（检测技术与自动化装置专业论文）电子皮带秤自动配料系统的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，皮带秤配料系统己广泛应用于冶金、煤 炭、化工、建材等行业中。但目前大多数配料称重系统仍采用一般的p i d 控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整定的，灵敏度 高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质，从理论上讲能做到无误 差调节，在误差较小的范围内确有其优越性，但在误差较大时，其动态 特性并不理想，超调量一般较大。目前，国内外现有的电子皮带秤配料 系统还不能解决这一问题，因此，本课题设计开发了一套合理高效的电 子皮带秤自动配料系统，该系统针对配料环节，采用了模糊一p i d 复合控 制技术、基于p l c 的动力控制和组态软件技术实现了对皮带秤配料系统 的自动配料过程控制，能有效解决系统在大误差情况下的超调问题。论 文主要内容包括系统的总体结构设计、数学模型的建立及控制算法的研 究、称重管理软件的开发等内容。 论文首先阐述了系统的总体结构设计方案。该方案从系统的工艺过 程出发，提出合理的系统软硬件配置，不但提高了系统的计量准确度和 控制精度，也大大提高了系统的可靠性，实现也较方便。有关章节内容 包括该系统总体设计方案和基本组成；系统工作原理、控制模型及主要 技术参数指标；配料皮带秤的组成及原理；称重传感器和测速传感器 的选择；电机调速方式的选择；系统抗干扰和接地设计。 然后，系统详细阐述了模糊一p i d 复合控制系统具体的实现，将模糊 控制技术结合传统的p i d 调节技术应用在配料控制中。即通过对配料系 统的分析，建立现场工艺过程的经验，根据模糊控制原理，提出配料系 统的模糊控制结构和算法，配合原有的p i d 控制算法，形成模糊一p i d 复 合控制器，以改进电子皮带秤配料系统的控制调节效果，从而进一步提 高系统的配料精度和配料速度。 随后，论文给出了系统电气控制部分的主要组成及采用p l c 实现现 场的输煤配料设备动力协调控制的方法，从而使该配料系统可以按要求 山东大学硕士学位论文 自动完成下料、称量、配料全过程，并对称量落差补偿问题进行了讨论。 针对自动配料系统设备生产完毕出厂前的联调问题，本课题应用仿 真技术，提出了一种简便有效的方法，可以方便地实现配料系统出厂前 电气部分的联机调试试验。 最后，阐述了系统如何采用工控组态软件实现现场数据实时记录和 监控。设计了实时称重、记录查询、报警、实时模拟等具有w i n d o w s 风 格的动态操作画面。 通过该系统的研究与开发，有效地解决了皮带秤这一动态计量衡器 的控制精度问题。进一步提高了系统的计量精度和配料速度。很大程度 地降低了劳动强度，提高了生产效率和产品质量。 本配料系统已在合肥钢铁集团、青岛煤制气公司、新余钢铁集团公 司等单位投入实际运行，控制效果良好，使企业取得了良好的经济效益。 关键词：配料；电子皮带秤；模糊p i d 控制；控制精度；监控软件 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，b e l ts c a l eb a t c h i n g s y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di n v a r i o u si n d u s t r i e ss u c ha sm e t a l l u r g y ，c o a l ， c h e m i c a li n d u s t r ya n db u i l d i n gm a t e r i a l b u tm o s to fb a t c h i n ga n dw e i g h i n g s y s t e m ss t i l lu s en o r m a lp i dc o n t r o la l g o r i t h ma tp r e s e n tw h o s ep a r a m e t e r sa r e a d j u s t e da c c o r d i n gt ot r a n s i t i o np r o c e s st i m e o fs t e pr e s p o n s ea n dh a v eh i g h s e n s i t i v i t y s y s t e mo ff i x e dp a r a m e t e r sh a sg o o da d j u s t m e n tq u a l i t y ，c a nr e a l i z e e r r o r f r e ea d j u s t m e n tt h e o r e t i c a l l ya n dh a si t sr e a la d v a n t a g ew i t h i nt h er a n g eo f s m a l le r r o r b u ti t sd y n a m i cf e a t u r ei s n ti d e a la n do v e r a d j u s t m e n tq u a n t i t yi s n o r m a l l yl a r g e w h e nt h ee r r o ri s l a r g e a tp r e s e n t ，f o r e i g na n dd o m e s t i c e l e c t r o n i cb e l ts c a l eb a t c h i n gs y s t e mc a n ts o l v et h i sp r o b l e m ，s ot h i st a s kd e s i g n s ar e a s o n a b l ea n de f f i c i e n te l e c t r o n i cb e l ts c a l eb a t c h i n gs y s t e m f o rb a t c h i n g s e c t i o n ，t h es y s t e mu s e sf u z z yp i dc o m p l e xc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dp o w e rc o n t r o l a n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g yb a s e do np l c ，r e a l i z e sa u t o m a t i cb a t c h i n g p r o c e s s c o n t r o lo fb e l ts c a l e b a t c h i n gs y s t e ma n dc a ne f f e c t i v e l ys o l v e o v e r - a d j u s t m e n tp r o b l e mo fs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no fl a r g ee r r o r m a i n c o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d eo v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g no ft h es y s t e m ，e s t a b l i s h m e n t o fm a t h e m a t i cm o d e l ，r e s e a r c ho nc o n t r o l a l g o r i t h ma n dd e v e l o p m e n t o f w e i g h i n gm a n a g e m e n ts o f t w a r e t h ep a p e rf i r s t l yd e s c r i b e so v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g np l a no ft h es y s t e m t h e p l a n ，f r o mt h ev i e wo ft e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fs y s t e m ，s u g g e s t sr e a s o n a b l e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no fs y s t e m t h i sn o to n l yi m p r o v e sw e i g h i n g a c c u r a c ya n dc o n t r o la c c u r a c yo ft h es y s t e m ，b u ta l s og r e a t l yi n c r e a s e sr e l i a b i l i t y o ft h es y s t e m i ti sc o n v e n i e n tt or e a l i z et h e m t h ec o n t e n t so fr e l e v a n tc h a p t e r s i n c l u d eo v e r a l ld e s i g np l a na n db a s i cc o m p o s i t i o no ft h e s y s t e m ，o p e r a t i o n p r i n c i p l e ，c o n t r o l m o d e la n dm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h e s y s t e m ， c o m p o s i t i o na n dp r i n c i p l eo fb a t c h i n gb e l ts c a l e ，s e l e c t i o no fl o a dc e l la n ds p e e d m e a s u r e m e n tt r a n s d u c e r , s e l e c t i o no fs p e e dr e g u l a t i o no fm o t o r ，a n t i - j a m m i n g d e s i g na n dg r o u n d i n gd e s i g no ft h es y s t e m t h e nt h es y s t e md e s c r i b e st h er e a l i z a t i o no ff u z z yp i dc o m b i n ec o n t r o l s y s t e mi n d e t a i la n da p p l i e sb o t hf u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lp i d a d j u s t m e n tt e c h n o l o g yt ob a t c h i n gc o n t r 0 1 t h a ti st os a y ，e x p e r i e n c eo ns i t e m 山东大学硕士学位论文 t e c h n o l o g i c a lp r o c e s si se s t a b l i s h e db ya n a l y s i so fb a t c h i n gs y s t e m ，f u z z yc o n t r o l s t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo fb a t c h i n gs y s t e mi s p u tf o r w a r da c c o r d i n gt of u z z y c o n t r o lp r i n c i p l e ，f u z z yp i dc o m b i n ec o n t r o l l e ri sf o r m e db ym a t c h i n go r i g i n a l p i dc o n t r o la l g o r i t h ms o a st o i m p r o v ec o n t r o l a n da d j u s t m e n te f f e c to f e l e c t r o n i cb e l ts c a l eb a t c h i n gs y s t e ma n dt of u r t h e ri n c r e a s eb a t c h i n ga c c u r a c y a n db a t c h i n gs p e e do ft h es y s t e m t h ep a p e rt h e nd e s c r i b e sm a i nc o m p o s i t i o no fe l e c t r i cc o n t r o lp a r to ft h e s y s t e ma n dt h em e t h o do fu s i n gp l ct or e a l i z eh a r m o n i o u sc o n t r o lo fc o a l f e e d i n gp o w e ro ns i t es oa st om a k eb a t c h i n gs y s t e ma b l et oa u t o m a t i c a l l yf i n i s h a up r o c e s s e so fl o a d i n g 。w e i g h i n ga n db a t c h i n g ，a n dd i s c u s s e sw e i g h i n gd r o p c o m p e n s a t i o ni s s u e s f o rj o i n ta d j u s t m e n to fa u t o m a t i cb a t c h i n gs y s t e me q u i p m e n tb e f o r el e a v i n g t h ef a c t o r ya f t e rf i n i s h i n gp r o d u c t i o n ，t h et a s ku s e se m u l a t i o nt e c h n o l o g y ， s u g g e s t sas i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o da n dc a nc o n v e n i e n t l yr e a l i z ej o i n t a d j u s t m e n tt e s to fe l e c t r i cp a r tb e f o r el e a v i n gt h ef a c t o r y f i n a l l y ，i td e s c r i b e sh o wt h es y s t e mu s e si n d u s t r i a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r et or e a l i z er e a l t i m er e c o r da n dm o n i t o ro fs i t ed a t aa n dd e s i g n sd y n a m i c o p e r a t i o ni m a g e sw i t hw i n d o w ss t y l es u c ha sr e a l t i m ew e i g h i n g ，r e c o r di n q u i r y ， a l a r ma n dr e a l t i m es i m u l a t i o n r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es y s t e me f f e c t i v e l ys o l v ec o n t r o la c c u r a c y i s s u eo fb e l ts c a l e t h ed y n a m i cw e i g h i n gs c a l e ，f u r t h e ri n c r e a s e sw e i g h i n g a c c u r a c ya n db a t c h i n gs p e e do ft h es y s t e m ，g r e a t l yd e c r e a s e sl a b o ri n t e n s i t ya n d i m p r o v e sp r o d u c t i v i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h eb a t c h i n gs y s t e mh a sb e e nu s e di nv a r i o u su n i t ss u c ha sh e f e ii r o na n d s t e e lg r o u p ，q i n g d a oc o a lg a sc o m p a n ya n dx i n y uk o na n ds t e e lg r o u p c o m p a n y ，h a sr e a l i z e dg o o dc o n t r o le f f e c ta n dh a sh e l p e dt h ee n t e r p r i s e sg a i n g o o de c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：b a t c h i n g ；e l e c t r o n i cb e l ts c a l e ；f u z z yp i dc o n t r o l ；c o n t r o la c c u r a c y ； m o n i t o r i n gs o f t w a r e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者潞扯日期：迦址竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：恤翩虢社 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及其意义 第1 章绪论 目前，电子衡器己广泛应用于工农业生产和社会生活的各个领域。 随着科学技术的不断发展，电子衡器也随之不断改进。在很多生产工艺 过程中，人们除了要求衡器能准确地进行称量，满足产品质量的需要外， 还要求称重过程能大幅度提高生产效率。尤其是冶金、煤炭、化工、水 泥等行业中，常需要对散料进行皮带输送过程中的动态连续称量，而且 还要对输送中的流量进行调节、控制、达到准确的配比。 配料质量控制的优劣直接关系着企业生产能否顺利进行。如果配制 的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量 和生产率，并且有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成 事故。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制约着整个生产的产品 质量和产量，因此应对配料过程的质量和产量控制给予足够重视。 电子皮带秤自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物 料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的，是实现生 产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的 重要技术手段”1 。微机配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料 质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。 有些企业开发了一些基于皮带秤仪表和p i d 控制器的皮带秤配料系 统，但控制精度不尽人意，易出故障，不能适应许多生产工艺过程中的 恶劣环境，不能满足用户日益增长的设备需求。因此，优化设计研制技 术先进、设备成熟、经济实用的配料系统至关重要。 本课题设计开发的电子皮带秤自动配料系统能有效解决动态计量 衡器的控制精度问题。作为衡器发展的前沿产品，它可代替企业中陈旧 的配料工艺设备，很大程度地降低劳动强度，提高生产效率和产品质量， 带来可观的经济效益，推动国民经济的发展。 山东大学硕士学位论文 1 2 目前国内外的现状及存在的问题 1 2 1 电子皮带秤配料系统的现场工艺过程 企业内常见的皮带秤自动配料系统现场结构组成如图卜1 所示，该 结构形式是一种最基本、使用最广泛的皮带配料系统。 本系统以7 种原料混合的为例。系统共有7 个给料仓，每个料仓下 有一给料机，由一台驱动电机带动，电机的转速就决定了喂料机的流量， 电机可采用多种调速方式；每个料仓下面有一皮带秤，通过皮带秤仪表 能称出下料的流量、累计量等数据；所有皮带秤的下面是一输送主皮带， 把混合好的原料送到下级容器中。 秫重单元n 图卜1 配料系统现场结构图 1 2 2 国内外常用技术解决方案 目前国内电子皮带秤自动配料系统的生产厂家主要有济南金钟、徐 州拉姆齐、徐州三原测控、山西新元等，国外的生产厂家有德国申克、 日本大和等。某些厂家从成本考虑，采用单片机进行简单的称量积算和 p i d 调节，功能简单，控制精度低，管理功能弱，可靠性不高。规模较 大的公司则通常采用基于调节器和w i n d o w s 平台的皮带秤配料系统”。4 1 ， 该系统正常工作时，配料仪表接受来自秤体的称重信号和测速信号，经 2 山东大学硕士学位论文 积算后显示瞬时流量和累计量，并将瞬时流量以4 2 0 毫安模拟电流的 形式送往p i d 调节器作为调节测量输入信号，调节器将该信号与机内设 定值比较运算后输出4 2 0 毫安模拟调节信号，控制给料电机转速，从 而进一步控制该种物料的下料流量，最终使几种煤料的瞬时下料流量与 阶段累计量都保持在用户要求的范围内。要改变流量及配比可直接在调 节器上进行设定操作，操作简单方便。 为便于集中控制，可以采用工控机作为上位机，通过串行接口与配 料仪表和调节器进行通讯，对现场配料情况进行实时监控，并可直接在 工控机上进行经验p i d 参数的设定“1 ，加上报警监测功能，整个系统实 现了自动化，节省了劳力，提高了生产效率。 第i 号给料机的控制方框图模型如图卜2 所示。 图卜2 第i 号给料机的控制方框图 1 2 3 现有控制系统存在的问题 适用上述解决方案的工艺现场首先必须满足这样一个前提条件，那 就是物料给出量必须与给料控制电机的转速成正比。 要使系统具有良好的调节品质，即有较高的稳定性、准确性和快速 性，系统还必须具备两个条件哺1 ： 1 ) 系统自身的结构性质稳定，这包括它的容量系数、阻力和传递距离 等内容。 2 ) 调节器有合理的p i d 参数。只有将这三种作用的强度作适当的配合， 才可以使调节器快速、平稳、准确地运行，从而获得满意的控制效果。 在这两者中，条件1 ) 是条件2 ) 的前提，因为p i d 参数取决于系 统的动态特性，而影响系统动态特性的主要因素是系统本身的结构性 质。 3 山东大学硕士学位论文 因为以往常用配料称重系统方案设计是基于普通的p i d 调节器，采 用一般的p i d 控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整 定的，灵敏度较高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质，从理论 上讲能做到无误差调节，在误差较小的范围内确有其优越性。在各设备 运转正常、稳定的情况下，可以实现良好的控制效果。同时，利用调节 器的自整定功能可由调节器自动整定出一套合理的p i d 参数用于系统的 正常运行。 但是，实际中电子皮带秤自动配煤系统的控制准确度会受到多个因 素的影响”1 。 i ) 物料物理特性的影响 物料流动性的好坏是影响配料系统的因素之一。当物料的粒度、湿 度、温度、灰分发生变化时，给料设备往往不能正常地供料，严重时配 料系统无法工作。如在我国南方，雨水较多，若对物料无保证措施，无 聊水分受天气的影响有时会粘成球团，在这种情况下，配料准确度是无 法保证的，而在我国北方，冬天气温很低，若对物料无保护措施，物料 可能结在一起，也同样不能保证准确度，所以，要达到控制准确度指标， 物料应不结块、结球，粒度保持一致，水分适中，流动性好。 2 ) 机械震动的影响 配料皮带秤检测出的物料瞬时流量是要参与控制量的输出运算的， 是通过瞬时物料流量求出控制量。如果瞬时物料流量不稳定，将直接影 响系统的控制准确度。安装时尽量避免将周围输送设备的振动引入到配 料秤中。 3 ) 给料设备安装精度的影响 给料设备加工和安装精度对控制准确度也会发生影响。例如：采用 圆盘给料机作为给料设备时，假如圆盘的水平精度不高，在给料圆盘旋 转一周的时间内将会产生给料量的大小变化。要害是周期性大小变化的 干扰信号会引入到配料控制回路，对系统控制准确度产生影响，所以， 给料设备的加工安装应最大限度地严格。 4 ) 料仓结构形状的影响 4 山东大学硕士学位论文 实践证明：料仓的形状以及料仓内壁的材料选用，都对物料均匀流 线型下落有影响。严重时会使物料积压在料仓中，产生所谓的“悬料” 现象，物料时下时不下。这些都会干扰配料系统正常工作。 5 ) 现场环境较为复杂、恶劣，其他外界干扰频繁。如：秤体排列紧凑， 秤体周围常安装有大功率给料电机；仪表附近装有大功率变频器，电机 经常频繁启停，电磁波干扰大。 由于以上因素的存在，系统误差往往较大，其动态特性并不理想， 超调量一般较大，因为不能及时地调整流量，造成系统自身的阻力和传 递距离不稳定，设备运转不稳定，系统的结构性质不稳定，最终导致控 制系统无法实现理想的控制效果，并调节器的自整定功能也失效”1 ”。 此时，通常只能由操作人员通过一定的经验方法了解系统的动态特性， 人工整定出一套粗略的p i d 参数，使之能够在恶劣的环境条件下以适用 于一个较宽的范围。但此时皮带秤的计量性能和配料精度都会受到影 响。目前，该问题一直困扰着许多用户，尚没有较为成熟的方法来解决 这一问题。 还有其他如：称重传感器、测速传感器的选择；电机调速方式的选 择；系统抗干扰设计；动力联锁控制；系统调试；称重管理软件的设计 等问题都有待于进一步改进“”。 i 3 本课题的主要研究内容和解决的问题 本课题针对以上现有皮带配料系统中存在的问题，设计开发了一套 合理高效的电子皮带秤自动配料系统以解决皮带输送过程中的控制精 度问题。本课题主要研究内容是针对配料环节，采用模糊一p i d 复合控制 技术、将模糊控制技术结合传统的p i d 控制策略应用在配料系统的调节 中。论文详细阐述了模糊一p i d 复合控制系统具体的实现，即通过对配料 系统的分析，建立不同现场工艺过程的经验，根据模糊控制原理，提出 配料系统的模糊控制结构和算法，以改进电子皮带秤配料系统的控制调 节效果，解决了原系统存在的误差较大时，动态特性不理想，超调量较 大的问题，从而进一步提高了系统的配料精度和配料速度“”“3 。 5 山东大学硕士学位论文 论文第2 章阐述了皮带秤配料系统的总体结构设计；第3 章对模糊 一p i d 复合控制系统进行了详细研究；第4 章说明了电气控制系统的配置 实现；第5 章给出了一种系统调试的仿真实现方法；第6 章介绍了系统 称重管理软件的设计。 山东大学硕士学位论文 第2 章皮带秤配料系统的总体结构设计 2 1 系统总体设计方案和基本组成 以7 台皮带秤组成的配料系统为例，系统组成如图2 - l 所示。本系 统主要由配料电子皮带秤、仪表控制柜、动力控制柜、低压开关柜、交 频器柜、现场操作盘、工业控制微型计算机、及监控管理软件几部分组 成1 。 1 ) 配料电子皮带秤 配料电子皮带秤对经过皮带的散装物料进行自动地连续称量和累 计，具有运输和计量两种功能。称重部分采用电阻应变式工作原理，多 托辊杠杆式结构，实际工作时，皮带秤采用恒速计量方式”1 ，通过调节 上级给料速度来改变物料流量，本类型皮带秤多用于企业内部生产的工 艺控制。 2 ) 仪表控制柜 仪表控制柜主要包括7 台皮带秤仪表。每台皮带秤仪表接受来自称 重传感器的重量毫伏信号和来自测速传感器的带速脉冲信号，计算出流 量和累计量，并将流量信号以4 2 0 毫安模拟电流的形式送给工控机， 工控机将流量信号与机内设定值比较后，根据一定的控制规则输出4 2 0 毫安调节信号，控制现场给料电机的转速，从而构成单机闭环系统， 达到控制某种物料流量的目的。 皮带秤仪表通过r s - 4 8 5 通讯接口与工控机进行通讯。 3 ) 动力控制柜 动力控制柜是动力部分的中央控制部件，安装有电流表、控制按钮、 指示灯、可编程控制器( 以下称p l c ) 及电机保护电路，用于监控现场 皮带机电流、对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示电机运行 状态、联锁控制及打滑跑偏报警。 p l c 通过r s - 2 3 2 通讯接口与工控机进行通讯。 7 浒汁怍慰廿怍高酪抖 群噼懈：j己一 替蹲_单郅q 圃_l母叫舟砖菊甜兹豸；漤凿哥 山东大学硕士学位论文 4 ) 低压开关柜 低压开关柜配置有刀开关、断路器、电压表、电流表、电流互感器、 隔离变压器等器件为各控制柜和配煤系统动力部分提供电源，同时检测 动力电源部分的相间电压和线电流。 5 ) 变频器柜 柜中的变频器，接受来自动力控制柜的开关信号控制上级给料电机 的启停，同时亦接受来自工控机的4 2 0 毫安调节信号，来改变输出动 力电源的频率，从而控制现场7 台给料机的转速。如果变频器功率较大， 则必须在柜体中配置散热风扇，以保证变频器能正常工作。 6 ) 现场操作盘 配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可在机旁 对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示p l c 对电机的命令状态。 7 ) 工业控制微型计算机及软件 工控机主机选用研华i p c 一6 1 0 型1 4 架装式工业p c 机箱，配置 p c a 一6 1 7 9 l 全长c p u 卡( p i l l 3 7 0 结构支持1 3 3 m 外频) 、5 1 2 m 内存、 8 0 g 硬盘、一个p c l - 7 4 6 + 四端口r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 通讯接口卡、2 个 p c i - 1 7 2 0 u 型4 通路隔离模拟量输出卡( 设置为4 2 0 毫安模拟输出) 。 工控机作为上位机，通过r s 4 8 5 双向通讯接口与皮带秤仪表联机，通过 r s 2 3 2 双向通讯接口与动力控制柜中的p l c 联机，输出模拟量控制信号 控制给料机的给料流量，从而构成完整的配料系统。工控机另留有一个 r s 4 8 5 双向通讯接口，以备与全厂的上位工控机通讯。 监控软件的主要功能有：根据生产配方和产量目标对称重过程进行 自动控制，对称重数据进行统计管理并实现打印，包括对变频器进行调 节控制的运算。系统软件有多种现场监控方式和配方输入方式，以适应 不同的工程要求，用户可设定报警打印时间等参数。界面采用菜单方式， 使用方便，用户可通过鼠标或键盘进行操作，对整个配料系统进行控制 和管理。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 系统工作原理及控制模型 系统开始工作时，工控机首先根据本次生产任务首先进行各种初始 化，包括各成分的名称、仓号、产量、标准配比、标准流量等，然后按 一定时序控制各给料机和皮带秤的启动，各给料机按一定流量给料，同 时工控机读取皮带称重仪的重量信号和累计量数据，根据各成分的累积 量值计算当前的实际配比，通过与标准配比的比较修正各给料机的给定 量，使系统工作在最佳配比状态，当达到预定产量时，再按一定时序停 止各给料机。 该系统的特点是由一台上位机来控制多台给料机，为了实现一定的 配比，各给料机之间的工作又是相互联系的，而且给定量要随当前的实 际配比进行修改，因此其控制结构是较为复杂的。第i 号给料机的控制 方框图模型如图2 - 2 所示。 图2 2 第i 号给料机的控制方框图模型 从图2 2 中可以看出，该系统属于一个多闭环有关联控制结构。就 第i 号给料仓而言，有两个闭环和一个前馈，内环是一个f u z z y p i d 控制 器，据给定流量f g i 去控制调速给料机，使其给料流量f i 控制在理想的给 定值f g i 附近。外环根据当前的累积值和希望产量之差ap 以及前馈环节 的给料机当前流量来修正内环的给定值。 控制器采用f u z z y - p i d 复合控制方式，当偏差较大时采用模糊控 制，当偏差减小到较小范围时采用p i d 控制方式。这样就可以解决系统 误差较大，其动态特性不理想，超调量较大的控制难题。具体实现见第 l o 山东大学硕士学位论文 3 童。 2 3 主要技术指标 1 ) 系统配料精度 2 ) 配料皮带秤 动态累计误差 带宽 首尾滚筒距 常用带速 物料密度 3 ) 称重传感器 最大称量 灵敏度 准确度等级 综合误差 重复性 蠕变 最大安全负荷 极限过负荷 4 ) 皮带秤仪表 自动去皮 1 - 4 - 0 2 5 0 0 ，6 5 0 ，8 0 0 ，1 0 0 0 ，1 2 0 0 ，1 4 0 0 m m 等 2 6 m 0 0 l 0 5 m s 0 7 5 2 0 t h 5 0 ；1 0 0 ：l5 0 ；2 0 0 ；2 5 0 ；3 0 0 ；5 0 0 k g 等 2 m v v c 3 级 0 0 2 最大称量 0 0 1 最大称量 0 0 2 4 5 最大称量3 0 m i n l5 0 最大称量 2 0 0 最大称量 显示流量、累计、带速、皮重等数据 用户参数编程 称重传感器输入信号范围o 3 0 m v 称重传感器激励1 0 v d c ，2 0 0 m a 速度传感器输入信号范围o 2 0 h z 速度传感器激励1 2 v d c ，2 0 0 m h 4 2 0 m a 流量模拟信号输出 r s 一4 8 5 串行通讯接口 山东大学硕士学位论文 5 ) 变频器 系统使用输出频率范围0 1 5 0 h z 过负载能力额定输出电流的1 5 0 运行6 0 秒 运转操作信号2 线式 频率设定信号4 2 0 毫安 自动转矩提升及自动滑差补偿 两段加速时间及s 曲线缓加减速 2 4 配料皮带秤的组成及原理 2 4 i 配料皮带秤的组成 配料皮带秤的结构组成如图2 3 所示，主要由输送机架、称重传感 器、测速传感器、秤架、主动滚筒、从动滚筒、输送带、张紧装置、拖 动装置、清扫器、调偏装置等组成。当散落在输送皮带机上的物料通过 秤体时，秤体中的称重传感器和测速传感器分别把重量毫伏信号和带速 脉冲信号通过接线盒送往皮带秤仪表。 1 测速传感器 6 张紧装置 1 1 外庸扫器 1 6 集料斗 2 调偏装置 7 支架 1 2 托辊组 1 7 密封罩 图2 3 3 从动滚筒输送机粲5 内清扫器 8 橡胶耳轴9 称重杠杆1 0 称重单元 1 3 输送带1 主动滚简1 5 拖动装置 1 8 卸料斗 配料皮带秤的结构组成 皮带秤采用整机式秤架结构，一般长度在2 6 米之间，没有倾角 山东大学硕士学位论文 和槽角，水平且低速运转。托辊设计为平托辊，较之于其他槽型托辊的 计量皮带秤，其计量准确度要高。 1 ) 称重装置采用单杠杆或双杠杆结构，杠杆全部为钢板焊接，刚度大， 积料面小，长期工作稳定。 2 ) 杠杆支点采用橡胶耳轴支承，该支承具有无摩擦、防震、防潮、防 腐蚀及防止物料堆积的特点，因而，在恶劣环境中不发生使用刀口装置 和轴承装置作支点而带来的问题。 3 ) 皮带采用无缝环形计量皮带，厚薄均匀度高、单位重量一致性好。 4 ) 驱动滚筒及托辊均经过精密加工及平衡调整，以保证严格的径跳、 轴跳、静平衡要求。滚筒和托辊采用腰鼓型，可有效保证皮带有恒定的 张力并防止皮带跑偏。 5 ) 输送机的下料端有几组间距很近的固定托辊，起缓冲作用，用来承 受料仓下料的压力。 6 ) 张紧装置作用在于皮带张力调整好后，张紧装置以不变的力压在皮 带上，保证皮带张力基本保持恒定，减小张力变化对计量精度的影响。 7 ) 调偏装置安装在从动滚筒上，通过张紧螺柱拉紧带滑块座轴承，调整 前后滚筒的平行度以及皮带的张力。 8 ) 在输送机带内外各有一套清扫器，都带有橡胶刀口，分别清扫输送机 内外两侧粘有的物料，保证输送机的正常运行和称量的准确性。 9 ) 拖动装置采用带电机的摆线针轮减速机，它与其他类型减速机相比， 具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动效率高、故障少、寿命长、运转 稳定可靠、噪音低等特点。 l o ) 秤体上还可安装跑偏开关和打滑装置，将跑偏和打滑信号以开关量 形式送往动力控制柜中的可编程控制器。 2 4 2 配料皮带秤的工作原理 皮带秤是自动衡器，与人们熟悉的非自动秤比较，前者是物料在输 送过程中连续自动地完成称重任务，后者是物料在静止状态下断续地进 行称重。所以连续、自动称重是皮带秤的主要特点“”。 1 3 山东大学硕士学位论文 运动皮带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物料重量，或一段 时间和一段距离的累积重量，这些量可以用积分法来演算“”。 输送机输送物料时，皮带秤仪表连续测量皮带上每单位长度的载荷 值q ( k g m ) ，并与皮带在同一时刻的速度v ( m s ) 相乘，测得结果为物料 的瞬时流量，q * v ( k g s ) 。 因物料输送的不均匀性和皮带速度随时问变化，所以在t 时间间隔 的累积流量可以用以下积分式( 2 - 1 ) 表示： 订 w = q ( t ) v ( t ) d t ( 2 1 ) w - t 时间间隔的物料累积量k g 或t ； t 一物料通过秤的时间s 或h ； q ( t ) 一皮带单位长度上的物料重量k g m ； v ( t ) 一物料在皮带上的运行速度m s 。 2 5 称重传感器的选择 称重传感器作为衡器的关键部件，其应用已经很普及了，但是称重 传感器的选型，尤其是动态衡称重传感器的选型，还有很多要点需要注 意。配料皮带秤传感器选型时应着重考虑称重传感器的量程、灵敏度、 结构材质等方面“”1 。 1 ) 量程的选择 皮带秤称重传感器的受力包括杠杆结构秤体的自重、物料流量作用 力以及称量段内输送皮带的自重，因此量程选择要考虑这几项内容“。 物料流量作用力f 。，。的计算方法见式( 2 - 2 ) 。 一。：堡坠墨 ( 2 - 2 ) ，n d m 口2 矿 。2 式( 2 - 2 ) 中，f i 一物料额定流量； l 一称量段长度； r 一杠杆比，r = 写i i 戮( 般取r = 。5 ) ； v t 一物料在皮带上的运行速度。 h 山东大学硕士学位论文 考虑到皮带秤的使用环境较恶劣，经常遇到震动、冲击、过载等情 况，为提高皮带秤可靠性，选择量程时，常取1 5 的安全系数。为解决 这些问题，同时还要考虑机械限位的设计，称重传感器的材质尽量选用 抗冲击、抗过载能力强且输出稳定的钢制传感器，而尽量不选取铝制材 料。 2 ) 灵敏度的选择 一台衡器是否能正常工作，必须考虑这个系统中各个部件的技术参 数能否匹配“。对衡器来讲，也就是称重传感器所选用最大秤量值，灵 敏度值；称重仪表所选用的供桥电压值、最高灵敏度值等，而且这些参 数最终必须满足这个系统的整体指标要求。 例如，一台传感器受力最大为1 2 0 k g 的电子皮带秤，选用2 只称重 传感器，并联使用，其最大秤量均为1 0 0 k g ，灵敏度为2 m v v ；选用的 称重仪表的供桥电压为1 2 v ，最高输入灵敏度为i 2pv e ；皮带秤的检 定分度数n 为4 0 0 0 。 则称重传感器最大净输出信号为丝笔三半- 1 4 4 m v ，每个 检定分度值输出信号为写磊警2 3 6 u v e 1 2 uv e 。因为衡器的每个 检定分度值输出信号大于称重仪表最高输入灵敏度，所以该衡器相关部 件的灵敏度选择合适。 3 ) 称重传感器结构类型的选择 电阻应变式称重传感器的结构类型较多，按照弹性体结构区分，主 要有以下几种类型。 a ) 悬臂梁式称重传感器 悬臂梁式称重传感器结构简单，灵敏度高，便于制作加工，但对立 的作用点较敏感，对于震动大的场合，其输出信号不稳定。 b ) 剪切梁式称重传感器 该类型传感器的弹性体截面形式多为工字形，电阻应变片贴在中性 层位置上，对受力点的变化不敏感，但结构简单，灵敏度高，线形好， 但弹性体贴片困难，加工不易。所用材质多为铝制，稳定性差，而钢质 山东大学硕士学位论文 的多为大量程，不适合皮带秤使用。 c ) s 型称重传感器 该类型传感器应变输出大、线性好，主要有平行梁和剪切梁两种类 型。剪切梁式的剪切力与梁弯距无关，消除了受力点移动所引起的输出 灵敏度变化，对侧向载荷也有较大的抵抗能力，而且结构紧凑小巧。其 不足之处在于，用于小量程时，贴片处的腹板太薄，不易加工制作，且 不易做到较高的灵敏度。平行梁式有较大的刚度，对载荷的偏移不敏感， 有较高的输出灵敏度，可用于小量程称重传感器。 ( i ) ( 匡萝 ) ( a 平行粱式( b ) 剪切梁式 图2 - 4s 型称重传感器 通过以上分析可知，对于配料皮带秤，可选用钢质的s 型称重传感 器，其连接方式采用关节轴承，处于受拉状态，其抗侧向力的能力强， 可安装于密封的梁内，结构紧凑。 4 ) 长线补偿技术 称重传感器一般都采用四线制连结方法，在制造和测试