（机械工程专业论文）自动称量系统的研究与优化.pdf

同济大学硕士学位论文摘要 摘要 自动称量系统是自动混料系统的重要组成和核心部分，它进军工业自动化生产是一种社 会要求和历史的必然趋势。因为它可以提高劳动生产率。保证产品质量的稳定，解决工作环 境的污染。解决配料人员繁重的体力劳动。目前国内所有的自动称量系统绝大部分都是进口， 国内自主设计生产的系统无论在生产能力、称量精度、稳定性都与国外同类系统有一定的距 离。 本课题研究的主要目的就是基于国风现用的三套自动称量系统，综合国内同行业其它企 业所用的系统和参考国外的研究现状。通过定性地对各个主要环节进行分析研究和相关实验， 总结出各自的工作原理、故障诊断信息、优化措施和方法，为在设计和正常使用该类系统， 以及技改时提供一定的技术参考。 本文主要分五部分进行阐述。第一部分简单阐述自动称量系统的国内外研究现状及本论 文研究的总体思路；第二部分介绍二种常用自动称量系统的组成及各自的工作原理，如小料称 量、主料称量及其控制系统；第三部分详细地对称量系统各主要组成电气元件进行分析和实验， 总结出各自的故障诊断信息和纠正措施，如变频调速部分、a d 转换器、传感器；第四部分对 称量系统的称量精度进行综合地分析，综合、归纳出所有影响称量精度的因素，称量精度和运 行稳定性的好坏是考核一个称量系统运行好坏的主要指标；第五部分对系统进行定性和定量 地分析，画出其结构方框图，并推出各个环节的相关函数关系式，通过s i m u l i n k 软件进行建 模和仿真，考虑速度控制是系统控制的一个关键，速度控制的稳定性是通过p l c 内p i d 参数 的有效设定而定，通过反复仿真确定p i d 各参数有效范围，以便系统在软件程序上进行改进 和改善。 本课题通过分析、实验和参考相关国内外相关资料，对自动称量系统进行较为全面的分 析和研究，总结、优化出相关方法和方案。目前国内对自动称量系统还处于应用和改进完善 阶段，这正是本论文研究的实际意义所在，也是我们工程硕士所要解决和面临的实际问题。 由于编写时，时间比较仓促、编写过程中考虑不够缜密、加上水平有限，因此，本设计必然 存在一些缺点和错误，恳请指导老师和各位评阅老师给予批评指正! 【关键词】自动称量系统；称量精度；变频器；a d 转换器；传感器；建模仿真 同济大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e mi st h ei m p o r t a n ta n dc o r ep a r to ft h ea u t o m a t i cm i x i n gs y s t e m ， i tb e c o m e so n eo ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o np r o d u c t i o n ，t h a ti st h es o c i a lr e q u i r e m e n t sa n dt h e h i s t o r i c a lc e r t a i nd i r e c t i o n ，b e c a u s ei tn o to n l yc a l lr a i s et h el a b o rp r o d u c t i v i t ya n dk e e pt h e q u a l i t ys t a b l e ，b u ta l s oc a ni m p r o v et h ep o l l u t i o no ft h ew o r ka r e aa n dd e c r e a s et h eh e a v y w o r k l o a do ft h ew o r k e r s a tt h ep r e s e n ta l lt h ed o m e s t i ca u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e mn e a r l ya r e i m p o r t e d ，t h eh o m e l a n ds y s t e m sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db yo u r s e l v e se x i s tt h eq u i t ed i s t a n c e w i t ho v e r s e a ss y s t e m so nt h et h r o u g h p u t ，w e i g h i n gp r e c i s i o n ，s t a b i l i t y o nt h eb a s eo fg u o f e n gc o m p a n y st h r e es e t so fa u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e ma n dt h ed o m e s t i c a n do v e r s e a ss a m es y s t e m sr e s e a r c h i n gs t a t e ，t h r o u g ha n a l y z i n gq u a l i t a t i v e l ye a c hm a j o rp r o c e s s ， a n dm a k i n gt h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t s ，w ew i l ls u m m a r i z ee a c hw o r k i n gp r i n c i p l e ，d e f a u l t d i a g n o s t i c i n f o r m a t i o na n do p t i m i z e t h er e s e a r c h i n gi n t e n t i o no ft h et a s kw i l lp r o v i d et h e t e c h n i c a lr e f e r e n c ed u r i n gd e s i g n i n g ，c o n t r o l l i n ga n dr e b u i l d i n gt h es y s t e m f i v ep a n sw i l lb es t a t e ds y s t e m a t i c a l l yi nm ya r t i c l e 1 t h ec u r r e n tr e s e a r c h i n gs i t u a t i o ni nb o t hd o m e s t i c sa n do v e r s e a sa n dt o t a la p p r o a c h e so ft h e a u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e ma r es t a t e db r i e f l y ； 2 t h ec o m p o s i n ga n de a c hw o r k i n gp r i n c i p l eo ft w ok i n do fa u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m sa r e d e s c r i b e d ，s u c ha st h ew e i g h i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h em a i na n da u x i l i a r y ； 3 t h em a i ne l e c t r i cc o m p o n e n t so f a u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da n dt e s t e di nd e t a il ， t h a tc o n t r i b u t e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no fe a c hd e f a u l td i a g n o s t i ci n f o r m a t i o na n ds o l u t i o n ，s u c h a st r a n s d u c e r ，a dc o n v e r s i o na n ds e n s o r s ； 4 a st h ei m p o r t a n ti n d e xo fs y s t e m ，t h ew e i g h i n gp r e c i s i o no ft h es y s t e mi s a n a l y z e da n d i n t e g r a t e dt h ed e t e r m i n a t i o no fa l lr e a s o n so ft h ep r e c i s i o np r o b l e m ； 5 t h es y s t e ma r ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ya n dm a d et h es t r u c t u r ep a n ed r a w i n g ， t h a ta r ec o n c l u d e dt h ef u n c t i o nr e l a t i o nf o r m u l ao fe a c hp r o c e s s ，m o d e l e da n de m u l a t e db yt h e s i m u l i n ks o f t w a r e a st h ei m p o r t a n tp a r to ft h es y s t e mi ss p e e dc o n t r o l l i n g ，s t a b i l i t yo ft h e s p e e dc o n t r o l l i n ga r ed e t e r m i n e dt h r o u g hs e t t i n ge f f e c t i v e l yt h ep i dp a r a m e t e r so fp l c t h e e r i e c t i v ea r e ao fe a c hp i dp a r a m e t e r si se m u l a t e di no r d e rt oi m p r o v eo nt h es o f t w a r ep r o c e s s t h r o u g ha n a l y z i n g ，t e s t i n ga n dc o n s u l t i n gt h ec o r r e l a t i v ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd o c u m e n t s ， w eh a v ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nd e t a i l ，s u m m a r i z e da n dm a d eo p t i m i z e a tt h ep r e s e n tt h e d o m e s t i ca u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e mw o u l ds t i l lb ei m p r o v e d ，t h a ti st h e a c t u a lm e a n i n go ft h e a r t i c l ea n da l s ot h a ti so u re n g i n e e r i n gm a s t e rn e e dr e s e a r c ha n dr e s o l v ei ti nt h ea c t u a lw o r k ，a n d t h er e s e a r c hc o u l db eu s e di nm o r ef i e l d s i nt h ep r o c e s so fc o m p o s i n g ，b e c a u s eo fl i m i t e dt i m e ， c o n s i d e r i n gc a r e l e s s l ya n dw i t hl e s sk n o w l e d g e ，t h ed e s i g ne x i s t ss o m es h o r t c o m i n ga n df a u l t s ，i c o n s u l ty o uf a c u l t ya d v i s e ra b o u tc r i t i c i s ma n dg u i d a n c e k e y w o r d s ：a u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m ；w e i g h i n gp r e c i s i o n ；t r a n s d u c e r ；a dc o n v e r s i o n ； s e n s o r s ； m o d e l i n ga n de m u l a t i o n i i 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成博士硕士学位论文! 自动鏊量丕统的硒究皇笾 世。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：勿刃钉 弘年囊具号e t 同济大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 自动称量系统即根据人为控制指令和设定，通过微机控制自动配料和自动称量计重，并 能自动纠偏、报警和显示的系统。该系统是自动混料系统的一个重要组成部分，也是核心部 分，因为只有设计和应用好的自动称量系统才能保证混出的干混料的品质和提高混料能力。 自动称量系统按所称原材料的性质主要分为主料称量、小料称量及微料称量，其中小料称量 是三种称量中最重要和最复杂的。 1 1 国内外研究现状及发展动态 自动称量系统研究和开发的目的是提高劳动生产率，追求规模效益，替代原有手= 作坊 式生产，运用科学技术提高产品质量、产量和稳定性。该系统现已应用于塑料、食品、医药、 化工等大型加工业中。该系统最先在欧洲得到研究和开发应用。8 0 年代随着机械加- 丁业，检 测与转换技术及自动控制理论的发展和应用，该系统得到飞速的发展和推大应用。国内外企 业中，德国对该系统的研究和推广具有较大的优势，如德国的科倍隆( c o p e r i o n ) 公司、 德国的莱梅特( r e i m e l t ) 公司、德国的蒂森亨息尔( t h y s s e nh e n s c h e l ) 公司都是世 界上知名的设计和生产混料系统的专业厂家，各家在设计和生产混料系统的核心部分( 自动 称量系统) 时都有不同的特色和专利。目前各家在控制系统上的研究和应用都人同小异，都 比较成熟，程序控制都随着市场的升级而升级，都是应用p c 机和p l c 及各种电气元气件，实 现称量过程的自动控制，如自动称量、自动下料、远程诊断及各种出错报警等功能。各生产 厂家目前都在一方面对生产过程控制进行更细更深地研究和完善，尽量做到过程控制的最优 化，在保证系统设计生产能力的前提下，尽量提高系统精度；另一方面，各厂家都在精选和 精制各种执行元件( 如风机、旋转阀、弯管、电气元件等等) ，通过改进各执行元件的性能， 不但可以提高系统的称量精度，还可以提高系统运行的可靠性和稳定性及使用寿命。 我国设计和生产该类系统的厂家很少，如青岛高校软控股份有限公司设计的小料自动称 量系统与国外厂家同类产品无论在性能和生产能力方面都有一定距离。9 0 年代由于塑钢门窗 的开发和推广，我国才成套从国外引进该类系统，至今全国塑料、食品等行业已从国外引进 上百套该类系统，引进最多的是塑料行业，如大连实德、芜湖海螺、安徽国风等国内已形成 一定规模的塑料型材生产厂家所应用的混料系统全部是德国生产的，总之目前国内所运用的 成套混料系统9 0 是进口。目前国内外设计商和生产厂家都在不断的完善该系统，都在想方 设法提高系统的可靠性、经济性、可操作性、安全性及处理物料的质量稳定性和称量准确性。 1 2 系统概括 自动称量配料系统的设计和应用是为了提高劳动生产率，保证产品质量稳定，解决工作 环境污染，解除配料工作人员繁重的体力劳动而开发的机电一体化设备。以往配料大部分是 人工进行，人为因素对产品质量稳定性影响较大，生产能力受限制，此类设备生产的关键是 自动称量系统，国内外正在运行的各种配料机组，通过研究发现，称量精度、效率、维保及 对物料处理和环境影响等方面都在不同程度上有待完善和提高。 自动称量系统就设备控制可分为电气控制部分和机械控制部分。电气部分主要通过p c 第1 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 1 绪论 机和p l c 及各种电气元件对整个称量过程实现程序自动控制、实时监控和运行故障自动诊断 等功能，可根据用户的具体要求增加有关功能。机械控制部分主要有旋转阀、螺杆、风机等 执行元件，它们性能的好坏将直接影响称量系统运行的精度和稳定性及使用寿命。 自动称量系统按所称原料的种类和份量可分为：小料称量、主料( p v c ) 称量及微料称 量，有些系统将小料称量和微料称量合并为一。小料自动称量系统主要通过螺旋加料器、阀 门、变频器，调速电机、秤体( 硫化床或特制橡胶材料构成) ，运用自动检测与转换技术及 p l c 控制技术来保证称量的精度和稳定性：大料称量系统主要通过风机( b l o w ) 、变频器、 高速旋转阀( r o t a r yv a l v e ) 、秤体( 特制的不锈钢料仓) 、除尘器，运用自动检测与转换技术 及p l c 控制技术来保证称量的精度和稳定性；微料称量的组成和工作原理与小料称量相似， 只是各组成部分的型号较小而精度提高。在自动混料系统中，大料称量和小料称量是互相配 合，且要相互匹配，因为自动混料过程中，每批混料都是首先按预先设定好的配方进行自动 配料，而小料和大料又都是配方中必不可少组成部分，通常一旦系统称量指令打开，大料称 量和小料称量是同时开始，相互独立，互不影响，大料一般指主料( 如p v c ) 在配方比例中 占80 左右，小料在p v c 型材配方体系中有几种，是辅助性材料( 如碳酸钙、钛白粉等) ， 小料的称量是按配方中的先后顺序自动按序称量。大料称量和小料称量虽然过程互不干涉， 但在设计系统中，既要分别考虑两者的称量精度，又要考虑两者的同步性，只有两者称量过 程的时间差不多，才不影响整个称量系统的运行能力和经济性，因为混料过程是要将大料和 小料同时或先后下到混料机热混并混合均匀达到一定的温度。只有两者都称量完毕后才有下 料信号反馈至p l c ，才能开始自动混料，若大料称鼍快于小料称量将造成大料称量完毕后， 等待小料称量，相反小料将等待大料，这样将造成两者间相互等待，增加单批混料时间，浪 费整个混料时间，影响整个混料系统的混料能力。例如，进口混料机每小时能混7 批干混料， 如果因为称量速度慢或大料小料称量不同步( 相互间存在等待时间) ，都将制约混料机混料能 力的发挥，从而制约整个混料系统混料能力的发挥。因此在设计自动称量系统时要考虑该系 统与混料系统的相容性和匹配性。 1 3 研究的基础和目的 由于塑钢门窗是继木、钢、铝之后的第四代新型建筑材料，该产品具有良好的物理性能、 耐侯性、防火性和绝缘性能，目前已得到广泛的推广和应用。国内所有塑料型材生产厂都应 用自动混料系统以提高生产质量和生产能力，而自动称量系统又是自动混料系统的核心，因 为只有应用好的自动称量系统才能保证干混料的品质，从而从源头确保产品的性能和稳定， 及提高混料能力。通过对设计商和生产商多年的经验和分析总结得出影响千混料质量的因素 有： ( 1 )混料设备( 70 ) ( 2 )混料工艺( 20 ) ( 3 )原料( 10 ) 其中混料设备和混料工艺都涉及自动称量系统，如果自动称量系统运行不可靠和精度不 高将导致称量不准确和配方的配比失常，将对最终型材产品产生以下影响： l 、颜色不正常，发灰和发黄； 2 、挤出制品的尺寸不稳定； 第2 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 1 绪论 3 、成品的表面可能塑化不好，有流痕或无光泽； 4 、成品的机械性能不好和不稳定。 本篇论文是在国风连续从德国引进三套自动混料系统的基础上及研究同行业混料系统的 基础上进行分析、总结和优化，研究的目的是剖析现有的自动称量组成，分析各部分的组成、 工作原理及相互关系，总结一些实用经验，为以后的工作( 如维护、技改和引进) 提供一些 参考。 1 4 研究的思路和内容 本课题是基于国风引进的三期自动混料系统( 自动称量系统是其核心部分) 的基础上， 参考研究其它生产厂家及国内外的研究现状，进行定性地和定量地分析研究，并应用现代仿 真软件s i m u l i n k 对系统中的速度控制进行建模和动态仿真，总结、归纳出具体优化措施和方 法。研究的内容包括： 1 自动称量系统的概述； 2 自动称量系统的组成和种类； 3 自动称量系统的电气部分分析； 4 称量的系统精度分析； 5 系统的建模和仿真。 第3 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 2 称量系统的组成及工作原理 2 称量系统的组成及工作原理 称量系统是混料系统的重要组成部分，它的作用是根据预先设定好的配方，自动完成整 个称量过程。称量根据所称量原材料的性质可以分为微料称量、小料称量和主料称量，在p v c 型材行业中，由于p v c 大约占整个配方体系组成重量的80 ，我们称其为主料； t i 0 2 、 c a c 0 3 等辅助原料，我们称其为小料：酞青兰等在配方体系中占很小比例( 一般一批只有几 十克至几百克) 的原料称量称为微料称量，对应以上几种称量，国内外生产厂家都用不同的 装置称量。由于小料称量和微料称量原理相似及微料称最在整个称量系统中所占的比例份量 和作用相对来说很小，本篇论文将对微料称量不作说明。 2 1 小料称量 2 1 1 小料称量的组成。 小料称量一般采用机械计量装置，这种装置一般有小料仓、变频器、计量螺杆( 调速电 机) 、传感元气件、秤体等元气件组成。具体如系统流程简图2 1 所示。 图2 1 小料称量流程简图 ( 本图仅以一个螺杆说明其工作原理，一个秤体通常可以配备五个以上螺杆) l 、光电限位开关：当开始倒料，打开盖子，光电开关感应到信号并反馈至p l c ，p l c 启动 除尘装置和振动电机，除尘开始。 2 、振动电机：防止倒料时过滤筛架料。 3 、小料仓：作用是临时储料，配有倒料口和除尘器，使用时打开盖子并通过光电开关，开启 除尘装置起到除尘效果。 4 、料斗：起过渡作用，此装置设计非常重要，要考虑小料罐内物料的架桥。 国外生产厂家主要采用2 种特殊料仓。一、德国莱梅特( r e l m e l t ) 公司的专利是硫化 床系统( f l u i d i z i n gs y s t e m ) ，该系统料斗是双层材料构成，且双层间有间隙，外层是用不 锈钢材料制造，内层是一种p e 材料做的内衬，p e 材料表面有许多微小气孔，另外还有一个 气囊和脉冲发生器等辅助元气件组成。当下科时，硫化床开始工作，脉冲发生器工作，间断 第4 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 2 称量系统的组成及工作原理 式打开气囊上的电磁阀。压缩空气气体间断式进入料斗间隙，由间隙再通过p e 材料内衬上 的微小气孔进入料仓内吹动料，防止料挂壁和架桥。二、德国科倍隆( c o p e r i o n ) 公司采 用一种钢制料斗，四周加振动器，防止架料和挂壁现象，这种设计要求料斗内表面的光洁度 和振动器的选择很重要。 5 、抽板阀：该阀一般是手动打开和关闭，正常生产打开，一旦出现故障需要检修料斗下面的 螺杆时才需要手动关闭该阀。 6 、计量螺杆：由调速电机通过减速箱驱动向秤体输料。 7 、调速电机：由变频器控制其运行速度的高低和监控其运行情况。 8 、下料阀( 蝶阀) ：与计量下料螺杆同步工作。 9 、过渡( 软) 连接：目前称量系统通常采用2 种软连接：布袋软连接和软橡胶皮连接。该连 接要有一定的弹性，否则下料时膨胀，冲击秤体，影响称量的精度。 1 0 、称量元件( 传感元件) ：目前的称量系统通常采用3 个压力传感器并联组成称量元件。 l l 、秤体：目前国内外混料系统制造商采用2 种装置保证每次下料后料斗内的料下净：一种 是r e i m e l t 公司的专利产品f l u i d i n gs y s t e m ：另一种是的德国科倍隆公司专利产品，一种 用特殊橡胶材料做成的料斗，加上环行振动器达到这种效果。秤体上面要加泄压装置( 如布 袋) ，以便称量或下料时料斗内的气压外泄，减小对秤体冲击，提高秤的称量精度。 1 2 、下料阀( 蝶阀) ：下料阀下面也要接过渡( 软) 连接，以免下面设备运行及振动对上面秤 的称量精度产生影响。 2 1 2 工作原理 一、倒料部分。当打开料仓盖板时，光电开关感应一个信号并反馈至p l c ，p l c 默认该部分 工作；同时开启料仓除尘装置和振动电机。 二、当开始称量时，首先下料阀8 打开，如果出错，称量系统不工作。( 1 ) 高速称量时，料 仓的f i u i d i n gs y s t e m ( 或振动器) 工作，防止物料架桥和挂壁；由于正常情况f 低速 称量的份量很小，为了减少对秤体的影响，f l u i d i n gs y s t e m ( 或振动器) 不工作。( 2 ) 调速电机按变频器设定的速度带动计量螺杆运转下料，变频器义受p l c 控制，速度的大 小是预先在p l c 程序中设定好的。( 3 ) 整个称量过程受p l c 控制，任一环节出故障系 统都停止工作并报警提示。 2 2 主料称量 主料称量又叫大料称量，是由于该称量的成份在整个配方比中占绝大部分。由丁考虑其 用量大，具体称量不可能用一个小的临时料仓加一个螺旋加料器来实现，目前国内外混料系 统设计和制造商在设计一套混料系统时，为了配合大料的连续称量和保证生产能力，都配套 建了一个大料倒料站和一个大料仓，用以存储大料。要称量时可以随时从大料仓中称取大料。 大料称量按其称量的方式不同可以分为正压输送称量和负压( 真空) 输送称量。 2 2 1 正压输送称量( p r e s s u r e t y p ew e i g h e r ) ( 一) 、系统流程图 该称量系统主要有正压风机、大料仓、变频器、高速旋转阀、秤体( 带除尘装置) 、传 第5 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 2 称量系统的组成及工作原理 感元件等辅助元气件组成，具体如系统流程简图2 - 2 所示。 图2 2 正压输送称量流程简图 l 、风机：旋转活塞式风机，产生压缩空气用于通过管道输送大料仓中的原料。 2 、气囊：用于临时储气，稳定风机的工作气压和消音作用。 3 、压力表：检测风机的输送气压并反馈一个开关量至p l c ，保护风机，当检测气压大于设 定的保护值时报警。 4 、消音器；减少泄压时的噪音。 5 、蝶阀：与消音器配合，当压力表检测风机的工作气压大于设定值时，则5 打开，风机气压 从5 和4 临时泄出。 6 、蝶阀：正常工作时打开。 7 、高速旋转阀( r o t a r y ) ：由变频调速电机通过减速箱驱动，起控制下料流量作用。 8 、大料仓：储存主料，与倒料站等辅助元气件组成一个大料倒料系统。 9 、过渡件( 软连接) ：连接输料管与秤体，减少输送称量过程中气流、料流和管道震动对秤 体的冲击，振动影响，提高称量精度。 1 0 、除尘泄压装置：带有滤芯，反吹电磁阀和脉冲发生器。当称量时压缩空气从滤芯的气孔 泄出，粉料落下，反吹除尘装置给滤芯脉冲反吹气压防i 卜滤芯堵料和挂料，保护滤芯和维持 泄压正常。 1 1 、称量元件( 传感元件) ：通常采用3 个压力传感器并联组成测量电路。 1 2 、秤体：通常采用不锈钢制造的料仓( 内壁光滑，带震动器) ，防止架桥和挂壁。 1 3 、蝶阀：下料阀，通过软连接与下游管道连接，软连接主要是减小下游设备的震动对秤体 的影响。 ( 二) 、工作原理： ( 1 ) 当系统启动开始称量时，风机l 。蝶阀6 和反吹电磁阀1 0 同时工作，延时5 2 0 秒( 根 据具体情况定) ，高速旋转阀7 开始工作。当秤上料达到设定值，首先高速旋转阀7 首先停止 工作，延时5 1 5 秒清理管道中的余料后，风机l 、蝶阀6 、反吹装置1 0 同时停止，蝶阀5 打 开泄压，一次称量完毕，秤上的原料等待下料信号。 ( 2 ) 当称量过程中，检测压力表检测风机管道气压过大，高速旋转阀7 停止工作( 不下料) ， 风机继续工作，延时5 3 0 秒( 根据具体系统而定) ，在此时间段内如果检测气压小于保护气 压系统又开始正常工作，否则风机过载立即停止j 亡作，系统报警，这时必须去检查整个系统， 第6 页共4 9 页 同济大学硕上学位论文2 称量系统的组成及工作原理 找出故障。 2 2 2 负压( 真空) 输送称量( v a c u u mw e i g h e r ) ( 一) 、系统流程图： 负压( 真空) 称量系统主要有负压风机、大料仓、球阀、秤体( 带除尘装置) 、传感元 件等辅助元气件组成，系统流程简图如图2 3 所示。 图2 3 负压( 真空) 输送称量流程简图 l ( 7 ) 、进气筒：带有过滤网，起补充气体和消音作用。 2 ( 8 ) 、蝶阀：通断管路。 3 、大料仓：储存原料( 主料) 。与倒料站、除尘器、高低料位等元气器件组成一个倒料系统。 4 、手动球阀：与进气筒组合，向供料管道补充部分空气，减少风机压力，也可设计成自动碟 阀自动控制。 5 、球阀：不用蝶阀主要是减少原料流动对阀芯磨损和增加阀腔密封度。 6 、软连接：减少输送称量时，气流、料流和管道对秤体的冲击和振动影响。 9 、过滤器：防止抽料时，反吹除尘装置的滤芯损坏，原料通过损坏滤芯被抽入风机主体，损 坏风机。 1 0 、p i c ：压差控制器，检测过滤器两端压力差。当压力差大于设定值反馈至p l c 报警，要 检查整个系统的过滤器是否有损坏和堵塞现象。 l l 、p i ：压力显示器，时时检测风机的工作压力，并设定风机的保护气压值，大于设定值且 时间超出程序设定的时间时风机过载，停止工作。 1 2 、负压风机：工作时使大料秤。管道及料仓间形成压差，达到抽送原料。 1 3 、反吹除尘装置：有脉冲发生器、电磁阀、滤芯等组成，产生脉冲气压清除滤芯表面粉尘， 减少风机工作压力和保护滤芯。 1 4 、称量元件( 传感元件) ：通常采用三个压力传感器并联组成测量电路。 1 5 、秤体：特制的不锈钢料仓，内壁光滑，装有震动器，防止原料架桥、挂壁现象。 1 6 、蝶阀：下料阀，当有下料信号时自动打开，下面接有软连接过渡，减少下游设备对秤体 的冲击和震动，提高称量精度。 第7 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文2 称量系统的组成及工作原理 ( 二) 、工作原理： ( 1 ) 当系统启动开始称量时，风机是( y - ) 运行，首先是阀8 打开，风机低速启动，延时 5 2 0 秒自动转为高速，同时阀8 关闭，球阀5 反吹除尘装置1 3 同时动作。当称量值达到设 定值时，球阀5 关闭，同时蝶阀2 打开，进气，清理管道中余料延时1 0 6 0 秒( 据具体情况 而定) 后，风机由高速转为低速，同时阀8 打开，补气。一个称量过程结束，系统等待下料 信号。 ( 2 ) 当风机在抽料过程中，如果风机压力显示器l l 检测到风机过压，则反馈一个信号至p l c ， p l c 打开阀2 补气，抽料减少，清理整个管线，当压力下降到设定值以下，阀2 又关闭，又 正常抽料；如果过载时间超出p l c 程序设定的时间则阀8 打开由进气筒7 补气，停止抽料工 作，同时系统报警，需要检查系统。 2 3 控制系统 一个称量系统的设计必须涉及大料称量、小料称量，有时还要涉及到微料称最，因采用 多工位、多秤同时工作方式，对控制系统的实时性和综合性要求较高。根据各配料工位操作 具有相同的动作特点，及不同秤同时工作，同时停止的一致性，自动称量配料系统通常采用 计算机、p l c 来控制机械动作，高精度电子秤称量及各种参数设定输入，数据检测和数据的输 出。该控制系统可分为设备控制级、系统控制级和管理级。 2 3 1 控制结构框图( 如图2 - 4 ) ： 管卜- 一1 一p lc 系统控制 l 理j 一一 ! 级卜一可1 一f 厂，一 l 4 一_ + 二j j 、厂十f 一二f i 一 f 一1 ， ! 称1 称2 ! 称3 l 一网络线 一控制线 图2 4 系统控制结构框图 图中称1 、称2 、称3 分别代表不同称量装置 2 3 2 设备控制级： 根据工艺的特点，每个工位动作和操作基本一致性，按工位配置控制设备是合理的。设 备控制级主要完成单元操作。采用智能配料控制装置，主要完成自动称量、给料、破拱( 防 架桥、挂壁) 、下料等动作，可按配方要求进行称量重量和允许误差的设定，并能按系统控制 命令，自动完成各种动作，系统自动和手动可互转。 2 3 3 系统控制级： 控制级是自动称量系统的控制核心，采用工业上常用的p l c 作为控制计算机，控制整个 系统的运行，保证控制系统的可靠性。每台秤，接到p l c 发出的指令后进行操作每个动作、 第8 页共4 9 页 同济人学硕士学位论文2 称量系统的组成及工作原理 信号的控制均由p l c 进行，控制称量、下料、破拱、报警、输送等动作。 在整个控制系统中，分自动工作方式和手动工作方式。自动工作方式即整个系统的全部 动作均由计算机控制自动完成，自动工作方式有自动称料、自动下料、自动输送、自动校验， 动作准确连续严格按工艺要求进行。手动工作方式主要在系统调试中，系统不正常或系统维 护时使用，每个动作由操作按纽手动控制完成，通常是每个动作对应一个控制按纽。 自动工作方式和手动工作方式可以实现无扰动切换。保证了系统的运行，提高了系统的 可操作性和可维护性，但在手动和自动互换时要注意是否影响整个混料系统的其它部分的有 效运行。因为称量系统仅是混料系统的一部分。 2 3 4 管理级： 目前混料系统的设计，其管理级采用功能强大的个人计算机，与控制级、设备级通过 r s 4 8 5 总线或其它形式构成计算机控制网络。主要完成配方管理( 其中包括配方输入、配方 修改、配方打印、配方复制等) ，配方运行( 其中包括配方下传、参数下传、配方运行) ，数 据报表( 含日报表、运行记录、物料统计、出错统计等) 。参数设置( 含生产量及相关参数) ， 还包括系统运行状态的监视、数据采集、完成生产量、故障提示报警、料仓低料位、高料位 报警等功能。为了便于系统的调试、维修方便，现场控制部分可分为手动控制和自动控制工 作方式，通过管理级控制计算机可反映出整个系统运行基本情况。 第9 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文3 电气元件的原理分析和故障诊断 3 电气元件的原理分析和故障诊断 自动化称量系统主要有电气部分和机械部分组成，电气部分是其核心部分，因为电气部 分是具体动作的发出者，机械部分是执行者，电气部分控制着整个系统运行的质量，同时为 系统运行出现故障时提供诊断信息。称量系统主要的电气元器件有p l c 、变频器、调速电机、 传感元件、a d 转换器等。本章将对国风现有三期自动称量系统的电气元气件的工作原理进 行定性分析，在系统上做有关实验并总结出有关故障诊断信息和解决方法，供现场维保使用 和借鉴。 30 1 变频调速部分 现有称量系统变频调速部分主要有p l c ( s i e m e n s ) 、变频器( d a n f u s s5 0 0 1 2 8 0 5 ) 及 交流调速电机组成。工作原理是p l c 根据人为预先在程序中设定好的频率参数，转化为 4 2 0 m a 的模拟信号，驱动变频器，输出相应频率和电压的电源驱动三相交流电机按照想要 的速度带动螺杆运转，完成下料动作。 3 1 1 变频工作原理。 由于称量系统为了其经济性和紧凑性通常是用一个变频器按配方程序设定先后驱动5 - 6 调速电机。由于系统要求的调速精度不高，系统调速控制采用的方式是开环u f 控制。异步 电动机的转速n = 6 0 f x ( 1 s ) p ，其中p 是电机极对数，s 转差率，f 是所供电源频率，对 现有电机，p 和s 都已同定，只有通过改变其所供电源频率调速。u f 控制在改变电源频率 的同时控制变频器的输出电压，使电动机磁通保持一定，在广范围内调速运转时电动机的效 率、功率因素不下降，否则，如单改变电源频率，电机内部阻抗也改变，将产生由于弱励磁 引起的转矩不足，由于过励磁引起的磁饱和现象，都使电动机的功率因素和效率显著下降， 异步电动机的工作特性可以利用下图3 1 的t 形图等效电路求出，图中忽略铁损。 r l s 图3 1 异步电动机的t 型等值电路 r l 一定子电阻r 2 一转子电阻l l 一定子漏感l 2 一转子漏感 给异步电动机各相施加电压u l ，则流过定子电流i l ，如等值电路如示，定子电流1 1 分为 励磁电流i 。和转子电流1 2 i 。流过互感线圈m 时产生磁通，此磁通用气隙磁通巾g 表示。 设m 两端产生的感应电动势为e 1 ，则励磁电流i m ，气隙磁通巾g ，感应电动势e l ，转子电流 第l o 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 3 电气元件的原理分析和故障诊断 1 2 有下列关系： 巾g = m i m e a = jw l m i m = jw i 巾g 1 2 = e l ( r z s ) + jw l l 2 】 以上关系用矢量图表示和数据推导可得： t ( w s r 2 ) 玎r 2 2 + ( w , l 2 ) 2 】( e 1 tf l y 由g = e l jw l = e 1 j 2 f l w 。为转差角频率 所以只要e l f l 一定，则电动机产生的转矩决定于转差频率，气隙磁通由g 就一定，就不 会产生有弱励磁或过励磁引起的不正常现象。 由于n 和漏抗w l l l 所产生的电压分量相对于u l 来说很小，即可定性地分析e l 丝u ! ( 即 e l f l = u 1 f 1 ) ，所以变频时只要u l f l 一定，就能保证e l f i 一定。 总之，d a n f u s s 5 0 0 1 2 8 0 5 变频器的调速具有以下性质： ( 1 ) 利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电电源的电压和频 率进行调速。 ( 2 ) 变频器内部用晶闸管、电子晶体管等静止变频装置构成变频电源对异步电动机进行 调速。 ( 3 ) 它的变换方式是间接式变换方式( 交一直一交变频) 。即把交流电通过整流器变为直 流电，再用逆变器将直流电变为频率可调的交流电供给异步电动机。 ( 4 ) 调速原理是一种电压型交频调速。整流输出，经电感电容滤波，具有恒压源特性， 逆变器具有反馈二极管，是一种方波电压逆变器。变频器对三相交流电动机提供可调的电压 与频率成比例的交流电源。内部设置与整流器反向并联的再生逆变器，以便停机时实现再生 制动，具体如简图3 2 所示。 l v v y y y zl = =弋z 2 、i | | j if| 2、 弋 乙2 j 电动机 图3 - 2 电压型变频调速原理图 3 1 2 控制构成：( 如简图3 3 ) 简图3 3 为u f 控制的基本组成，图中所示为采用p w m 晶体管变频器的控制情况，但它 主回路的构成不限定于此，各种方式都可以作为控制的基本结构，除上述的电压模式发生部 分外，还有给定加减速时间的倾斜信号发生部分和防止过电流，过电压于未然的加减速抑制 部分。 第l l 页共4 9 页 同济大学硕士学位论文 3 电气元件的原理分析和故障诊断 图3 3w lu f 控制的基本构成简图 3 1 3 根据电动机电流选择变频器容量 采用变频器驱动异步电动机调速，在异步电动机确定后通常应根据电动机的额定电流来 选择变频器或者根据异步电动机实际运行中的电流值( 最大值) 来选择变频器。通常应令变 频器的额定输出电流( 1 0 5 一1 1 ) 电动机的额定电流( 铭牌值) 或电动机的实际运行中 的最大电流。即 i i n v ( 1 0 5 一1 1 ) i n 或( 1 0 5 一1 1 ) i m a x 式中i i n vt 变频器额定输出电流( a ) ； i n：电动机额定电流( a ) ； i m a x ：电动机实际运行中的最大电流( a ) 。 若按电动机实际运行中的最大电流来选定变频器时，变频器的容量可以适当缩小。虽然 本系统是一台变频器驱动多台电机运行，但是各个电机的运行是按照先后顺序轮流运转且电 机型号一致，电机功率较小，工作特性相似，所以可用单台电机利用上述原理对本系统变频 器容量进行选择，己知三相异步电动机的铭牌值为0 7 5 k w ；3 8 0 4 5 0 v 2 0 5 a ，故可选择 的交频器的i i n v 为： i m v ( 1 0 5 一1 1 ) i n - - - - - ( 1 0 5 2 0 5 一i 1 2 0 5 ) 即 i m v ( 2 1 5 - 2 2 5 ) a 所以系统采用d a n f u s s5 0 0 1 变频器( 1 l n v = 2 2a ) 是即能满足系统运行需要又比较经济合 理。 3 1 4 常见故障 d a n f u s s5 0 0 1 2 8 0 5 变频器，前面带有信息显示屏，一旦与变频器有关部分出现电气故 障