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基于一臺(tái)皮帶輸送機(jī)的多物料皮帶稱重控制系統(tǒng)
基于一臺(tái)皮帶輸送機(jī)的多物料皮帶稱重控制系統(tǒng)
上海香川電子衡器有限公司
【摘 要】 本文介紹了最新獲得發(fā)明專利的采用多種控制模式,特別是采用數(shù)字式稱重傳感器與
數(shù)字式積算控制器的在一臺(tái)皮帶輸送機(jī)上完成多物料定量/非定量的皮帶稱重控制系統(tǒng),該系統(tǒng)特別
適用于需要多物料配料的建材工業(yè)系統(tǒng)皮帶秤和火電廠多料倉(cāng)給煤機(jī)稱重系統(tǒng)。
一、引言
“連續(xù)累計(jì)自動(dòng)皮帶秤”有兩種計(jì)量形式,第一種計(jì)量形式是采用重量傳感器檢測(cè)到物料的單位
長(zhǎng)度的瞬時(shí)重量信號(hào),同時(shí)速度傳感器檢測(cè)到速度脈沖信號(hào)。通過(guò)控制系統(tǒng)將重量信號(hào)與速度信號(hào)
進(jìn)行乘積運(yùn)算,從而求得被計(jì)量物料的真實(shí)流量(輸送量),屬于非定量計(jì)量形式。另一種計(jì)量形
式是在上述真實(shí)流量的基礎(chǔ)上,使控制系統(tǒng)將被計(jì)量物料的真實(shí)流量和用戶設(shè)定的輸送量(設(shè)定量)
進(jìn)行逐次比較,其差值信號(hào)反饋給變頻器,用于調(diào)節(jié)輸送膠帶速度,從而保證被計(jì)量物料的真實(shí)流
量和設(shè)定量相一致,屬于定量計(jì)量形式。
目前市場(chǎng)上使用的連續(xù)累計(jì)定量/非定量自動(dòng)皮帶秤產(chǎn)品,均為一臺(tái)皮帶輸送機(jī)完成一種特定物
料的定量(或非定量)稱重,但是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需要多物料連續(xù)累計(jì)稱重與配料時(shí),只能在不同的皮帶輸
送機(jī)上,分別配置單一物料稱重的自動(dòng)皮帶秤產(chǎn)品,最后再匯總混合配料。這樣既浪費(fèi)空間,又浪
費(fèi)了設(shè)備的配置。另外,在電力系統(tǒng),由于料倉(cāng)高度的限制,要實(shí)現(xiàn)較大的給料量,給煤機(jī)的進(jìn)料
倉(cāng)在樓層標(biāo)高的限制下只能分成數(shù)個(gè)小料倉(cāng)。為此上海大和衡器有限公司研制開發(fā)了在一臺(tái)皮帶輸
送機(jī)上完成多物料定量/非定量皮帶稱重控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)選用具有4種不同的控制模式來(lái)適應(yīng)
不同的應(yīng)用場(chǎng)合,使得上述兩種現(xiàn)場(chǎng)的條件得以實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目已于2011年12月獲得國(guó)家專利局批
準(zhǔn)授予的發(fā)明專利證書。
二、連續(xù)累計(jì)模擬模式
該模式由多組稱重裝置中的稱重信號(hào)與一個(gè)測(cè)速器的速度信號(hào)分別送入多個(gè)稱重控制儀表,經(jīng)
積分演算,多個(gè)儀表分別送出多個(gè)給料量信號(hào),再由總控制器完成多種不同物料的給料量信號(hào)數(shù)據(jù)。
請(qǐng)參閱圖1、圖2中A、B、C三個(gè)進(jìn)料口同時(shí)給料時(shí),A、B、C三組稱重裝置中的稱重信號(hào)WA、
WB、WC與一個(gè)主電機(jī)測(cè)速器的速度信號(hào)S,分別送入三個(gè)CFC-201積算控制儀表Cont.A、Cont.B、
Cont.C,儀表分別對(duì)傳感器的稱重(重量)電壓信號(hào)和測(cè)速傳感器的速度脈沖信號(hào)進(jìn)行
處理和計(jì)算,經(jīng)積分演算,三個(gè)儀表分別送出三個(gè)給料量信號(hào)QA、QA+QB、QA+QB+QC,通過(guò)串
口轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)模塊,進(jìn)入計(jì)算機(jī)完成三種不同物料的QA、QB、QC給料量信號(hào)數(shù)據(jù)分別計(jì)算與顯示。
圖1 連續(xù)累計(jì)模擬模式方框原理圖
P21P41SE0P40
模擬稱重式傳感器
5SE0P41(速度脈沖輸入)
P40(公共端)
261314SE2344S3SCFC-2012CON11234568F-CN1P21A(DC6V輸入)28P21B(DC15V輸入)
CN245326Cont.B5SE3LOADCELL53S44S23SE33SE3243S4S5
接線盒TB33S324S4SE35LOADCELL6
模擬稱重式傳感器
5SE0P41(速度脈沖輸入)
P40(公共端)
261314SE3344S3SCFC-2012CON11234568F-CN1P21A(DC6V輸入)28P21B(DC15V輸入)
CN245326Cont.C
三串口
轉(zhuǎn)以太
網(wǎng)模塊
RS232RS232RS232
接線盒TB0
顯示
QAQBQCPG5SE1LOADCELL13S44S23SE13SE1243S4SP40P21P41SE05
接線盒TB13S324S4SE15LOADCELL2
模擬稱重式傳感器
速度傳感器
電源
信號(hào)
公共端
5SE0P41(速度脈沖輸入)
P40(公共端)
261314SE1344S3SCFC-2012CON11234568F-CN1P21A(DC6V輸入)28P21B(DC15V輸入)
CN245326
計(jì)算機(jī)PCCont.A5SE2LOADCELL33S44S23SE23SE2243S4S5
接線盒TB23S324S4SE25LOADCELL4
圖2 連續(xù)累計(jì)模擬模式電氣原理圖
稱重計(jì)算過(guò)程如下:
假設(shè)輸料皮帶的運(yùn)行長(zhǎng)度為l,運(yùn)行的時(shí)間為tl,在時(shí)間tl里輸送的物料量為Q,則Q可表示為方
程(1)
Q= (kg) (1)
0tlWvdt∫
其中,W:?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度皮帶上的料的重量(kg/m)
V:皮帶的運(yùn)行速度(m/s)
由方程(1)可知,只要測(cè)出單位長(zhǎng)度上的料的重量和皮帶的運(yùn)行速度,就可以求得在時(shí)間tl里
輸送的物料的重量。
W的值可根據(jù)模擬式重量傳感器測(cè)出,測(cè)出的值為模擬量,v的值可根據(jù)速度傳感器測(cè)出,測(cè)
出的值為數(shù)字量。
CFC-201型積算控制儀表將模擬量W在儀表內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,得出數(shù)字量W,然后將此
數(shù)字量W與測(cè)速傳感器測(cè)出的數(shù)字量v通過(guò)CFC-201積算控制儀表內(nèi)部進(jìn)行積分運(yùn)算。如下:
①Cont.A控制儀表作用,= AQ∫tlAvdtW0
②Cont.B控制儀表作用,+=∫+ AQBQtlAvdtW0∫tlBvdtW0
③Cont.C控制儀表作用,++=++ AQBQCQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0
Cont.A,Cont.B,Cont.C稱重儀表,型號(hào)為CFC-201。
最后,分別將三個(gè)積算控制儀表計(jì)算出的在時(shí)間tl里面的總的重量值以串口通訊方式發(fā)送到計(jì)
算機(jī),計(jì)算機(jī)收到此數(shù)值后,可以顯示在顯示器上,我們可以根據(jù)顯示器上的值,進(jìn)行簡(jiǎn)單的減法
運(yùn)算,分別得出最終的A、B、C三種物料的累計(jì)重量,如下:
AQ= ∫tlAvdtW0
BQ=+-=+- AQBQAQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlAvdtW0
CQ=++--=++--
AQBQCQAQBQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0
三、連續(xù)累計(jì)數(shù)字模式
該模式由多組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號(hào)與一個(gè)測(cè)速器的速度信號(hào)分別送入數(shù)字式總控制器,
直接得到多種不同物料的給料量信號(hào)數(shù)據(jù)。請(qǐng)參閱圖3、圖4。A、B、C三個(gè)進(jìn)料口同時(shí)給料時(shí),
三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號(hào)DA、DB、DC與一個(gè)測(cè)速器的速讀信號(hào)S分別送入CFC-500型數(shù)字式
積算控制器,控制器對(duì)三路傳感器的稱重(重量)數(shù)字信號(hào)和一路測(cè)速傳感器的速度脈沖
信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算,經(jīng)積分演算,直接得到三種不同物料的QA、QB、QC給料量信號(hào)數(shù)據(jù)。
圖3 連續(xù)累計(jì)數(shù)字模式方框原理圖
35SE5LOADCELL53S44S235SE6LOADCELL63S44S23P21P41SE0P40PG
電源信號(hào)公共
端
ADC2AMP2ADC3AMP3ADC4AMP4ADC5AMP5ADC6AMP6
數(shù)
字傳感器
1
數(shù)字
傳感器
2
數(shù)字
傳感器
3
數(shù)字傳
感器
4
數(shù)字
傳感器
5
數(shù)字傳
感器
6
速度
傳感器
QAQBQCCFC-500Channel 1Channel 2Channel 3LCD顯示配合減法運(yùn)算
5SE1LOADCELL13S44S235SE2LOADCELL23S44S23ADC1AMP15SE3LOADCELL33S44S235SE4LOADCELL43S44S2
圖4 連續(xù)累計(jì)數(shù)字模式電氣原理圖
1、數(shù)字式流量積算及運(yùn)算過(guò)程:
圖4為數(shù)字稱重傳感器得出的值。分別為,+,++ AWAWBWAWBWCW
然后通過(guò)CFC-500型三通道數(shù)字式積算控制器,該控制器既有流量積算控制,又具有一般運(yùn)算
器的功能,抗干擾,可靠性高等功能,因此可分別算出,,。 AQBQCQ
2、稱重計(jì)算過(guò)程如下:
由上述連續(xù)累計(jì)模擬模式(1)中的方程(1)可知,只要測(cè)出單位長(zhǎng)度上的料的重量和皮帶的
運(yùn)行速度,就可以求得在時(shí)間tl里輸送物料的重量。其中W的值可根據(jù)數(shù)字式重量傳感器測(cè)出,為
數(shù)字量。v的值可根據(jù)速度傳感器測(cè)出,也為數(shù)字量。
CFC-500型三通道數(shù)字式積算控制器具有3路數(shù)字量分別同時(shí)進(jìn)行積算的功能,即能將3組不
同的數(shù)字量W和v同時(shí)處理,進(jìn)行積分運(yùn)算,并能在儀表的顯示屏上顯示出來(lái)。如下:
Channel 1:=
;
AQ∫tlAvdtW0
Channel 2:+=+
;
AQBQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0
Channel 3:++=++
。
AQBQCQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0
上式中Channel 1,Channel 2,Channel 3為儀表CFC-500的3個(gè)數(shù)字量積算通道。其中Channel
3為三種物料的總連續(xù)累計(jì)輸送量。
最后,,+,++的值將在儀表的顯示屏上顯示出來(lái),使用者可以根據(jù)此3
個(gè)值,簡(jiǎn)單的進(jìn)行減法運(yùn)算,如下:
AQAQBQAQBQCQ
AQ=
;
∫tlAvdtW0
BQ=+-=+-
;
AQBQAQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlAvdtW0
CQ=++--=++--
。 AQBQCQAQBQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0
上式中、、分別為A、B、C三種物料的連續(xù)累計(jì)輸送量。 AQBQCQ
四、料位定量給料控制模式
根據(jù)設(shè)定的三種不同物料的給料量,三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號(hào)與一個(gè)測(cè)速器的速度信號(hào)
分別送入數(shù)字式總控制器,直接得到三種不同物料的實(shí)際給料量信號(hào)數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較,分別自動(dòng)
調(diào)節(jié)三個(gè)進(jìn)料口處的料層高度,以便保證三種不同物料的設(shè)定給料量。參閱圖5、圖6中A、B、C
三個(gè)進(jìn)料口同時(shí)給料時(shí),根據(jù)設(shè)定的三種不同物料的qA、qB、qC給料量,三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)
字信號(hào)DA、DB、DC與一個(gè)測(cè)速器的速度信號(hào)S分別送入CFC-500型數(shù)字式積算控制器,控制器
儀表對(duì)三路傳感器的稱重(重量)數(shù)字信號(hào)和一路測(cè)速傳感器的速度脈沖信號(hào)進(jìn)行處理
和計(jì)算,經(jīng)積分演算,直接得到三種不同物料的實(shí)際流量信號(hào)QA/t、QB/t、QC/t數(shù)據(jù)與設(shè)定流量值
qA/t、qB/t、qC/t比較,由積算控制儀表發(fā)出流量差值QA/t - qA/t、QB/t - qB/t、QC/t -qC/t指令,分別
由氣動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)三個(gè)進(jìn)料口處的料層高度,以便調(diào)整三種不同物料的實(shí)際流量
QA/t、QB/t、QC/t與設(shè)定流量qA/t、qB/t、qC/t保持一致。
CBA
數(shù)字式積算控制器
數(shù)字式稱重
傳感器
速度傳感器
比例調(diào)節(jié)器1
比例控制
比例控制
比例控制
比例調(diào)節(jié)器2
比例調(diào)節(jié)器3Q -q /AA((tQ -q /BB((tQ -q /CC((tq /Btq /Atq /Ct
圖5 料位定量給料控制模式方框原理圖
圖6 料位定量給料控制模式電氣原理圖
根據(jù)上述連續(xù)累計(jì)數(shù)字模式(2)的說(shuō)明,已經(jīng)清楚怎樣利用數(shù)字傳感器和數(shù)字控制器準(zhǔn)確地
計(jì)算出3種不同物料的總重量,F(xiàn)說(shuō)明利用上述數(shù)字控制器和數(shù)字傳感器,然后再結(jié)合其他一些部
件,就能準(zhǔn)確完成定量給料的過(guò)程。其詳細(xì)描述如下:
首先,數(shù)字量控制儀表CFC-500除了具有上述介紹的功能外,還具有以下2個(gè)功能:(假設(shè)在
時(shí)間t內(nèi),物料的累計(jì)重量為Q,然后Q/t為單位時(shí)間的重量,即為流量。)
(1)能夠接收外部給定的4-20mA的流量設(shè)定信號(hào),這里我們將此定義為:,,
。
tqA/tqB/
tqC/
(2)能在顯示屏上顯示3個(gè)不同通道計(jì)算出的3個(gè)瞬時(shí)流量值,并且能以4-20mA的形式輸
出,我們將此3個(gè)值定義為:,,。 tQA/tQB/tQC/
我們將其對(duì)應(yīng)的差值信號(hào):(tqQAA/).,(tqQBB/).,(tqQCC/).分別通過(guò)比例調(diào)節(jié)
器3、比例調(diào)節(jié)器2、比例調(diào)節(jié)器1,分別輸出一個(gè)合適的電控制信號(hào),這個(gè)電控制信號(hào)作為輸入量
給氣動(dòng)電磁閥或驅(qū)動(dòng)電機(jī),從而產(chǎn)生和輸入信號(hào)成比例的輸出量——力。該力又作為輸入量加給氣
動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制其閥門的位置,從而改變進(jìn)料口的料層高低來(lái)改變進(jìn)料的多少,通過(guò)此閉
環(huán)控制,可以將設(shè)定流量和實(shí)際瞬時(shí)流量的差值接近于零,從而實(shí)現(xiàn)三種不同物料的定量控制。此
控制方式稱之為比例控制,比例控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),首先在于其轉(zhuǎn)換過(guò)程是可控的,設(shè)定值可無(wú)級(jí)調(diào)
節(jié);其次在于方便迅速,可精確地實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)過(guò)程,滿足切換過(guò)程要求。
但是,如果改變了A物料的流量的同時(shí),也在改變B物料的流量,甚至也在改變C物料的流
量,那會(huì)造成非;靵y的局面,為了防止這種不利局面,CFC-500儀表具有有序定量給料的功能,
雖然是3個(gè)通道,但是我們將通過(guò)儀表內(nèi)的邏輯控制接點(diǎn)的開閉來(lái)實(shí)現(xiàn)物料的有序定量控制(如上
圖中輸入2和輸入3的情況),A物料的定量控制一旦完成后,其閥門位置將保持不動(dòng),然后調(diào)整
B物料,B物料的定量控制一旦完成后,其閥門位置也將保持不動(dòng),最后調(diào)整C物料,一旦C物料
調(diào)整完成后,整個(gè)過(guò)程就結(jié)束了。
該方案在實(shí)現(xiàn)三種不同物料的定量控制的同時(shí),也可采用上述連續(xù)累計(jì)數(shù)字模式(2),通過(guò)
實(shí)際輸出量QA、QB、QC的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)連續(xù)累計(jì)稱重功能。
五、速度、料位定量給料控制模式
根據(jù)設(shè)定的一種主原料和兩種副原料的給料量,三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號(hào)與一個(gè)主電機(jī)
測(cè)速器的速度信號(hào)分別送入數(shù)字式總控制器,直接得到三種不同物料的實(shí)際給料量信號(hào)數(shù)據(jù)與設(shè)定
值比較,其中主原料的給料量差值由主電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn),兩種副原料的給料量差值通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)
兩個(gè)進(jìn)料口處的料層高度,以便保證三種不同物料的設(shè)定給料量達(dá)到要求。參閱圖7、圖8中A、B、
C三個(gè)進(jìn)料口同時(shí)給料時(shí),根據(jù)設(shè)定的一種主原料qA和兩種副原料qB、qC的給料量,三組數(shù)字稱重
裝置中的數(shù)字信號(hào)DA、DB、DC與一個(gè)主電機(jī)測(cè)速器的速度信號(hào)S分別送入CFC-500型數(shù)字式積算
控制器,儀表對(duì)三路傳感器的稱重(重量)數(shù)字信號(hào)和一路測(cè)速傳感器的速度脈沖信號(hào)
AB
進(jìn)行處理和計(jì)算,經(jīng)積分演算,直接得到三種不同物料的實(shí)際流量QA/t、QB/t、QC/t信號(hào)數(shù)據(jù)與
設(shè)定流量值qA/t、qB/t、qC/t比較,其中主原料的流量差值QA/t-qA/t,由積算控制儀表發(fā)指令給主
電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn),兩種副原料的流量差值QB/t - qB/t、QC/t -qC/t通過(guò)積算控制儀表發(fā)指令由氣
動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)兩個(gè)進(jìn)料口處的料層高度,以便保證三種不同物料的實(shí)際流量QA/t、
QB/t、QC/t與設(shè)定流量q/t、q/t、qC/t保持一致。
根據(jù)控制模式(3)說(shuō)明了比例控制來(lái)進(jìn)行定量給料的原理。本控制模式需改變其中一個(gè)執(zhí)行
方式,副原料B和C的物料仍舊分別通過(guò)比例調(diào)節(jié)器2和比例調(diào)節(jié)器3來(lái)控制調(diào)節(jié)B處和C處閥門的
開度來(lái)改變流量,而主原料A的給料控制是通過(guò)比例調(diào)節(jié)器1來(lái)控制改變皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而
改變A物料的流量。也就是說(shuō):比例調(diào)節(jié)器1實(shí)現(xiàn)了皮帶速度定量控制,比例調(diào)節(jié)器2和比例調(diào)節(jié)
器3實(shí)現(xiàn)了料位定量控制。該控制模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三種不同的物料的稱重與定量輸送,與此同時(shí)也
可采用連續(xù)累計(jì)數(shù)字模式(2)的方式,通過(guò)實(shí)際輸出量QA、QB、QC的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)總的累計(jì)輸送功能。
本控制模式的控制原理與控制模式(3)基本一致。其反饋控制原理方框圖見圖8。
圖7 速度、料位定量給料控制模式
六、結(jié)論
本發(fā)明通過(guò)在一臺(tái)皮帶輸送機(jī)上完成了多種物料定量(或非定量)連續(xù)累計(jì)稱重。多組稱重裝
置同時(shí)用于一臺(tái)皮帶輸送機(jī)上,通過(guò)多次比較的四種控制模式實(shí)時(shí)測(cè)量單種物料與總計(jì)物料的給料
量。
圖8 速度、料位定量給料控制模式
本方案的一個(gè)顯著技術(shù)特點(diǎn)是:在皮帶秤上首次采用了數(shù)字式稱重傳感器與數(shù)字式積算控制器
的控制模式(2)、(3)、(4),傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng),具有優(yōu)異的負(fù)荷特性、蠕變特性、溫度
特性、防潮防爆特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性?蓪(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無(wú)干擾數(shù)字輸送,特別適用于現(xiàn)場(chǎng)稱重傳感器
和演算控制儀表之間距離較長(zhǎng)的場(chǎng)合。
本方案的另一個(gè)顯著技術(shù)特點(diǎn)是:由于多通道工業(yè)稱重儀表技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)調(diào)節(jié)儀表內(nèi)的邏
輯控制接點(diǎn)的開閉時(shí)序,使得多點(diǎn)差值比例調(diào)節(jié)反饋控制技術(shù)在多物料稱重輸送系統(tǒng)中得以有效應(yīng)
用。該方案隨著稱重儀表通道數(shù)的增加,以及軟件技術(shù)的不斷發(fā)展,將適用于更多種物料的稱重控
制系統(tǒng)。
本方案主要目的為了在一條皮帶輸送機(jī)上實(shí)現(xiàn)多物料同時(shí)計(jì)量的混配料系統(tǒng);其次,由于很多
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)料倉(cāng)高度和占地面積的限制,如要實(shí)現(xiàn)較大的給料輸送量,通過(guò)本方案的實(shí)施可以大大降
低空間高度與占地面積。
目前基于一條皮帶輸送機(jī)的多物料定量連續(xù)累計(jì)稱重控制系統(tǒng)的四種控制模式已開始部分應(yīng)
用于火電廠多料倉(cāng)給煤機(jī)稱重控制系統(tǒng)中,相信隨著數(shù)字式稱重傳感器與數(shù)字式積算控制器在皮帶
秤領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣將會(huì)受到更多用戶的青睞。