（机械工程专业论文）粉料流量计量与控制系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 在建材、冶金、化工、电力、医药和食品等诸多生产领域，粉状物料的计量和 控制是常见问题。虽然固体物料流量计量与控制系统的研究与设计由来已久，产品 也很多，但在计量精度和系统集成度及产品成本降低等方面存在诸多改进余地。滑 槽式固体流量计便是其中之一。 当前，采集和控制设备中普遍采用专业仪表矛d p l c 两种方式。p l c 控制对设计人 员水平要求相对较低，用既有外围模块组合，然后依托相应支持软件制作梯形图完 成逻辑设计即可，但相对设备成本较高，不利于市场竞争；基于考虑小型企业的资 金问题，在达到技术设备可靠的前提下尽量减少投资，仪表控制流量计无疑是最佳 选择。 课题是在对德国申克公司的“d l d 型生料入窑计量喂料系统 的深入研究基础 上，结合我国现行实际情况，进行改造与重新设计的。系统借鉴国外已有产品的设 计思路，。根据国内的具体技术水平和产品需要，进行改进和重新设计。尊重原设计 的理论指导，在具体设计与元件选择上有所改进。机械设计部分基本不动，只在少 量的加工工艺和零部件上进行细节的小量的修改，以简化机械结构和加工工序。电 气控制部分进行元件的国产化设计，控制原理不变。电子仪表进行重新设计，软件 编程自行设计开发。 设计以系统整体优化设计为目标，包括机械部分的选型、电气控制部分的改进、 传感器的特性分析与选择、控制仪表的全新设计与程序的完全开发。 论文着重研究设计用仪表来控制流量计，主要是程序的设计满足流量计与设备 的需求，以及流量计、传感器与仪表之间的关系。在介绍流量计的原理及结构的基 础上，将仪表的硬件与软件组成详细化、结构化，分析了现场中仪表干扰的主要来 源，提出了硬件特点与软件控制的主要措施。最后根据要求从理论上论证了设计思 路，并计算出了理论参数。经过实验、调试，最终实现了任务要求。 关键词仪表；固体流量计；可靠性：抗干扰；精度；流量 a b s t r a c t i nb u i l d i n gm a t e r i a l s ，m e t a l l u r g y , c h e m i c a l ，p o w e r , p h a r m a c e u t i c a la n d f o o da n d m a n vo t l l e ra r e a so fp r o d u c t i o n , m e a s u r e m e ma n d c o n t r o lo fp o w d e rm a t e n 2 l i s1 s a c o i 锄0 np r o b l e m a l t h o u g ht h es o l i dm a t e r i a lf l o wm e a u s u r e m e n t a n dc o n 仃o ls y s t e m r e s e a r c ha n dd e s i g nal o n gh i s t o r y , m a n yp r o d u c t s ，b u t m e a s u r e m e n ta c c 砒a c ya n ds y 8 t e m i n t e g r a t i o na n dp r o d u c t sc o s t sal o to fr o o m f o ri m p r o v e m e n ti no t h e ra 3 p e c t s c h u t e1 s o n eo fs o l i df l o wm e t e r c u 玎e n t l v t h ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o l d e v i c e sc o m m o n l yu s e db yp r o f e s s i o n a l i n s t n 】m e n t a t i o na n dp l ci nt w ow a y s p l cc o n t r o lr e q u i r e m e n t sr e l a t i v e l yl o w l e v e l s0 士 t h ed e s i g ns t a f f , c o m b i n e dw i t he x i s t i n gp e r i p h e r a lm o d u l e s ，a n dt h e n 聆l y o nt h e a p p r o p r i a t es u p p o r ts o f t w a r et om a k el a d d e rl o g i c d e s i g nc a nb ec o m p l e t e d ，b u tt h e r e l a t i v e l yh i g hc o s to fe q u i p m e n ti s n o tc o n d u c i v et om a r k e tc o m p e t i t i o n ；o nt oc o n s i d e r t h ei s s u eo f 劬d i n gf o rs m a l lb u s i n e s s e s ，r e a c h e du n d e rt h ep r e m l s e o ft e c h n i c a 上 e q u i p m e n tr e l i a b i l i t y t om i n i m i z ei n v e s t m e n t ， i n s t r u m e n tc o n t r o l f l o wm e t e r1 s u n d o u b t e d l yt h eb e s tc h o i c e n er e s e 2 u r c hs y s t e mh a sb e e nt h ep r o d u c td e s i g nl e a r nf r o mf o r e i g ni d e a s ，a c c o r d i n g t ot h ed o m e s t i cn e e d so ft h es p e c i f i ct e c h n i c a ls t a n d a r d sa n dp r o d u c t s ，i m p r o v e m e n t a i l d r e d e s i g n r e s p e e rt h eo r i g i n a ld e s i g no ft h e o r e t i c a l g u i d a n c e ，t h es p e c i f i cd e s l g n a n d c o m p o n e n ts e l e c t i o nh a v eb e e ni m p r o v e d s p e c i f i c m e c h a n i c a ld e s i g no fs o m eo f t h eb a s i c f i x e d ，o n l yas m a l l 锄o u n to fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dp a r t s o nt h es m 2 l l ld e t a i l so f c h a n g e st os i m p l i f yt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s e l e c 讥c c o n i l 0 1p a n so fc o m p o n e 鹏m a d ed e s i g n ，s e l e c t a l lt h ec o m p o n e n t so fd o m e s t i cp a r t s c o n t r 0 1t h e o r yu n c h a n g e d r e d e s i g n o fe l e c t r o n i cd e v i c e s ， s o 跚撇 d e s l g n a l l d d e v e l o p m e n to ft h e i ro 、np r 0 野吼觚n 晷 一 d e s i g n e dt oo p t i m i z et h eo v e r a l ls y s t e md e s i g ng o a l s ，i n c l u d i n g t h es e l e c t i o no f m e c h a n i c a lp a r t s ，e l e c t r i c a lc o n 仃o lp a r to ft h ei m p r o v e m e n t ，a n a l y s i sa n d s e l e c t i o no ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o r s ，c o n t r o l i n s t r u m e n t sc o m p l e t e l yn e wd e s i g n 锄dp r o c e s s d e v e l o p m e n t t h i sp 印e rf o c u s e so nr e s e a r c hd e s i g nt oc o n t r o lt h ef l o wm e t e r sw i t hm e t e r s ，m 删y t h ed e s i g np r o c e s sa n de q u i p m e n tt om e e tt h e n e e d so ff l o w m e t e r , 卸df l o wm e 螂， s e n s o r s 勰di n s 仇皿e n t a t i o nr e l a t i o n s i ni n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e o ff l o w m e t e r sb a s e do nt h ei i l s 仉吼e mc o n t r o la n dg i v ed e t a i l s o ft h es t r u c t u r e ，a n a l y s l so f t h es i t e l i t h em a i ns o u r c eo fi n t e r f e r e n c ei nt h ei n s t m r n e n t ，m a d eo f h a r d w a r ef e a t u r e sa n ds o f t w a r e c o n t r o lo ft h em a j o ri n i t i a t i v e s f i n a l l y , u p o nr e q u e s tf r o mt h et h e o r e t i c a la r g u m e n t so f t h e d e s i g ni d e a s ，a n dc a l c u l a t et h et h e o r e t i c a lp a r a m e t e r s a f t e rc o m m i s s i o n i n g ，i n s t a l l a t i o n ， a n du l t i m a t e l yt h em i s s i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d si n s t r u m e n t ；s o l i df l o wm e t e r ；r e l i a b i l i t y ；i n t e r f e r e n c e ；a c c u r a c y ；f l o w i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 定量给料设备现在已经广泛应用于建材、冶金、化工、电力、医药和食品等各 行各业中，在建材行业中，从水泥生料原材料入磨、生料窑尾喂料入窑、水泥制成、 一直到混凝土的搅拌，使用自动配料和自动给( 喂) 料系统不仅能改善制品的性能，还 大幅度提高制品的产量；在电力行业中，定量给料系统应用于锅炉的定量供煤：在 化工行业化学制剂的比例供给，医药食品的定量包装以及炼焦工艺等都离不开定量 给料系统。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广泛应用，提高给料系统的自动化程度，具有 重要的现实意义。上世纪8 0 年代，我国引进了大量的国外先进生产技术，包括了德 国申克公司的全套的定量给料设备。一方面，进口设备昂贵的价格，让部分企业无 力承担，限制了企业自动化程度的发展，也影响了我国整体工业现代化的进程。另 一方面，电子工业的发展日新月异，早期的技术在一定程度上已经落后，不能再适 应现在的生产需求。 课题研究粉状物料在给料过程中的高精度计量和给料量自动调节，是对国外已 有成熟产品的引进、消化、吸收和改进，不但降低了开发新产品的风险，还大幅度 地降低了技术成本和生产成本。在进行国产化设计过程中，只是尊重原设计的设计 思想和指导理论，具体实现方法上则根据国内的各方面条件进行重新设计，全部电 子元件选择国内通用的产品，不仅大幅度地降低了生产成本，而且由于元件的可替 换性强，便于产品的维护与修理。价格的优惠，对于现有的国情市场开发是一个巨 大的贡献，也是国产技术走出国门的巨大潜力所在。因此，研究本课题，具有较高 的现实意义。 在定量给料的计量和控制过程中，大多数情况是对固体物料进行实时计量和控 制【1 卜【7 1 。固体物料简单分为颗粒料和粉料【8 】，颗粒料的粒度通常为1 - - 1 0 m m ，粉料 的粒度通常为0 1 4 7 - 0 9 9 m m ，具有一定的流动性，可采用流量方式测量。课题开发 的仪表适用于这两种物料的计量与控制，但整体系统主要适用于粉料测控的现场。 目前应用的固体流量测量设备有滑槽式流量计、冲量式流量计i 、皮带秤i9 1 、转子秤 【1 0 】、失重式流量计【1 1 】等。 滑槽式流量计又称溜槽式流量计，被设计为密封顺排式的计量系统，稳定可靠， 结构紧凑、防尘、量程范围大，可连续计量流量率4 t h - - 1 0 0 0 t h ，其适应能力强，性 能稳定，可靠性高，抗干扰能力强。可在线计量各种散状料度 3 0 m m 的固体物料， 1 河北科技大学硕士学位论文 计量准确度为士2 。 冲量式流量计也称冲板式流量计，其测量范围较广，可用于测量绝大多数固体 物料，测量范围可至1 0 0 0 t h 。其结构简单，安装维护方便，可适应恶劣的工业环境， 流量在满量程的2 0 1 0 0 范围内时，测量精度可达2 。但如遇断续物料流时， 影响计量精度。 皮带秤测量范围0 1 t h - - 2 0 0 0 t h ，流量在满量程的1 0 1 0 0 范围内时，理 论上测量精度可达o 5 1 。但容易受物料特性影响，发生皮带松动、打滑、 物料粘附等情况，往往达不到设计精度，而且运行环境不易密封，有可能出现粉尘 污染、原料损耗等问题。 失重式流量计测量范围为0 5 k g h - 9 0 t h ，实际应用精度可达o 2 5 。但仪器 对外部干扰敏感，进料期间称重传感器受冲击载荷大，无法精确测量流量。 综合各方面的因素，现在大多数厂家应用滑槽流量计，尤其以德国技术为主导 的产品，更受企业欢迎。 该设计基于滑槽式计量结构，即物料流通过专用弯头、导料槽进入曲面计量滑 槽，对滑槽产生一个作用力【1 1 】，带有变流装置斜槽的计量系统通过使用反冲击力来 获得流量率i i 引，通过引导槽，使物料处于平坦、不变的状态，再引导到斜槽中，以 避免震动。在计量斜槽上，物料将以放射线方向加速，从而使荷重传感器获得反冲 击力【1 3 1 。 测量和控制系统是具有高精度称重传感器和芯片组成的智能仪表，当散粒状物 料通过固体流量计内的测量溜槽时，由于溜槽的偏转而产生的垂直分力作用在荷重 传感器上。特殊设计的溜槽及测量装置使作用力和物料的流量成正比【1 1 】。荷重传感 器将力转变成电信号，并将电信号输入控制装置仪表进行处理。 系统用于计量粒度 5 m m ，温度 1 0 0 、水分1 、可以自由流动的散状物料 4 j 的定量给料环境，特别为工艺流程密闭、安装空间小的场合提供了一个经济有效 的方式。主要适用于物料流程密封、安装受限制或由于温度等原因其他同类产品不 能适应的场合。其适应能力强，性能稳定，可靠性高，抗干扰能力强。它可以与多 种形式给料设备组成一个闭环的控制系统，达到定量喂料，也可以单纯作为计量设 备用于检测生产过程中物料的流量。在建材、电力、化工、冶金、煤炭、轻工等行 业连续给料环节有着广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状分析 国外对固体流量计作了很多研究，产品应用范围广，设备使用效果好。2 0 世纪 8 0 年代以来，在国内使用的国外原装固体流量计产品主要是德国申克公司的产品和 日本大和衡器公司的产品。 2 第l 章绪论 ( 1 ) 德国申克公司的固体流量计，机械结构采用滑槽式结构，仪表多采用 玳t e c o n 卜p l u s 仪表【1 5 】。f c 0 4 0 3 仪表多与皮带秤定量给料系统配套使用。两种 仪表均在国内多家企业中长期使用，效果很好。但仪表价格昂贵，结构复杂，维护 不便。 ( 2 ) 日本大和衡器公司的固体流量计，机械结构采用冲击式的结构，仪表多配以 c f c 一10 0 仪表，仪表通用性较好，价格相对较低。但整体系统可靠性较差。 ( 3 ) 美国拉姆齐公司的m t 2 0 0 0 仪表和美国梅特勒一托利多的p a t h e r 仪表，通 用性好，安全可靠，但仪表价格昂贵，维护不便。 ( 4 ) 西门子公司的l 3 0 0 型固体流量计【1 6 】，适用于自由流动干燥固体散装粒料， 如砂子、谷物、塑料粒、种子和坚果连续、在线的称重计量。高精度、整体密封结 构、无零漂、低维护。 以上多家产品，仪表均已经形成模块化、系例化。但总的来说，价格昂贵，结 构复杂，一旦出现问题，往往不得不长时间等待和原厂交涉，以致生产停顿，造成 经济损失。 国内较早引进申克产品的三家单位分别是常熟机械厂、成都科学仪器厂、承德 自动化计量仪器厂。以承德自动化计量仪器厂为例，重新设计的任务始于9 0 年代初 期，现在企业已经宣布破产，下设的几家分公司进行独立经营。设计能力大大减弱。 现有多家企业设计生产此类产品，但大多属于以下几种情况： ( 1 ) 利用国外成熟的机械设计，进行仿制机加工，与进口仪表配套销售整体系统， 负责安装调试。依旧不能解决仪表昂贵的价格带给企业的负担与维护维修的不便。 ( 2 ) 经过引进、消化、吸收，部分仿制、部分重设计。比如t 承德原自动化计量 仪器厂下设的多家分公司。产品设计能力较弱，产品适应能力差，分立设备效果较 好，但都或多或少地存在整体系统优化上的缺陷。 ( 3 ) 北京的欧卡技术有限公司【1 7 】、武汉升科电气技术有限公司【1 8 】、西安奥能测 控科技有限公司、大连海华控制系统工程有限公司、安徽省滁州汇龙公司等多家企 业生产类似产品，但均未形成品牌。 课题在粉料流量计量与控制系统的整体性能优化上和仪表的先进设计上，都有 着明显的优势，尤其在产品适应能力的加强方面( 仪表既有良好的通用性，又有良好 的扩展性，以适于特殊使用) 有着重大意义。 1 3 论文主要研究的内容 系统研究是在充分明确滑槽式流量计结构和原理的基础上，开发一种高精度、 高可靠性、带自动控制功能的粉料流量计量与控制系统。论文的工作主要包括改造 固体流量计方案，设计仪表硬件电路，编写相关程序和测试分析系统误差与可靠性 3 河北科技大学硕士学位论文 等。 第一章绪论部分介绍了粉料流量计量与控制系统的选题背景和意义，分析了国 内固体流量计的研究和应用现状，提出了课题在粉料流量计量与控制系统的整体性 能优化上和仪表的先进设计上，都有着明显的优势，尤其在产品适应能力的加强方 面有着重大意义。 第二章介绍了德国申克公司的d l d 型生料入窑计量喂料系统，从系统组成结构 及工作过程叙述中，展示出了此系统中固体流量计机械结构的特点与计量原理，传 感器选型的独到之处。特别地介绍了系统的中枢部分i n t e c o n tp l u sv e g 2 0 6 1 0 仪表的硬件与软件组成和功能。 第三章研究了粉料流量计量与控制系统的整体结构与组成。讨论了提高固体流 量计测量精度、集成自动控制功能的方法，分析了固体流量计硬件系统的组成，讨 论了与设计密切相关的实时性、可靠性、维护扩展等问题。研究了仪表的硬件组成， 分析了流量测量、数据处理、流量控制、通信和电源等硬件电路的设计方法和理论 依据，讨论了线路板设计中的高速设计和抗干扰问题。详尽分析和研究了软件控制 策略的原理和方法，开发了一套特有的基于模型预测的多策略综合性智能p i d 控制 系统。详细介绍了仪表软件的模块设计，包括主程序、标定、各中断、测试、系统 设置等模块程序的开发。 第四章给出了用标准砝码模拟物料流量，对系统进行参数校正和测试的方法， 分析了传感器接线对流量读数产生的影响，介绍了现场运行情况。 第五章分析了系统的可靠性。系统整体可靠性源于系统的整体结构，包括机械 结构的可靠性、传感器性能的稳定性、工业控制器的可靠性、电动阀门的可靠性和 仪表设计的抗干扰能力几个方面，其中以仪表硬件和软件设计上的高抗干扰能力为 核心手段的系统可靠性分析为重点。 最后，总结全文工作，在控制理论依据、控制算法、控制实现方式、控制执行 机构( 阀门控制器) 、传感器选择与秤体结构等方面提出了改进设想。 产品( 参见附录d 中图d 1 所示) 在山东水泥厂某分厂运行近一年，整体状态良 好，计量精度与控制精度均优于国家j c 厂r 9 l 卜2 0 0 3 标准。用户反映良好。系统 计量和控制流量范围为0 , - - - 3 0 0 吨d , 时，流量测量累计误差 o 5 ，这一指标与国外 某型先进仪器相当，在稳定性上领先于该型仪器。系统结构简单可靠，易于维护， 有较好的应用前景。 4 第2 章申克d l d 型生料入窑计量喂料系统介绍 第2 章申克d l d 型生料入窑计量喂料系统介绍 德国申克公司的d l d 型生料入窑计量喂料系统是用于计量精度 5 m m ，温度 1 0 0 、水分1 、可以自由流动的散状物料的定量给料设备。主要适合物料流程密封， 安装受限制或由于温度等原因，其他同类产品不能适应的场合。其适应能力强，性 能稳定，可靠性高，抗干扰能力强。广泛应用于建材、煤炭、化工、电力、冶金、 等行业的定量给料环节。 2 1系统组成结构及工作过程。 2 1 1 系统组成结构 如图2 1 所示，德国申克公司的d l d 型生料入窑计量喂料系统包括料仓、电动 阀门( 图中的预给料机部分) 、固体流量计( 包括导流槽、计量滑槽、称量框架、传感 器支架等) 、称重传感器、计量与控制仪表、工业( 速度) 控制器( 包括驱动电机) 。 图2 - 1系统结构与组成框图 f i g 2 - 1 b l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n 5 量计 河北科技大学硕士学位论文 ( 1 )电动阀门不规则形状构成线性开度的机械结构阀门【1 1 】，用以限制物料的 流量。其中，驱动电机带动阀门开关；开度反馈电位器回测阀门开度；左、右限位 开关保护电机。 ( 2 )固体流量计称量物料流量的机械结构部分。包括导流槽、计量滑槽、称 量框架等。 ( 3 ) 称重传感器将重量信号转换为电信号的装置。 ( 4 ) 计量与控制仪表由硬件电路与软件程序组成。完成传感器流量电信号的 采集、a d 转换、数据处理、d a 转换与对电动阀门开度的控制。 ( 5 )电动阀门控制器将控制仪表给出的模拟控制信号转换为开度控制信号， 控制电机的转速。 2 1 2 系统的工作过程 由工业控制器驱动电机控制预给料机的电动阀门开启和关闭及开启的程度，使 料仓中的物料流通过专用弯头，沿导料槽进入固体流量计中的曲面计量滑槽，对滑 槽产生一个作用力，特殊设计的溜槽及测量装置使作用力和物料的流量成正比。称 重传感器将重量信号转换成电信号，送入仪表，由仪表进行处理。智能仪表中的程 序设计可使得计量值与给定值进行比较，变换成一定的算法，进行控制信号的输出。 控制信号由工业控制器转换成开度信号，直接控制电机的转速，从而驱动电动阀门 的改变，以适应给定的物料流量。 从系统的结构与工作过程可以看出，系统整体计量与控制精度的保证，关键在 于固体流量计的机械结构、传感器的选择和控制仪表的性能等方面。 2 2 固体流量计 2 2 1 流量计的机械结构 如图2 2 所示，固体流量计机械部分包括壳体、导向溜槽、测量溜槽、杠杆装置 和称重传感器支架。 ( 1 ) 壳体壳体是固体流量计基础部件，由钢板折弯焊接而成，下部有一个用来 固定在平台上或其它支承结构上的法兰，上部有一个与导向溜槽相连接的法兰。壳 体上有盖门供检修和拆卸测量槽用，盖门贴有橡皮密封圈子，用拾扣与壳体连接。 ( 2 ) 导向溜槽导向溜槽采用螺栓与壳体连接，物料通过导向溜槽时以一特定的 方向流进测量溜槽。导向溜槽的入口处配有密封橡胶环，它包裹着插进导向溜槽的 伸缩接头，可以防止物料粉尘从接口处飞出，而又不影响对料仓的称重。 ( 3 ) 测量溜槽测量溜槽与管状横梁相连。横梁横穿整个壳体，用两个橡胶膜片 密封，两端用杠杆装置相连。物料经过导向溜槽沿测量溜槽的曲面切线方向进入溜 6 第2 章申克d l d 型生料入窑计量喂料系统介绍 槽，物料流动方向对溜槽不会发生冲击的偏转，从而产生一个与流量成正比的测量 力。该测量力由械杆装置传至称重传感器。 f - 亿一 恤 现场焊接 i l 、l 一 l 7 廿j 一 、丁l 嫩 ， x 。 207 4 _ i d r _ c o s - 4 级彩 u o 弋一 t 一 7l，i l 搦、 躏脐正 e c 一 扩l - “卅1 鲁 j ， i b+ 760 图2 2 固体流量计的机械结构图 1 一 一 一 ? f i g 2 2 s o l i d sf l o w m e t e r sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a m ( 4 ) 杠杆装置杠杆装置是力的传递机构，它由两组十字簧片支撑，上部与测量 7 河北科技大学硕士学位论文 溜槽相连接，下部有起配重平衡作用的框架，框架上安装有配重块，以调整秤体皮 重零点，增加有效载荷。框架另一端装有一螺杆，与传感器受力柱相接触。 ( 5 ) 称重传感器支架称重传感器安装在与壳体相连的传感器支架上，支架顶板 装有接线盒。 2 2 2 流量计的结构特点与计量原理 物料通过专用弯头、导料槽进入曲面计量滑槽，对滑槽产生一个作用力，称量 框架通过两组十字簧片与壳体连接，作用力就以两组十字簧片的中心线为轴线形成 一个力矩。称重传感器的受力点与十字簧片的中心线的距离为力臂。该扭矩除以该 力臂，即为传感器受到的物料的作用力。( 物料在曲面滑槽上滑动所产生的摩擦力的 合力方向通过十字簧片中心支点，即该力臂为零，所以，摩擦力产生的力矩为零， 传感器只受到物料流的作用力，从而保证了计量精度) 。 因为设定的通过量都小于称量范围中的最大给料量，因此，物料流所产生的力 矩值小于最大量时的力矩值。为了满足设定量及l ：5 范围的计量精度，使传感器在 预先设定的最佳载荷范围内工作，就应改变传感器至十字簧片中心的距离力臂。物 料流的流量和容重不同，产生的力矩也不同，因此力臂也不同。该力臂是个计算值， 为力矩除以传感器设定载荷的商。因为十字簧片中心距挂码架的力臂为一固定值， 所以，该力矩除以该力臂就应该是模拟物料重的标定砝码的重量。 2 3 传感器 称重传感器采用z 6 f d l 金属波纹管密封型高精度传感器。波纹管型传感器有利 于缓冲，减少机械扰动，传递真实载荷，精度高，适于恶劣的工业环境。其外观如 图2 3 所示，尺寸图如图2 4 所示。图2 5 为传感器的接线示意图。 ，；茹秘 迎够拶 ： 瑶 图2 - 3z 6 f d l 传感器外观图2 - 4z 6 f d l 传感器结构( 5 k g - - - 5 0 0 k g ) f i g 2 3 z 6 f d ! l o a dc e l la p p e a r a n c e f i g 2 - 4 z 6 f d1l o a dc e l ls t r u c t u r a ld i m e n s i o n s 8 第2 章申克d l d 型生料入窑计量喂料系统介绍 c 灰) 传感器( ) ( 黑) 激励电源( ) ( 白) 重量信号( + ) ( 篮) 激励电源( + ) ( 绿) 传感器( + ) ( 红) 重量信号( ) ( 置) 接地 图2 - 5 传感器接线示意图 f i g 2 - 5w i r i n gc o d e 2 4i n t e c o n t p l u sv e g 2 0 6 1o 仪表 i n t e c o n tp l u s 是用于计量和控制喂料设备的计量计算系统。 ( 1 ) 仪表工作方式：分为重量工作方式( 即控制方式) 和容积工作方式( 即非控制方 式) 两种。在上行显示器的左边显示“v ，表明是容积工作方式，没有“v 显示， 表明是重量工作方式。 ( 2 ) 控制：在电源掉电期间，称量数据，标定结果，计数器数值等可无期限保存。 内部时钟继续计时大约5 天。上电后，自动测试显示器、信号灯，然后持续显示系 统的版本号几秒钟，最后，自动进入正常显示状态。 2 4 1 仪表硬件结构 v e g 2 0 6 1 0 仪表的硬件结构如图2 6 所示，有以下几个功能模块。 ( 1 ) 信号采集与处理模块：采集传感器的流量信号，进行转换、滤波、放大等处 理，送至a d 转换器。 ( 2 ) a i ) 转换模块：负责将流量信号、阀门位置反馈信号和流量设定信号转换为 数字信息，送至c p u 待处理。 ( 3 ) c p u - 仪表的核心处理单元，负责全方位的数据管理与运算处理。以实现系 统的在线实时控制。 ( 4 ) d a 转换模块：将流量与控制量进行数字到模拟信号的转换，以达到输出设 备形式要求。 ( 5 ) v i 和i v 变换模块：负责流量、控制量和流量设定的电压电流和电流电压 的变换处理。 ( 6 ) 光电隔离模块：将启、停等开关或状态量在输入输出过程中进行信号隔离。 9 河北科技大学硕士学位论文 控翻量v 舍出 蠢蛐出 图2 - 6v e g 2 0 6 1 0 仪表内部结构框图 f i g 2 - 6v e g 2 0 6 10b l o c kd i a g r a mo ft h ei n t e r n a ls t i u c t l j r eo fi n s t r u m e n t 2 4 2 仪表软件功能 仪表主功能选择【1 1 】有显示事件结果、设定零点、程序功能( 有下级菜单) 、标定功 能( 有下级菜单) 、打印计数器数值、显示器检测、启停预给料机、服务值、启停容 积方式、启停键盘方式、选择批量给料。其中两个下级菜单的内容如下： ( 1 ) 程序功能：读取参数、输入参数、装入缺省参数、打印参数、打印状态报表。 ( 2 ) 标定功能：启停模拟方式、除皮、砝码检查、皮带运行一圈的脉冲数、时 间设置。 2 4 2 1 皮带运行一圈的脉冲数( l b ) 程序运行可得到一个皮带周期内，速度传感器脉冲数量。脉冲数量用来作为程 序的皮带周期码。 1 0 第2 章申克d l d 型生料入窑计量喂料系统介绍 ( 1 ) 该程序只在下列情况下调入 首次校验； 安装新皮带或皮带长度有明显改变； 如果参数b 0 4 发生变化。 ( 2 ) 前提 调入程序前，皮带循环一圈所需要的时间测量要达到最大的精度，同时输入 到参数c 0 3 中； 传送带必须处于运行状态： 必须工作在容积方式，键盘控制，设定值为额定流量值。 ( 3 ) 程序运行显示状态上部显示：以秒为单位，表示程序剩余的运行时间； 下部显示：速度传感器的脉冲数。 ( 4 ) 程序结束显示状态上部显示：在总运行时间内，皮带速度的平均值； 下部显示：速度传感器输出的脉冲总数。 2 4 2 2 除皮( t w ) 运行除皮程序可以获得一个或多个皮带完整周期中，皮带称量的零点变化差值。 正常工作时，计量结果不断同此值进行比较并予以更正。原则上，此程序同调零程 序是相同的。 除皮程序：在试运行、维修、维护期间，获取基本皮重： 调零程序：获取运行中的零点偏差。 与调零程序不同，除皮程序的最大修正值是无限的。除皮后，重新取得的修正 值作为新的参考值。 ( 1 ) 前提条件 皮带必须处于空载状态； 对处于称量区域内的秤体机械设备进行清扫。清扫后，即出现的灰尘在操作 期间不需再清扫； 秤必须以容积方式运行，键盘控制，设定值为额定流量值。 ( 2 ) 程序运行显示状态上部显示：用百分比表示的剩余运行时间；下部显示： 用所占额定皮带负荷的百分比表示的平均皮重。 ( 3 ) 程序结束显示状态上部显示：与预先除皮结果比较，得到的皮重差值。差 值为正值，说明皮重增加；差值为负值，说明皮重减小。下部显示：总皮重的平均 值。单位为额定负荷的百分比。 2 4 2 3 调零程序( z e r os e t ) 调用调零程序不需输入密码。前提和显示与除皮程序相同。 2 4 2 4 砝码检查程序( c w ) 1 1 河北科技大学硕士学位论文 使用此程序对i n t e c o n tp l u s 计量准确性进行检查。称量段负荷可通过一 个或多个完整的皮带运行周期内，皮重和皮带负荷的平均值自动取得。所得结果同 预先设定值相比较后显示出来，但不进行自动更正。结果需要手动输入到参数d 0 2 中。 ( 1 ) 前提条件 除皮或调零程序已经运行结束； 把砝码值输入到参数c 0 8 中； 把砝码放在砝码支架上； 秤必须处于运行状态。 ( 2 ) 程序运行显示状态上部显示：用百分比表示的剩余运行时间：下部显示： 连续计量结果的平均值。 ( 3 ) 程序结束显示状态上部显示：程序运行期间内假定的喂料量；下部显示： 总程序运行时间内s e t a c t 的比值k o r ( 4 ) 结果评估： 差值小于1 ，k o r = 0 9 9 1 0 1 ：秤体正常，不需要进一步的调整： 差值小于5 ，k o r - - 0 9 5 1 0 5 ：将k o r 值输入到参数d 0 2 中。 差值小于5 ，k o r 1 0 5 ：偏差过大，说明技术数据出现错 误( 如：杠杆比不准确) 或机械秤体有错误( 如；称量架变形) 。 2 6 本章小结 综上所述，d l d 型生料入窑计量喂料系统仪表采集的准确、可靠，机械设备的 周到设计，使本套设备完全可以应用于实际连续生产中，作为坚固的中间环节。 1 2 第3 章粉料流量计量与控制系统的设计 第3 章粉料流量计量与控制系统的设计 设计以系统整体优化设计为目标，包括机械部分的选型、电气控制部分的改进、 传感器的特性分析与选择、控制仪表的全新设计与程序的完全开发。 其中以控制仪表的全新设计为核心，多年以来通过对申克产品的研究分析，总 结出了申克d l d 型生料入窑计量喂料系统产品的基本功能是对散状物料流量的采集 与控制，其仪表除了基本的数据采集与控制功能外，还具有相应的称量准确度的标 定、数据运算与管理参数设置及其他常规外围操作( 如收键、显示等) 功能。经过多种 仪表设计积累，仪表设计在尊重申克仪表功能与基本设计理念的基础上，采用通用 性强、性能价格比高、集成度高的芯片。以保障仪表乃至整个系统的可靠性、稳定 性及产品成本的下降。 3 1 系统设计 3 1 1 系统选型分析 ( 1 ) 机械结构选型分析第2 章已经对申克公司的产品“d l d 型生料入窑计量喂 料系统 的固体流量计的机械结构进行了详尽的说明，对d l d 型固体流量计的原理 做出了详细的分析。基于固体流量计的机械结构特点，物料通过导料槽进入曲面计 量滑槽时，对滑槽的作用力是沿曲面的切线方向的，由于滑动产生的摩擦力的力矩 为零，水平方向的分力又不起计量作用，传感器受到的有效作用力实际上只是物料 瞬时流过的重力。整个计量过程实质可以化简成瞬时称重，这就可以有一个定时间 断延续的效应，再配以其他的手段( l l 如预给料机的使用、软件采集信号延时等) ，也 就可以克服了大部分的物料间断下料造成的冲击。 滑槽式固体流量计的机械结构技术成熟，已经有多款产品在国内经过了2 0 多年 的使用，证实了其设计合理，抗冲击性好，计量精确，传感器的受力与物料流量成 正比，计量线性度好。所以系统设计延用原有的机械结构不变。 只是鉴于上述说明，对落料高度、导料槽的角度、导料槽与曲面滑槽的相对位 置，曲面形状及粗糙度、两侧的密封膜片等都有比较严格的要求。如果是通过式计 量，专用弯头与导料槽通过法兰硬性连接，若是定量给料方式，上部设标定仓，所 以专用弯头与导料槽之间是软连接。为了保证物料流均匀的通过计量滑槽，流量计 的安装必须与来料顺向或逆向安装。 ( 2 ) 可控预给料设备选型预给料机的形式( 物料由仓流向计量设备的控制) 有多 种方法，常见的有星形给料机、电动流量阀、螺旋输送机和振动给料机等。但电磁 13 河北科技大学硕士学位论文 振动器不可密闭，线性差，影响控制的实时性，弹簧钢板的故障率高，维护频率大。 电动阀门的优势在于控制流量稳定、反应灵敏、可密闭，适用于粉状物料。 所以，系统选择电动流量阀门作为可控的预给料设备，依靠气压使物料悬浮可 流动，适用于诸如大型水泥生产线的窑尾喂料。 ( 3 ) 预给料的控制设备选型对于电动流量阀的控制，较早使用的是申克的s e w 工业控制器，但价格昂贵；变频器比较可靠，控制简便，节省能源，但自身属于非 线性设备。目前，可控硅技术成熟，控制电路明确，可靠性高。 所以，为了加强控制能力、降低成本，系统对于阀门控制采用可控硅技术，也 可根据用户的需要，选择使用进口控制器，系统兼容。 ( 4 ) 传感器的选型分析称重传感器按转换方法分为多种类型，其中，以电阻应 变式使用最广。它利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹 性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4 部分组成。电阻应变片贴在弹性元件 上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，而导致电阻改变。测量电路测 出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以 数字形式显示出被测物的量。 z 6 f d l 波纹管称重传感器属于悬臂梁式电阻应变式压力传感器，测量精度高； 密封结构，适于恶劣的工业环境。所以延用申克的用法，选择z 6 波纹管称重传感器 作为系统的一次仪表，f d l 的精度等级完全可以满足系统要求。 3 1 2 改进思路 由以上分析确定，系统机械部分留用申克产品的滑槽式固体流量计的机械结构。 为了保证控制精度，系统选择电动流量阀门作为可控的预给料设备；为了降低系统 成本，系统采用的是可控硅技术，也可根据用户需求调换进口控制器，系统完全兼 容。 为了低成本增强系统的整体精度，优化系统结构。系统硬件以表帖元件体积小、 成本低为优势，软件以功能模块化，控制实时化，采样精确化，整体自动调节化为 目标，进行仪表的全新设计。 3 1 3 粉料流量计量与控制系统组成 如图3 1 所示，系统由料仓、电动阀门、固体流量计、称重传感器、计量与控制 仪表、工业控制器等几部分组成。其中计量与控制仪表作为全新设计部分，为系统 的主要技术领域，其他部分延用申克的用法或稍有选择性的改动，均与申克相关产 品兼容。 1 4 第3 章粉料流量计量与控制系统的设计 3 2 仪表的设计 图3 1 系统组成 f i g 3 一ls y s t e mc o m p o n e n t s 图3 - 2 仪表硬件组成框图 f i g 3 - 2 i n s t r u m e n t a t i o nh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 为实现固体流量计的控制要求，通过查阅各种资料，分析申克仪表中采用的各 河北科技大学硕士学位论文 部分电路的功能特点及使用芯片的特点，再通过网上搜索或其他渠道选择现行通用 的、性能价格比高、集成度高的性能优于或相近的芯片。采用自行设计的v e g 系列 自动化仪表对流量计实行智能化、数据化的控制，仪表的软件设计采用单片机c 5 1 编程。仪表内部组成框图如图3 2 所示。以完全集成的混合信号片上系统型m c u 一 c 8 0 5 1 f 0 6 0 为核心，除常规的键盘、显示外，主要包括仪表外围硬件和仪表内部逻 辑电路两大部分的设计。外围硬件完成对仪表各部件的供电、重量信号的采集与处 理、与上位机开关量信号和模拟量信号传递等任务。内部逻辑电路完成各种数据的 转换、运算、存储、锁定等任务。 3 2 1 仪表硬件设计 v e g 系列电子秤仪表的硬件在设计上采用先进大规模集成电路，其中绝大多数 为s m d 表贴元器件。在完成更多功能、更加人性化的同时，体积反而缩小，而大量 表面焊接芯片的使用使其更加稳定、耐用。 3 2 1 1 采集模块 采集模块包括传感器信号采集与处理( 采集、放大、滤波) 、传感器供桥补偿等 电路部分。 ( 1 ) 信号采集传感器输出的信号传至仪表的信号输入端，相对仪表为s i g ，根 据称重传感器特性得到：v 吼= v 。，i c p 。= 10 * 2 0