第五屆全國(guó)稱重技術(shù)研討會(huì)論文集

    [摘要] 主要介紹一種對(duì)螺旋給料機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的螺旋配料工藝秤，可應(yīng)用于粉末狀或具有一定粘度物料的配料工藝控制流水線上或配料系統(tǒng)中。

    關(guān)鍵詞：螺旋給料 工藝秤 流量計(jì) 閉環(huán)控制

1.概述

    隨著社會(huì)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)程度越來(lái)越高、手段越來(lái)越先進(jìn)，特別是近來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)保問(wèn)題給予足夠的重視、人們對(duì)環(huán)保意識(shí)也在不斷的提高。所以如何減少環(huán)境污染，提高自動(dòng)化程度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保障生產(chǎn)的可靠性、安全性，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益是人們普遍關(guān)心的問(wèn)題。近幾年來(lái)，許多大中型企業(yè)對(duì)原有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)，特別是化工、冶金、建材等行業(yè)。

    2000年底，應(yīng)某催化劑廠的工藝要求，我公司與其它廠家經(jīng)過(guò)為期一年左右時(shí)間共同對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，2002年5月正式投入運(yùn)行，使用效果較好，具體表現(xiàn)在以下幾方面：生產(chǎn)效率提高近4倍；采用DCS控制系統(tǒng)，工藝控制平穩(wěn)、穩(wěn)定；系統(tǒng)可靠性大大提高；綠色設(shè)計(jì)和人性化設(shè)計(jì)得到充分體現(xiàn)；產(chǎn)品質(zhì)量和合格率明顯提高；節(jié)能效果顯著。方案設(shè)計(jì)初，選用皮帶輸送機(jī)進(jìn)行物料輸送，由于物料（鋁石和高嶺土）的特殊性，粉末狀，流動(dòng)性相當(dāng)好，采用皮帶進(jìn)行輸送，漏料問(wèn)題成了一大解決難題。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)線上有臺(tái)螺旋給料機(jī)，我們借此機(jī)會(huì)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)推敲，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，考慮直接對(duì)螺旋給料機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，如果可行，這樣不但可以很容易解決漏料問(wèn)題，減輕對(duì)環(huán)境的污染，減少對(duì)人身的傷害，而且還可省去皮帶輸送機(jī)（含電子皮帶秤），節(jié)約一筆資金，帶著一連串的問(wèn)題，我們開(kāi)始進(jìn)行嘗試性的改造設(shè)計(jì)，現(xiàn)在產(chǎn)品使用效果較好，滿足生產(chǎn)工藝的要求。

2.系統(tǒng)工作原理

    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電子螺旋配料秤對(duì)輸送的物料進(jìn)行計(jì)量，由電腦積算儀對(duì)接收的重量和速度信號(hào)處理后轉(zhuǎn)化為累計(jì)值和瞬時(shí)流量，并將累計(jì)值、瞬時(shí)流量信號(hào)由RS-485口傳送給工業(yè)控制機(jī)（上位機(jī)）、以4～20mA模擬電流信號(hào)傳送給變頻調(diào)節(jié)器，再由變頻調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)上級(jí)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)流量增大時(shí)，降低上級(jí)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，反之提高上級(jí)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使得物料的流量和階段累計(jì)量均保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，進(jìn)而完成物料的計(jì)量和配料。系統(tǒng)工作原理框圖見(jiàn)圖1所示。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    從上面的工作原理我們?nèi)菀卓闯觯号淞辖Y(jié)果要求各種物料按一定的比例進(jìn)行混合配比，這樣，只要保證各種物料按照預(yù)先設(shè)定的配比進(jìn)行混合，就能滿足工藝要求。我們根據(jù)多年從事衡器的工作經(jīng)驗(yàn)及借助力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，利用CAD進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，采用杠桿式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種噪音低、無(wú)摩擦、抗振動(dòng)、消除氣流影響、計(jì)量準(zhǔn)確、安裝調(diào)試及維護(hù)方便，適用于變化流量下對(duì)物料輸送和計(jì)量的電子螺旋配料工藝秤。因螺旋給料機(jī)是一種密封設(shè)備，且本身帶有動(dòng)力部分，要想將它改造為一種計(jì)量設(shè)備，存在以下問(wèn)題：1.如何進(jìn)行螺旋給料機(jī)的水平度調(diào)整？2.如何克服電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)？3.如何消除物料運(yùn)送過(guò)程中產(chǎn)生氣流而影響計(jì)量精度？4.如何解決一種螺旋給料機(jī)只能用于一定流量的物料輸送和計(jì)量。改造后的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 電子螺旋秤結(jié)構(gòu)示意圖
1、導(dǎo)氣管	2、稱重傳感器及連接固定機(jī)構(gòu)	3、螺旋給料機(jī)
4、軟連接機(jī)構(gòu)	5、支撐機(jī)構(gòu)	6、機(jī)架

    該電子螺旋配料工藝秤主要由積算儀、螺旋給料機(jī)、導(dǎo)氣管、稱重傳感器及連接固定機(jī)構(gòu)、軟連接機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、機(jī)架等部分組成。
    3.1積算儀
    引導(dǎo)式菜單操作，具備報(bào)警提示、脈沖輸出功能，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模擬或?qū)嵨镄��?zhǔn)以及手動(dòng)/自動(dòng)空秤調(diào)零、零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤等功能。
    具備角度自動(dòng)補(bǔ)償、自診斷故障及停電數(shù)據(jù)保持功能。
    液晶顯示，同屏顯示流量、累計(jì)量、速度（載荷或時(shí)間）等數(shù)據(jù)。壁掛式金屬板噴塑外殼，防水、防塵、防強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。
    具備通訊、打印、4～20mA模擬電流輸出等功能。
    3.2稱重傳感器及連接固定機(jī)構(gòu)
    螺旋給料機(jī)與稱重傳感器及連接固定機(jī)構(gòu)的連接部位焊接加強(qiáng)板，稱重傳感器及連接固定機(jī)構(gòu)上端通過(guò)固定螺栓與加強(qiáng)板聯(lián)接，下端由調(diào)節(jié)定位塊調(diào)整水平度，并與機(jī)架聯(lián)接。采用的加強(qiáng)板是一塊帶圓弧形的鋼板或類似物，配焊方便，保證輸送機(jī)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；采用的調(diào)節(jié)定位塊是由兩塊截面類似為三角形的物塊組成，可方便調(diào)整螺旋給料機(jī)的水平位置，通過(guò)固定螺栓來(lái)調(diào)整螺旋給料機(jī)的限位，設(shè)備調(diào)整好后焊接固定，稱重傳感器和加強(qiáng)塊之間放置減振橡膠板，消除振動(dòng)影響。
    3.3支撐機(jī)構(gòu)
    螺旋給料機(jī)與支撐機(jī)構(gòu)的連接部位焊接加強(qiáng)板，支撐機(jī)構(gòu)上端與加強(qiáng)板聯(lián)接，下端與機(jī)架聯(lián)接，支撐機(jī)構(gòu)通過(guò)連接軸和橡膠軸承聯(lián)接。導(dǎo)氣管安裝在出料口端，一端與螺旋給料機(jī)聯(lián)接，另一端聯(lián)接到上級(jí)給料機(jī)構(gòu)。采用橡膠軸承作為支撐點(diǎn)，利用緊固螺母和緊固螺栓進(jìn)行固定，消除動(dòng)力部分產(chǎn)生的影響。
    3.4軟連接機(jī)構(gòu)
    對(duì)給料機(jī)的進(jìn)出料口進(jìn)行處理，改硬連接為軟連接，讓改造的螺旋給料機(jī)成為獨(dú)立單元，消除外界因數(shù)對(duì)計(jì)量精度的影響。
    3.5排氣機(jī)構(gòu)
    在出料口附近增加夾層，安裝導(dǎo)氣管，及時(shí)排除產(chǎn)生的氣體，消除氣體帶來(lái)的壓力影響。
    3.6尋找螺旋給料機(jī)的重心點(diǎn)
    充分利用CAD先進(jìn)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行受力分析，找出加載（滿載）情況下螺旋給料機(jī)的重心點(diǎn)，以便對(duì)其進(jìn)行模擬校準(zhǔn)。

4.可靠性驗(yàn)證

    4.1校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備
    螺旋給料機(jī)選用Y4220.100，生產(chǎn)率Q為11.6t/h，傾角為0°，轉(zhuǎn)速為48 r/min，螺距為160mm，功率1.5kW，電流3.7A。
    根據(jù)公式：Q=47D2ntρψC            （1）
              Q——物料流量（t/h）
              D——螺旋直徑（m）
              n——螺旋軸轉(zhuǎn)速（r/min）
              t——螺距（m）
              ρ——物料松散度（t/m3）
              Ψ——物料填充系數(shù)
              C——輸送機(jī)傾角系數(shù)
        又設(shè)：k=D2tρ                  （2）
              W=mk                    （3）
              m——螺距數(shù)
    取：Ψ=0.35，C=1
    由（1）、（2）、（3）三式，推算給料機(jī)滿載時(shí)留在給料機(jī)內(nèi)的物料約62.5kg（化整后取65kg）。螺旋給料機(jī)自重為88 kg，為此我們選用LB-P-200型稱重傳感器。
    4.2設(shè)備校驗(yàn)
    4.2.1模擬校準(zhǔn)
    按圖3所示，固定好給料機(jī)和傳感器，啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)行，進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，然后施加80 kg砝碼進(jìn)行模擬校準(zhǔn)（線性和量程），發(fā)現(xiàn)效果很好，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖3  試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1-1零點(diǎn)累計(jì)誤差

表1-2量程累計(jì)誤差

    4.2.2實(shí)物校準(zhǔn)
    按圖3試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖固定好料倉(cāng)、星型給料機(jī)、螺旋給料機(jī)等，正確連接傳感器與積算器、積算器與PID、PID與變頻器、變頻器與星型給料機(jī)之間的連線，保證螺旋給料機(jī)處于相對(duì)獨(dú)立狀態(tài)。
    讓PID處于開(kāi)路狀態(tài)，啟動(dòng)星型給料機(jī)讓其以最大速度運(yùn)行，保證螺旋給料機(jī)處于滿負(fù)荷，進(jìn)行實(shí)物校準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 量程累計(jì)誤差（實(shí)物）

    4.2閉環(huán)調(diào)試
    連接變頻器、調(diào)節(jié)器，進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試，在開(kāi)始施加物料和料倉(cāng)物料較少時(shí)控制較為困難，開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)超調(diào)現(xiàn)象較嚴(yán)重，但很快就能恢復(fù)，隨著料倉(cāng)物料減少，控制曲線波動(dòng)較大，但料倉(cāng)中的物料保持在一定的范圍內(nèi)時(shí)，控制曲線波動(dòng)變化比較平穩(wěn)，但存在較嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，不過(guò)，對(duì)于同一種物料，在料位穩(wěn)定的情況下，滯后時(shí)間是比較穩(wěn)定的，通過(guò)調(diào)整PID內(nèi)部相關(guān)參數(shù)，可以解決此問(wèn)題。

5.存在問(wèn)題及采取的措施

    5.1存在問(wèn)題
    5.1.1由于運(yùn)送的是粉粒狀物料，物料在運(yùn)送過(guò)程中，由于與葉片和筒壁之間相互摩擦，產(chǎn)生靜電。
    5.1.2物料在運(yùn)送過(guò)程中由于摩擦及葉片間隙等原因致使物料與葉片轉(zhuǎn)速間存在滯后。
    5.1.3物料在運(yùn)送過(guò)程中，由于間隙產(chǎn)生氣體，形成氣壓，對(duì)稱量造成極不穩(wěn)定的影響。
    5.2采取的措施
    5.2.1系統(tǒng)接地及防靜電處理
    現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行良好的接地處理，確保靜電消除。
    5.2.2充分利用經(jīng)驗(yàn)及控制理論
    反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，建立數(shù)學(xué)模型，并利用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，調(diào)整PID內(nèi)部參數(shù)，完全克服系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象。
    5.2.3增加排氣裝置
    在給料機(jī)出口處增加排氣裝置，將筒內(nèi)的氣體及時(shí)排除，一方面消除氣流影響計(jì)量的準(zhǔn)確度，另一方面保證物料順利送走。

6.結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，該種設(shè)備不僅適用于流動(dòng)性較好的粉末狀、小顆粒狀物料，而且還適用于具有一定粘度的、流動(dòng)性較差的物料，在化工、冶金、建材等行業(yè)，該種設(shè)備及控制方式值得在相應(yīng)系統(tǒng)中推廣使用。

參考文獻(xiàn)

    1、《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》 化學(xué)工業(yè)出版社
    2、張兄華 變頻技術(shù)在完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造中的應(yīng)用 《變頻器世界》2002.9

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<全文完>