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稱重技術在塑膠行業配料中的應用

作者:張曉傳 金平瀏覽次數: 日期:2013年8月28日 13:40

摘要:

本文簡要闡述了稱重技術的最新發展,及應用現代稱重技術構成塑料、橡膠行業配料係統的幾種體係結構。

引言
   隨著市場競爭的日益激烈,生產企業越來越多地關注產品的品質。在塑料、橡膠等生產行業,產品各原料的配比是否精確,已經成為影響產品品質的關鍵性因素。所以,稱重、配料技術在塑膠行業應用日益廣泛。
1 稱重技術的最新發展
1.1模擬式稱重傳感器和A/D轉換技術
   電阻應變片式稱重傳感器(亦即模擬式稱重傳感器)是基於這樣一個原理:彈性體在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在其表麵的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生變形,電阻應變片變形後,它的阻值將發生增大或減小的變化,再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號,從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變片式稱重傳感器的內部電路原理圖如圖1-1所示。
模擬式稱重傳感器的基本參數:
   輸出靈敏度:在滿負荷(載荷)的情況下,稱重傳感器的直流激勵電壓每增加一伏,其輸出的增加量被定義為稱重傳感器的輸出靈敏度,稱重傳感器輸出靈敏度的單位是毫伏/伏。
   綜合誤差:稱重傳感器的誤差由非線性、滯後、蠕變、溫度漂移等組成。稱重傳感器的綜合誤差一般為0.03%(FS),也就是傳感器滿量程的萬分之三左右。
   阻抗:稱重傳感器的輸入阻抗一般在450Ω左右,輸出阻抗一般在350Ω左右。
隨著微電子技術的飛速發展,稱重技術中的A/D轉換技術發生了日新月異的變化,從雙積分到逐次逼近,從並行口輸出到串行口輸出,從分離元件前置放大到高度集成數字放大,微電子技術的進步為稱重技術的高速發展奠定了堅實的基礎。
   目前,在稱重控製領域中廣泛使用∑Δ(Sigma-Delta)技術的高精度A/D轉換器件,該器件將數字可編程增益放大器(PGA)、增益及零點校正電路、數字濾波電路和A/D轉換電路封裝在一顆高性能集成電路中,由於采用串行的I2C總線輸出,器件的體積變得非常小巧。A/D轉換可以高達24位,同時其采樣速度也可以達到4000次/秒,A/D數據輸出速度達到100次/秒或更高,線性誤差達到0.0007%FS。
1.2整體式數字傳感器
   整體式數字傳感器在原模擬傳感器的基礎上,增加了數字轉換甚至數字修正、數字濾波和數字補償等功能。由於用數字信號輸出替代原來的模擬信號輸出,從而克服了傳統傳感器的模擬信號容易受到幹擾和衰減等的諸多缺欠,大大提高了稱重係統的可靠性。數字傳感器中數字變送電路的分辨率可做到100萬內碼,采樣速率可做到100次/秒,溫度漂移可做到10PPM/℃。
   數字稱重傳感器使用方便,易於構成稱重控製係統。但是數字傳感器的高成本成為它的最大缺點。
1.3分體式數字傳感器
   近年來,分體式數字傳感器也得到了快速發展。分體式數字傳感器是將原先在數字傳感器內部的A/D轉換電路移至接線盒內,通常將具有A/D轉換模塊的接線盒稱為數字接線盒,再將數字接線盒輸出的數字信號傳遞給顯示控製器,與整體式數字稱重傳感器相比,分體式數字傳感器具有成本低,便於由多個傳感器構成稱重單元和易於維護等明顯優點。
1.4重量變送器
   重量變送器常用的有模擬式和數字式兩種。模擬重量變送器是將稱重傳感器重量信號轉換為統一的標準信號,如:0/4~20mA、0~5VDC 、0~10VDC。
   數字重量變送器在分體式數字傳感器的基礎上,增加了校準、皮重處理等功能,數字重量變送器的輸出可以是稱重係統的淨重,同時數字重量變送器還具備一定的遠程控製功能。
2 稱重配料的實現方法
2.1減重(量)法實現配料
   減重(或者叫申克Schenck) 秤因最早由德國工程師發明而得名。減重配料係統的結構如圖2-1所所示。由於減量配料秤是“通過控製稱重料鬥內的重量輸出來確定裝料質量的自動裝料衡器”。 相關標準應該參照QB/T2501-2000《重力式自動裝料衡器》行業標準和國家鑒定規程JJG564-2002《重力式自動裝料衡器》或國際法製計量組織OIML R61執行。
   由圖可見,減量秤出料裝置連接在稱重單元上,省掉了計量鬥,結構相對簡單。特別適合用做粉狀等有粘性的特殊物料配料。
   由於減重秤的結構特點,相對於每次裝料稱重單元的量程要大得多(一般為五倍或更高),因而減重秤的定量精度相對較低。
2.2增量法實現配料
   累加式配料係統的基本結構如圖2-2所示,設置多個給料裝置向同一個稱重單元供料,由多個稱重周期構成一個配料過程。
   由於滿足“有一個稱重單元,通過多個稱重周期,控製每次輸出的裝料質量的重力式自動裝料衡器”的定義,因此,累加式配料係統屬於重力式自動裝料衡器的範疇,相關標準應該參照QB/T2501-2000《重力式自動裝料衡器》行業標準和國家鑒定規程JJG564-2002《重力式自動裝料衡器》或國際法製計量組織OIML R61執行。
   為了保證係統的配料精度,一般要限製係統配料的比例。各個成分間重量比例越高,相應的配比中比份小的物料的配料精度就會越低。
3 配料係統控製方法及人機交互技術
   稱重配料控製係統主要由儲料倉、給料裝置、稱重裝置、輸送裝置、電控櫃、微機控製係統構成,可完成多種物料不同配方配料的自動供料配料,廣泛適用於化工、建材、醫藥、食品、飼料加工等行業多種物料的稱量控製。係統特點:儲料、定量給料、稱量、密封輸送於一體,全過程微機控製,自動化程度高;各單秤技術先進、性能優良,整套係統結構緊湊 ;用戶多物料多配方環境下各種數據的輸入輸出可通過終端設備操作完成 ;方便地將設定數據輸出或顯示在終端畫麵上,是實現自動控製為目的的集中監視係統 ,利用PLC、人機、組態軟件實現自動控製;具現場監控、故障報警、數據采集、記錄、統計、查詢、打印與一體的自動化流程。係統長時期工作性能穩定可靠,消除人為配料誤差,提高配料效率,改善作業環境和勞動條件。
   按配料方式可分為連續式和非連續式(或稱為分批式、間歇式)配料兩種。從提高散粒/粉體生產企業生產能力與降低固定資產投資的角度說,連續式配料生產流水線是理想的工藝選擇。但由於各種散粒體(和粉體)連續計量自動配料裝置(電子配料秤)的稱量準確度、量程、穩定性等方麵或某一方麵尚不能滿足大多數生產企業,尤其是稱量準確度要求較高的特定配料生產領域的要求,故應用受到限製。許多連續計量衡器僅能應用於粉體流量測控係統的裝置。由於它的連續稱量準確度較低,一般用於企業內部計量和物料成本核算,有些也用於生產企業生產過程中的實時物料流量測控。
   由於電子化和自動化的迅速發展與普及,用於配料稱重的非連續累計衡器(俗稱累計料鬥秤)在工業上幾乎在所有需要配料的的散粒/粉體工業部門中都有應用。它具有稱量準確度高、適應性廣、配料速度快和配料稱量量程可變幅度大、生產效率高的特點。因此本文闡述對象是非連續自動配料秤。
   目前最常見的配料工藝流程有多倉數秤、多倉一秤和一倉一秤等幾種形式。應用較多的配料工藝是多倉雙秤與多倉三秤的工藝形式。其優點是大秤量的用大秤、小秤量的用小秤,故可提高配料準確度;同時也增加了可直接配料的原料品種和數量。此外,大小秤同時配料,可縮短配料周期。
3.1由模擬傳感器和專用配料控製器構成控製係統
   配料控製器除具有一般稱重顯示儀表的功能外,還具有:配方輸入、配方存儲、給料順序設定、放料控製、自動補償等功能。
由模擬傳感器和專用配料控製器構成的配料控製係統示意圖如圖3-1所示。工作時隻要在專用配料控製器上輸入工藝配方,配料控製器即對各料倉給料順序、給料方式、稱重、卸料等進行控製。該係統適用於物料品種少(一般在4種以下),常用配方數量不多,不需對配方數據進行管理的場合應用。其人機交互性較差,但其結構簡單、係統造價低、維護方便。
3.2由數字變送器、PLC和觸摸屏構成控製係統
   由數字變送器、PLC和觸摸屏構成的配料控製係統示意圖如圖3-2所示。配料控製係統自從采用了PLC控製後,使係統的各項性能指示均有了明顯的提高,充分體現了,可靠、快速、靈活的控製特點,滿足了較為複雜的工藝要求,實現了以往難以做到的多種複雜控製和故障保護,使係統具備了小型化、操作維護簡單化和控製智能化的特點。在PLC硬件設計上,僅保留直接麵向人和設備的輸入和輸出的接口,省去了一切中間環節,大大節約了係統的投資。在PLC的軟件設計上,采用靈活的編程方式,使程序更加簡潔易讀、易修改,也使得係統在控製功能上有著更大的靈活性和適應性。
   觸摸屏進行監控可靠性高,監控實現容易,觸摸屏與PLC之間的通信問題生產廠商已處理好,用戶不用考慮通信問題,可以大大縮短工程周期。但靈活性一般,功能有限,不能滿足複雜控製係統的監控要求,而且價格高。在係統可靠性要求高、工期短的情況下可以采用此方法。
3.3由數字變送器、PLC和工控機(組態軟件)構成控製係統
   PLC組成的控製係統進行監控一般有三種方法:觸摸屏監控、組態軟件監控、第三方軟件編製的監控軟件監控。
  用第三方軟件編製的監控軟件實現監控,靈活性好,係統投資低,能適用於各種係統。但開發係統工作量大、可靠性難保證,對技術人員的經驗和技術水平要求高,還必須購買通信協議軟件。在係統資金投資有限,技術人員水平較高的情況下可以采用此方法。
   並用組態軟件實現監控,功能強大,靈活性好,可靠性高。但軟件價格高,需要解決組態軟件與PLC的通信問題。在複雜控製係統中可以采用此方法。組態軟件是運行於PC平台的一個通用工具軟件,和PC機或工控機一起也可以組成HMI產品。度通用的組態軟件支持的設備種類多一些,而且由於其硬件平台的性能強大(在速度和存儲容量上),通用組態軟件的功能也強很多。由數字變送器、PLC和工控機(組態軟件)構成的配料控製係統示意圖如圖3-3所示。大中型塑膠自動化控製係統的構成以“工控機+PLC”的配置較為常見。
  
PLC作為塑膠配料測控係統的現場控製器,工控機用作上位機,可通過多種通信方式與PLC通訊,接收PLC傳送來的數據信息,利用組態軟件,可以很方便的進行實時和曆史數據的存儲、查詢、統計、計算、顯示、打印等功能,完成原料種類、數量、價格等曆史數據和實時數據。
4 配料係統的常用結構
4.1秤鬥式減量配料係統
   如圖2-1所示,秤鬥式減量配料係統有多個稱重單元,每個稱重單元隻對應一種物料,一個載荷量(在某一時期之內)。稱重倉的最大秤量、最小秤量、技術參數和結構可能相同,也可能有所不同。運行時各個稱重單元同時對其承載器內的載荷進行稱量,每個稱重單元稱量的物料可能是相同,也可能是不同的。通過工業控製計算機對每個稱重單元的載荷進行組合和調整,然後對其卸料形成一次接近預設值的裝料。
4.2秤鬥式增量配料係統
   如圖2-2所示,秤鬥式增量配料係統隻有一個稱重單元,通過工業控製計算機對稱重單元不同時段稱量多種不同物料的載荷,形成一次裝料。
4.3多工位配料係統
   多工位配料係統常見的有單稱重單元和多稱重單元兩種形式,如圖4-1(a)所示。該係統有一個稱重單元,稱重單元是安裝在一個可以沿道軌直線運行的車輛上,而各種物料的儲料倉等距離地建築在道軌兩側。通過工業控製計算機對稱重單元按照工藝要求在不同位置接取不同載荷量的物料進行組合,然後到指定位置卸料,形成一次裝料。裝有稱重鬥的電動車輛采用紅外線、邏輯編碼等技術進行定位,以達到準確接取物料和卸載物料的目的。
   圖4-1(b)所示也是一種塑膠行業常用的多工位配料係統,該係統有多個稱重單元,多個稱量單元承載器(稱量輸送線)的最大秤量等技術參數和結構有所不同。稱重單元是安裝在一個向水平方向輸送物體的皮帶輸送線上,而各種物料的儲料倉設在輸送線中央位置的上方。通過工業控製計算機對每個稱重單元按照工藝要求在不同位置接取不同載荷量的物料進行組合,然後到指定位置卸料,形成一次裝料。載有接料箱的輸送線兩側采用紅外線、接近開關感應等技術進行定位,以便準確接取物料。
5.結束語
   由上述可知,可以有多重方法、多重形式構成稱重配料係統,具體方案的選擇應該根據物料特性、生產條件等綜合因素確定。本文所述多種稱重配料實現方法、控製方式和常用結構組合構成的稱重配料係統在塑膠、飼料、化工等行業都得到良好的應用和推廣,實踐證明,根據用戶要求合理選擇配置、優化設計後的稱重配料係統,其各項技術指標均能滿足企業生產工藝要求,且功能完備、可靠性高。進口稱重配料係統投資大、維修困難、後期維護成本高等弊端已十分明顯。隨著國內稱重技術的不斷發展,不但國產稱重配料係統已是眾多生產企業選擇,更有許多稱重配料係統產品出口國外。
參考文獻:
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所屬類別: 技術論壇

該資訊的關鍵詞為:稱重技術、重量變送器、配料 

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