩擦块由摩擦材料、粘合剂组成，刹车时被挤压在刹车盘或 刹车鼓上产生摩擦，从而达到车辆减速刹车的目的。不同的摩擦块是由不同配方的摩擦材 料和粘合剂通过一定的生产工艺加工而成，摩擦材料和粘合剂的成分和比例对摩擦块的性 能起到决定性作用，这就要求在生产中要严格控制配料误差。以往主要依靠人工称量来控 制配料过程的配方精度，这不但需要大量的人力，而且由于人工称量随机性大，容易造成 各批次产品质量参差不齐同时在摩擦片的生产现场，生产环境恶劣、粉尘大，对人体有 一定的伤害。所以，设计一种高精度，高速度、高稳定性且环保的配料方法对于提高刹车 片生产的效率有着重要意义，本课题就是基于此而提出的 浙江大学硕士学位论文绪论 进一步，对于称量配料的研究在橡胶，食品加工、印钞、水泥、油墨，饲料加工、化 工、冶金等行业中也有重要的意义。称量配料在很多工业生产中有着重要作用，而且往往 是工业品生产的基础，对整个工业产品的总体质量有着决定作用。大部分企业在生产中都 很重视称量环节，因为该环节的效率和质量直接并最终影响着产品的竞争力，可以说关乎 着企业的成长。因此，配料的精度和速度制约着整个生产的产品质量和产量，所以，对称 量配料过程中精度和速度控制研究有着广泛的应用前景【2 】1 3 1 。 1 - 3 称量配料系统相关技术介绍 1 3 1 粉体工程学的发展和行业现状 粉体是最常见的固体物质存在状态。自然界中的粉体如沙粒、粉尘等，生活中的粉体 如食盐、洗衣粉等，在工业中粉体不仅是重要的工业原料，也是重要的工业产品。据统计， 在化学工业中，约有6 0 的产品是粉体，如果考虑悬浮在液体中的粉体产品，粉体产品的 量可达8 0 。粉体工程学又称为颗粒学，是一门新兴的综合性技术科学。它来源于多个基 础学科，在工程中有着广泛的应用。上个世纪的四十年代m i c r o m e r i t i c s 的发表标志着 、粉体工程学的发展进入一个新的阶段。随后，2 0 世纪6 0 、7 0 年代，随着能源、化工以及 采矿技术的发展，粉体工程学科获得了飞速的发展。紧接着，2 0 世纪8 0 年代，随着超细 颗粒材料技术的发展，颗粒学的研究重点转移到了超细颗粒方面。进入2 0 世纪9 0 年代， 随着纳米技术的发展，颗粒学的研究度量发展到了原子和分子层面，从微观尺度去研究颗 粒的行为特点，使得颗粒学成为了一门多学科交叉的前沿学科目前，世界各国都已开展 粉体工程相关的研究，例如德国有1 3 所大学，日本有2 4 所大学开设了粉体相关的教学， 美国自然科学基金( n s f ) 在1 9 9 4 1 9 9 5 年间帮助了5 0 所大学从事粉体相关的教学和科研。 随着世界各地对粉体工程研究的深入，一些相关的论坛、会议也开始出现。2 0 世纪7 0 年 代出现了“国际颗粒学会”( i n t e m a t j o n a lf i n ep a r t i c i er e s e a r c hl n s t i t u t e ) ，该学会每年设立 3 0 个项目来进行粉体相关问题的研究。2 0 世纪9 0 年代美国化学工程师学会举办了“颗粒 相关技术的论坛”来进行粉体工程方面的讨论。在中国，2 0 世纪8 0 年代中国科学院过程 工程研究所的郭慕孙院士发起设立了“中国颗粒学会”，极大的促进了我国粉体工程相关 的研究【4 l 【1 2 1 。 改革开放以后，我国的经济飞速发展，粉体工业也逐渐的发展并形成规模，但是粉体 工程方面的技术还比较落后。比如，在国外已经相当成熟的超微粉碎分级技术和设备在国 内才刚刚起步，这使得精细化粉体产品的产量低、质量也不高，远远无法满足工业发展对 于原材料的需求很多粉体工程方面的研究仍然属于空白【埘2 0 世纪6 0 年代我国开始了 超细粉碎技术和设备的研究。到目前为止，已经可以生产各种类型的振动磨、气流磨、搅 拌磨、冲击磨，设备性能已经达到世界先进水平【堋上世纪8 0 年代我国开始了纳米粉体 浙江大学硕士学位论文绪论 的研究，经过2 0 多年的发展，目前已经有8 0 多家单位从事该领域的研究。研究的重点主 要集中在纳米粉体的应用、纳米粉体的合成，扫描探针显微学及分析电子学方面。纳米材 料及其相关技术的研究已经在我国大部分地区开始进行【1 4 l 。 总体来说，国内对于粉体方面的研究还比较落后，相关教学课程和成果还比较少，尤 其是在粉体流动性、粉粒体输送等方面的研究，粉体储料设备、粉粒体输送设备等方面的 研制，相关工程问题的解决主要还是依赖于经验以及国外的研究成果。 1 3 2 称量技术的发展和国内外研究现状 ( 1 ) 称量技术的发展历程 衡器，又成计量秤，是一种确定物体本身的重量或质量数值的称量仪器【7 1 。古希腊最 早开创了衡器理论，包括杠杆的稳定性、天平的平衡和精度理论等问题。到了近代工业革 命后，制造衡器的技术大量出现，先后出现了托盘天平、大量程台秤、吊车秤、不等臂杆 秤和弹簧秤等【6 1 1 。十九世纪后期，随着工业的迅猛发展，能够快速称量物体的自动秤开始 大量出现。二战之后，随着电子技术的不断发展，称量逐步实现了自动化。进入二十一世 纪以来，称量过程越来越多的采用了自动式的衡器，使得称量逐步实现了自动化。在生产 中，配备功能强大的电子衡器控制器不但能够实时监控称量过程，还能够直接对原始数据 进行处理，使称量变得简单和精确l s l 【引 进入新世纪以来，称量相关技术开始快速发展，动态称量开始取代静态称量，同时出 现了新的称量方法，比如模型化称量及在线称量等。动态称量的数学模型建立、振动理论、 人工智能理论、神经网络理论、阻尼技术、模糊理论、数字滤波技术、系统理论等科学理 论在称量领域中大量运用，比如采用现代控制理论的自回归称量模型系统，可以实现很好 的动态称量，不但称量的速度很快，而且精度很高，这对于很多称量配料企业具有重要的 借鉴意义，并逐步成为企业自动化改造过程中的主要方向【5 j 。 我国称量配料系统的核心装置在上个世纪四十年代以前基本都是机械式的，之后开始 逐步在称量中引入电气系统，在建国后就有部分电子化的衡器出现，随后，称量传感器技 术快速发展，这给自动衡器的发展提供了难得的机会。2 0 世纪6 0 年代准确度高达o 1 的 电子秤已经在一些发达国家出现，而且发达国家大部分的机械秤已经在2 0 世纪7 0 年代进 行了自动化的改造。之后，自动化、智能化成为电子秤发展的新方向。2 0 世纪7 0 年代基 于电阻应变片的称重传感器在我国取得突破，使得我国电子秤的研究取得了重大的进展。 之后，各种新式电子秤不断出现，并大量应用于各种工业场合，比如称量配料现场、工业 现场称量、产品质量的复核等。近来，电子衡器更多的运用在自动称量的过程控制以及称 量数据的分析中，现代称量技术和称量数据处理系统已经成为许多行业不可或缺的组成环 节【7 1 ( 2 ) 称量相关技术的研究进展 3 浙江大学硕士学位论文绪论 随着计算机技术的发展，我国称量技术也出现了根本性的改观，各种形式的自动称量 系统不断出现。各种高性能的称量传感器和称重显示控制仪的应用，使得自动称量被大量 应用于工业生产现场，实现自动配料及动态称量。各种有关自动称量、动态称量的研究成 果不断出现。 国外方面，1 9 9 1 年，日本学者小野敏郎以动态称量理论为基础，利用微机搭建了硬 件平台，对称量过程数据进行补偿，开发出了一套有效的动态称量系统，并给出了相关软 件的设计l l 引。 1 9 9 4 年，英国布鲁内尔大学的b a l a c h a n d 阳n 等人连续撰文研究了基于称重传感器和 模糊控制器的粉体物料的动态分选器的设计问题。通过模糊控制器对数字重量信号进行滤 波，提高了分选器的准确度2 0 】【2 1 1 1 9 9 5 年至1 9 9 6 年，b a i a c h a n d r a n 与h a i i m i c 、e n a b 等 人合作，利用模糊逻辑估计法、科尔曼滤波法、线性高斯理论等方法，对固态物料动态称 量过程进行了研究，并分别利用这三种理论方法对称量过程的数据滤波问题进行了研究， 提出了基于上述三种理论的新型数字滤波器，在保证称量速度的前提下，大大提高了动态 称量的精度1 7 】【1 8 】。 1 9 9 8 年，l a u b e r 等人研究了基于数字化的智能变送器和称量过程数据信息的集成问 题【2 3 1 。针对此类问题，美国g r a v l m e r i k 公司研发了一种基于逆平衡传感器的称量装置， 首先采用该传感器测量物品的质量，然后将该质量信息反馈到变频器中，利用变频器控制 电机，从而带动皮带的运行。 图1 1 基于逆平衡传感器的称量装置 另外，意大利采用图1 2 所示的装置来解决此类问题。计量秤上安装有称重传感器， 称量时控制器通过控制大、小阀门来控制下料的速度，称量传感器感受物品的重量，并将 该信息发送给控制器。料仓出料口安装有两个控制阀，开始下料时，控制器同时打开两个 阀门，当传感器检测到物料的重量达到某一设定值时，大阀门关闭，小阀门继续工作，当 计量秤中物料达到目标值时，小阀门关闭，从而保证了较高的称量精度和速度1 2 4 】1 6 2 1 。 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 大阀门 小阀门 图1 2 具有大小阀门的称量装置 1 9 9 9 年，英国南安大学的a i m o d a r r e s i 和w h i t e 在振动噪声环境下估计称重信号的研 究中引入了双层人造神经网络和特征提取，并在后来的系统仿真实验和实际测量实验中验 证了该方案的可行性【1 9 】。同一年年，d a n a c i 等人发表论文研究了动态称量中应用非线性 回归法的问题，并对该结果进行了计算机仿真，结果表明：该方案能够明显改善称量过程 的速度和精度1 2 2 1 。 2 0 0 2 年，德国学者得雷克赛尔提出一种质量流量的连续式定量系统。该系统可以在 皮带工作的情况对物料进行连续称量，可以大大提高称量的速度1 6 引。 在国内方面，1 9 9 6 年，杨青等人提出一种基于自适应的粉体物料称量配料系统的估 计方法，并利用单片机组建了实验系统【2 5 1 。 1 9 9 7 年，罗映云建立数学模型对链钩秤的称量原理进行了研究，根据线性材料称量 的生产工艺特点组建了一套实用的链钩秤称量系统，并给出了其硬件实现和软件的设计。 实际使用经验表明该称量方法可行【2 7 】。同一年，陈少华发表论文对动态称量仪进行了研究， 并通过有限元分析的方法对该称量仪的刚度和强度进行了分析，根据分析结果得出该系统 应变测量区的参考尺寸，利用分布在面板中心线附近的应变影响线，给出了应变片的位置 信息和分布规律，这样使得放置在动态称量仪上任意位置上的物体的重量可以被准备测量 出来捌。 1 9 9 9 年，石永坤等人对动态称量系统中模糊控制的应用进行了研究，并给出了一种 应用方案【2 6 1 。同一年，白瑞林将基于模糊神经网络的p i d 控制器的闭环设计方法应用于动 态称量的研究中，并设计开发出了相应的控制器软件，利用计算机对该设计结果进行了仿 真模拟，并组建了单片机系统对控制器的网络阀值、网络权限等参数进行实验。最终结果 表明：这是一种智能化仪器设计的有效方法，在执行器接收到的d a 动作特性曲线和被测 对象的输出特性曲线方面有比较满意的结果【划。 5 浙江大学硕士学位论文 绪论 2 0 0 0 年，周山雪在研究吊秤动态称量的问题中，引入了单摆的分析公式，通过已有 的物体的质量值计算得出待测物体的质量，进而对引起的误差因素进行了分析，提出了一 种解决吊秤称量的方法【2 9 1 。同年，白瑞林在研究输送带和料门给料的称量问题中，提出了 一种基于多元复合技术的动态称量控制方法，利用经典控制和智能控制进行优势互补，在 具体的实现机构中，通过变频器和步进电机对输送带和送料门进行控制。同时给出了机械 系统的设计【3 l 】。 2 0 0 2 年，天津轻工业学院的尚绚在其硕士论文中对动态称量问题进行了研究，提出 了一种动态称量结构，并给出了对称量数据的分析方法，即首先建立模型分析得出系统的 传递函数，再利用现代控制的理论方法，由传递函数得出该称量系统的状态空间方程，并 对该方程进行离散化处理，求出离散方程的解，进而得出系统的称量值。该方法有一点不 足，在对系统的参数进行识别中忽略了称量过程中参数的变化，所以最终结果与实际值有 一定的偏型3 引。 2 0 0 1 年，张海清等人在对动态称量的研究中引入模糊控制器，设计了称量试验机并 提出了该模糊控制器的矫正算法，最终结果表明：动态称量的精度和系统性能得到了显著 提升1 3 2 1 。随后，殳伟群和张海清研究了称量过程中数据的处理问题，利用动态称量的过渡 过程中所包含的被测对象的信息建立了参数模型，对被测对象的质量进行了估计，从而真 正实现了动态称量。 肖绚在硕士论文中针对动态称量器的软、硬件结构，提出了一个崭新的数据处理方法， 首先通过经典的控制理论得到系统的传递函数，对该函数进行分析，通过进一步的简化、 计算、推导得到该装置的状态空间方程，通过数值方法得到近似解，实现对动态称量器的 理论分析。但该论文有一个不足，就是认为参数是一个定值，没有考虑动态称量对其的影 响，有待进一步的改进。 2 0 0 4 年张连仲在其论文中提出了一种自动称量装置，并给出了具体实现方法，该装 置同时考虑了称量的精度和称量速度【洲。 1 3 3 称量配料的发展历程 在传统的配料生产中多采用人工配料或半自动人工配料的方式，这种生产方式有着巨 大的不足： ( 1 ) 人工配料的控制比较简单，只有给料控制，无调节过程，即使采用控制器对速 度进行控制，其效果也不甚理想； ( 2 ) 配料的精准度不高，而且给料操作时只能依靠经验进行调节没，结果波动比较 大； ( 3 ) 不同物料的物理性质各不相同，而且随着温度和湿度的变化，物料之间易于粘 接成块，使物料流动性交差，进而影响称量精度； 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 4 ) 配料生产过程属于单物料的配料生产方式，不能满足连续自动配料生产线的要 求。 通常情况下，配料现场粉尘大，工作条件恶劣，不利于工作人员的健康，而且配料品 种多，每种物料的物理属性差别很大，生产中配方变动可能比较大，新的配方需要一个熟 悉的过程，这就限制着生产效率的提高，随着计算机和微电子技术的发展，配料控制逐渐 从人工手动控制过渡到了计算机自动控制。按照时间的顺序可以分成四个发展阶段其：人 工手动控制阶段，机械电子控制阶段，单片机嵌入式控制阶段、工业控制计算机集中控制 阶段m 】1 1 0 】【1 u 。 第一阶段称量配料仪表的显著特点是引入了微机系统。虽然相比于传统的装置有很多 优点，但是该类仪表往往占据的空间很大，而且不同部分之间相互独立工作，在称量配料 的过程中，只能够依赖工厂所积累的经验来对仪表装置进行调节，而且由于其较大的体积， 这需要较多的人力，如果需要进一步的进行生产分析，还需要专门人员来对称量成产进行 记录，不利于产品质量的稳定和生产效率的提升。 第二阶段主要采用基于中小型微机的称量配料仪表。但是该类称量配料仪表也存在两 大问题，第一是噪声过大，为了克服噪声的影响，必须通过增加额外的电路，这就增加了 整个系统的复杂度；第二是称量配料系统的工作环境往往比较恶劣，这就造成电子器件的 老化比较严重，降低仪表的可靠性及抗干扰能力。 第三阶段的称量装置的最大亮点是采用了嵌入式的控制系统。随着计算机逐步发展成 小型化和可嵌入化，该类称量装置获得了极大的发展。相比于先前的配料系统，嵌入式配 料系统的电路繁琐度降低了，而可靠性却大大的提高了，能够满足用户对称量的要求；所 以目前嵌入式配料系统依然在称量配料企业中占据主导地位。 第四阶段开始逐步采用工控机作为称量装置的控制核心。随着计算机技术的迅速发 展，工业规模的不断扩大，基于s t d 和p c 总线的工业控制计算机在配料生产控制中日益 占据主要地位。工业控制计算机是专门针对工业使用而开发的，相比于以往的普通计算机， 很容易组态和开发，而且开发出来的控制系统具有很高的抗干扰能力和恶劣工业环境中的 稳定运行能力f 1 1 1 。随着工业生产对计算机要求的不断提高，工业控制计算机本身的优势 不断获得肯定，其在称量配料中的应用实例也不断增加。在称量配料生产中，物料会产生 很多粉尘污染，这对于称量系统，尤其是作为其核心的控制器，具有很大的影响。工控机 具有抵抗该类工作环境的能力。采用工控机后，可以很容易的开发出具有实时画面检测、 生产过程控制、生产数据统计功能的配料系统。工控机集中式配料系统相比于嵌入式配料 系统具有结构简单，人机交互界面美观，使用方便，设计门槛低等特点。但是由于称量配 料的控制室与生产现场距离较远，工作中，强、弱信号极易相互干扰，降低了系统的稳定 性，为此必须增加一定的抗干扰设施。对于工作主机及其配套的硬件电路来说，进行集中 控制的难道大，这就使得整个称量系统的可移植性和灵活性大大降低，提高了隐形成本， 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 而且还增大了系统的整体风险，一旦作为主机的计算机崩溃，整个系统将会停止工作，这 给企业埋下了很大的隐患。 1 4 本课题的研究内容 1 4 1 本课题的研究和设计目标 本课题的总体目标为：研发一条刹车片自动称量配料生产线，日配料能力达到3 0 吨。 整个称量配料系统采用分布式控制结构，能够实现系统运行中的实时监控和集中控制。在 配料生产过程中，根据刹车片的品种，在刹车片配方数据库中调出相关数据，确定具体原 料种类及比例为了确保各原料比例的相对准确，本系统采用间歇性配料。单次配料的总 质量可以人为设定，一般情况下取1 1 0 k g ，工作时，系统会根据配料的总量，自动计算出 配料的次数( 自动取整) 配料完成后系统通过输送系统将原料送至混料机中，该次配料 完成后系统会通过指示灯和声音提示操作人员。本称量配料系统所主要功能指标包括： ( 1 ) ，对物流信息进行监控，能够实现车间生产的实时检测； ( 2 ) 、配方管理、控制输入、运行显示、缺料报警、断料停机、故障诊断； ( 3 ) 、在现有用工的基础上节约5 0 的劳动力； ( 4 ) 、解决目前生产线中存在的防尘、降尘问题； ( 5 ) 、称量配料误差控制在1 1 0 0 0 以内； ( 6 ) ，可以实现最多2 8 种不同物料的同时配料； ( 7 ) ，单次配料时间为3 5 分钟。 1 4 2 本课题的研究对象和内容 本课题所要研发的自动称量配料系统典型结构如图1 3 所示，系统采用三层布局形 式，最上层是原材料的仓储，中间层是配料工位，下层是拌混料工位。控制系统和计算机 则在中层专门的控制室内。 8 浙江大学硕士学位论文 绪论 图1 - 3 自动称量配料系统布局示意图 如图1 3 所示，在最上层的料库内，各种原材料按编号顺序放置，生产过程中，将各 种原材料投入相应的料仓中以备进一步的配料操作。在中间层，每个料仓口下端装有一输 料设备，常见的有振动下料器，可以通过振动下料控制器来控制下料的速度。振动输料设 备将料仓中的物料逐次送入计量秤内，当计量秤内的物料达到配方规定的配料重量时，计 算机控制开门机构将计量秤内已称量物料卸出，安放在计量秤底部的皮带输入机的输送皮 带上，当一个配方所有物料都已称量完卸入皮带机后，输送给混料机进行混料，然后进入 下一个工序进行后期处理。 振 开 皮 物投动称门带混 料料 输 且 卸 输 料里 送 料送 图1 4 配料工序流程示意图 称量配料工序的控制系统以单片机和工控机为核心，通过c a n 总线构成一个分布式控 制网络，单片机负责现场设备的控制，工控机负责数据的管理和控制。这种分布式的工业 网络结构可靠性很高，非常适合流程工业的现场控制。通过输入、输出装置，现场操作人 员将刹车片的型号和配方信息录入工控机数据库中，工控机系统会根据产品配方数据库的 配方向相应的单片机发送指令，控制振动下料器将所需的物料按照一定的比例送入混料机 构进行混料。本次配料操作完成。 国 浙江大学硕士学位论文绪论 输一单片机卜_ 一投料门 入 装 一单片机卜_ 叫振动控制器h 振动下料 置 工 控 _ 一单片机h 计量秤 h 称重传感器 输 机 出 一单片机h 执行机构卜_ 一开门卸料 装 置 一单片机卜_ _ 叫交流电机h 皮带输送 图1 5 配料工序控制框图 本课题的研究内容就是设计一套符合上述要求的自动称量配料系统，相比于之前手动 称量配料过程，该系统具有以下显著的优点： ( 1 ) 、配料操作的自动化。操作人员只需将各种物料加入到相应料仓中，并按生产工 艺的要求将在控制主机中输入配方数据，全部配料工作将在系统控制下自动完成，配料完 成后，自动将配料经输送带和提升机送入混料机。这样不但可以自动完成配料操作，而且 提高了生产效率。 ( 2 ) 、操作防尘性能好除了将物料加入到料仓中，整个配料过程极少有粉尘泄露， 系统配备的强力抽风吸尘装置，再加上封闭式的称量装置，使得系统可以最大程度的降低 粉尘对人体的伤害。 ( 3 ) 、配料的准确性高。物料各组分的称量、运输都在主机严格控制下完成的，避免 了人为操作失误带来的称量误差，从而保证了混合料各组分的称量准确度，有利于产品质 量的稳定。 1 5 本文的内容概述和段落结构 本论文以杭州某公司全自动称量配料生产线的研发项目为基础，在查阅大量相关文献 的基础上，提出了一种分布式自动称量配料系统。该称量配料生产线已经建成并于2 0 1 0 年底投入使用，目前运作良好。本论文在粉体的应力及流动分析、料仓的设计和破拱、自 动称量过程中的误差分析、分布式控制系统的构建等方面做了大量工作，具体如下： ( 1 ) 论述了本课题的来源和研究意义，总结了粉体工程学的发展及国内外研究现状， 然后介绍了称量技术的发展及国内外研究现状，之后又简述了配料控制的发展，紧接着概 述了本课题的研究目标和主要研究内容，最后给出了本文的研究框架。 ( 2 ) 根据粉体的流动特点，建立模型分析了粉体在料仓中的重力流动，在此基础上 浙江大学硕士学位论文绪论 推导了料仓中任意点的粉体应力方程，进而分析得到了粉体自由流动的条件；针对料仓中 粉体的流动特性设计了最优料仓曲线，并据此设计了几种抗结拱的料仓结构；通过双绞龙 机构解决了团絮状物料的输送；另外文中提出了几种辅助破拱方法，解决了称量配料过程 中结拱的难题。 ( 3 ) 建立称量过程的数学模型对称量中的误差因素进行分析，包括冲击力偏差和滞 留物料偏差，根据误差的来源和变化特点，提出了一种三级称量控制方法，在保证称量速 度的前提下，提高了称量的精度。 ( 4 ) 介绍了刹车片称量配料系统的结构和生产工艺，在此基础上提出了一种基于c a n 总线的三级分布式控制系统，包括管理级、控制级和设备级；并给出了管理级、控制级和 设备级的硬件实现，在上述硬件结构的基础上了，基于v c + + 设计了上位机管理软件，基 于c 语言设计了下位机控制软件。 ( 5 ) 回顾并总结了本课题的研究，并指出本文的不足和以后努力的方向。 1 6 本章小节 本章首先介绍了课题的来源和研究意义，然后总结了粉体工程学的发展及国内外研究 现状，论述了称量技术的发展历程和国内外研究现状，之后介绍了称量系统控制方式的发 展现状，紧接着概述了本课题的研究目标和研究内容，最后介绍了本文的主要内容。 1 l 浙江大学硕士学位论文粉体物料的流动分析及料仓的设计 第二章粉体物料的流动分析及料仓的设计 2 1 引言 料仓系统是称量配料的核心环节，它不仅用于储存物料，而且还具有均化物料性能的 作用。料仓系统工作的稳定性极大影响着整条生产线的配料效率。对于配料仓来说，影响 物料在其中流动的因素很多，比如料仓材料的物理性质、料仓的结构形状、物料的物理性 质、物料在料仓中的状态等。而且，配料工艺所涉及到的物料的范围分布非常广泛，常见 的物料有石棉、树脂、摩擦粉等。不同的物料具有不同的物理特性，比如石棉比较松散， 且易形成较大的物料块；钢纤维具有很强的互相粘附性；磨片粉具有复杂的构成组分。在 配料生产中，这些物料极易在料仓中产生结拱、穿孔、堵塞等问题，导致配料无法正常进 行。因此，必须针对物料的特性对料仓进行设计。 2 2 粉体物料在料仓内的流动过程分析 粉体物料是呈现粉状的加工原材料。松散的粉体具有流体的一些性质，但其颗粒之间 的作用力又不同与流体。从宏观上来看，粉体是具有流动性质的固体。粉体的这些性质对 其在料仓中的流动有着重要影响。料仓中粉体的压力分布不同于流体，受料仓，预紧力等 多种因素的影响较大。当粉体料层内由摩擦力、粘结力和静电力等构成的内力大于重力时， 物料便不能自由流动，从而导致料仓起拱、偏析和卸料不畅等问题，影响卸料。 2 2 1 粉体物料的流动类型和特点 粉粒体在自身重力作用下克服料层间摩擦力所具有的流动性质，称为重力流动性。物 料从料仓中卸出就是依靠这种流动性。实验表明，料仓内粉体物料在重力作用下的流动基 本状态有整体流和漏斗流两种【5 1 1 。 l l 体k 斗 图2 1 料仓内粉体流动状态模型 1 2 浙江大学硕士学位论文粉体物料的流动分析及料仓的设计 在卸料过程中，仓内物料整体处于均匀下降的运动状态，如图2 1 ( a ) 所示，这种流 动类型称为整体流( 或者质量流) 【3 6 1 整体流的特点是流动均匀且平稳，能把在装料时发 生粒度分离的物料重新混合，导致物料“先进先出”。但整体流动的过程中，物料与仓壁 之间处于滑动摩擦状态，对料仓的磨损较大。 如果只有料仓中心部分物科流动，而其他区域的物料停滞不动，如图2 1 ( b ) 所示， 流动的区域呈漏斗状，流动通道呈圆形截面，其底部截面与卸料口相当，这种流动类型称 为漏斗流【驯。漏斗流只有内部物料产生流动，虽然不会因为摩擦对料仓造成损害，但会产 生不流动区域，该部分的物料不但形成浪费，而且还占用了大量料仓空间，更有甚者会产 生化学变化，进而可能影响产品的质量。在设计料仓的过程中尽量采用整体流进行卸料， 避免漏斗流。 2 2 2 粉体重力流动模型 料仓中粉体的流动不同于流体流动，通常情况下会呈现一定的流动状态。对于一个无 摩擦的理想料仓来说，粉体在料仓内的流动状态如图2 2 所示。 l b c d c d 图2 2 料仓内粉体的流动状态模型硎 粉体在料仓内的流动状态可以分为四个部分。在a 区域内，粉体垂直向下流动，水平 分速度可以忽略。相比于其他部分，该部分的下落速度最大，速度的大小跟截面面积成反 比，在出口处达到相对最大值。而处于同一横截面的粉体的下落速度几乎相等。b 区域的 范围近似于一个倒立圆锥形，随着a 部分粉体的下落，b 部分对其形成的空缺进行补充， 所以b 部分在p 点以漏斗的形式流入到a 部分b 部分粉体的运动包括水平运动和垂直运 动，粉体沿着圆锥的母线流入a 部分，此时粉体的运动只有垂直运动。d 部分在料仓的四 周，处于静止状态。c 部分处于静止的d 部分和等速流下的a 部分之间，该部分内粉体的 下落速度在径向呈线性变化，在下落的同时流入a 部分。b 部分的粉体流完之后，粉体表 面停止坍塌，形成x p x 形状的倒圆锥面，随着粉体继续流下，该圆锥面将平行向下移动【捌。 】3 浙江大学硕士学位论文 粉体物料的流动分析及料仓的设计 以上是对于理想状态下粉体流出料仓的情况的描述，但通过实验观察，实际物料的流动基 本符合图2 2 的流动状态模型。 进一步，如图2 2 所示，a 区域的形状类似一个椭球体，c 、d 区域的交界面也类似于 一个椭圆体。为此，k v ap i 提出了一种流动椭球体的模型【3 7 1 。如图2 3 所示，e n 和e g 表示 上述两个椭球体。a 区域本身构成流动椭球体e n ，e n 内物料是各自颗粒的运动。e n 内的粉 体物料的运动有两种形式：第一运动( 垂直运动) 和第二运动( 滚动运动) 。边界椭球体 e g 将c 、d 区域分开，该椭球体的长轴平行于料仓主轴，内部的物料分布成团块状。物料 只在边界椭球体e g 之内进行流动。流动椭球体e n 顶部为流动锥体e o ，不断的给流动椭球 体e n 补充物料。 图2 3 流动椭球体模型结构 e g e n 椭球体的尺寸与粉体物料的颗粒尺寸有一定的相关性，如图2 4 所示，在流动椭球体 的体积尺寸一样时，其长轴的尺寸按照物料的颗粒尺寸大小依次排列，物料颗粒尺寸小的， 其流动椭球体e n 的长轴就越大，反之长轴就越小嘲。通过以上分析，我们可以知道，漏 斗流的长轴比较大，所以颗粒越小的物料越容易产生漏斗流，通过实验观察也可发现特别 细的物料，比如轮胎粉、磨片粉等，较易形成漏斗流，在料仓设计中应特别注意。 1 4 浙江大学硕士学位论文粉体物料的流动分析及料仓的设计 群 比 z 幽 图2 4 流动椭球体长轴与物料粒度关系图 2 3 粉体物料的应力及流动分析 料仓中的粉体通常情况下会受到重力、仓壁压力等外力作用，由于摩擦力的作用，粉 体层内部会产生相应的应力，当应力足够克服外力作用时，粉体层不会产生变化，粉体层 内部保持平衡状态。随着外力的增加，粉体层不断发生形变，当外力超过某一确定值的时 候，粉体层产生不可恢复的变形而塌陷，此时的状态称为极限应力状态。极限应力状态对 于粉料在料仓中的流动至关重要，下面从粉体力学的角度对粉体层进行应力分析，首先做 以下假设： ( 1 ) 、粉体层完全均质； ( 2 ) 、粉体为整体连续介质； ( 3 ) 、粉体中的微元体处于平衡状态： 2 3 1 料仓中粉体的应力表示 通过粉体中任一点p 都可以作三个互相垂直的面，通过这三个平面传递三个方向的主 应力，三个主应力共同产生作用，达到平衡状态。一对于料仓中的粉体而言，我们关心的是 其在重力作用下的向下流动，可以将粉体视为平面应力系统1 4 2 j 。如下图所示。 浙江大学硕士学位论文 粉体物料的流动分析及料仓的设计 图2 5 通过点p 的三维坐标系 丁 丐 缸) ( 6 图2 6 粉粒中某一点的受力分析图 在x - y 平面应力平面内，选取粉粒体中的一个徼元直角三角形，建立直角坐标系x o y ， 如图2 6 ( a ) 所示。o x 和唧分别表示直角三角形受到的x 轴和y 轴方向的正应力，如表 示垂直于x 轴指向y 方向的切应力，表示垂直于y 轴指向x 方向的剪切应力，6 表示斜 面上的正应力，t 表示斜面上的切应力。斜面的倾斜度用图中的0 表示。规定指向微元直角 三角形内( 外) 的应力为正( 负) 值，切应力对单元体内任意点的矩为顺时针转向时，规 定为正值，反之为负值。 假设直角三角形斜边长度为，建立平衡方程为 吒，c o s p + f 。，s i l l 秒= 盯c o s 护，+ r s i n 目- ， ( 2 1 ) q ，s i n 秒+ z c o s 9 = 仃s i n 口z f c o s 曰， 7 ( 2 2 ) 根据切应力互等定理4 3 1 ，和在数值上相等，以上两式分别消去。和百可得 仃= 三( 吒+ q ) + 三( 吒一q ) c o s 2 秒+ s i l l 2 p ( 2 3 ) f ：昙( 吒一q ) s i i l 2 秒一c o s 2 秒 ( 2 4 ) 分别对两式求平方，消除中间参数e ，整理可得 ( 盯一半) 2 + 如( 孚) 2 + 2 ( 2 - 5 ) 选取a 和t 为横坐标和纵坐标建立平面坐标系，则上式的轨迹可以用圆来表示，其中 圆心坐标为：口，o ) 浙江大学硕士学位论文 粉体物料的流动分析及料仓的设计