基于电子正秤的配料控制系统计量误差分析样本.doc

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基于电子正秤的配料控制系统计量误差分析
邢国稳[1][2] 尹平林[1]
(1. 华中科技大学控制系4 4 ,2.南京气象学院计算机科学与技术 210044)
The Error Analyzing Weighing Batching Control System Base on Positive Balance
XING Guo-wen[1][2], YIN Ping-lin[1]
( 1 Department of Control , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074,China; 2 Department of computer science & technology, Nanjing 210044,China)

摘要: 本文主要是对当今基于电子正秤的自动配料控制系统称量误差产生的原因作了详尽的分析, 并提出行之有效的解决办法来降低误差, 提高自动配料控制系统的配料精度。
关键词: 正秤 配料 误差
Abstract: This article analyzed the errors analyzing weighing batching control system base on balance. And advance effective measures to debase errors. in order to increase the batching precision automatic control system .
Key words: Positive; Batching, error
中图分类号:TP273 文献标识码:B

1 自动配料控制系统简介和要求
在配料生产过程中, 原料称重是最重要的环节。因此原料称重控制的精度及可靠性是整个配料控制过程的关键部分, 其影响了全过程的自动化程度和性能的高低。当前市场上同类产品最突出的缺点就是计量误差较大, 无法保证生产质量对物料计量误差的要求。大部分产品说明书标注的计量误差多是±1%~2%, 在实际的使用环境中, 检定误差大±10%, 甚至更高。配料系统采用的称量装置是采用传感技术、 电子技术和计算机技术一体化的电子秤。
电子正秤和电子负秤是电子称的两种不同类型。所谓正秤就是一般习惯的称量方法, 随着被秤对象重量的增加, 秤的读数增加; 负秤则随被称对象重量的减少, 秤的读书增加, 它常见于排料时指示排料量, 因此也可称之为卸料秤。电子正秤型自动配料机采用的是物料进入秤体计量, 而其它配料机采用的电子负秤是物料离开秤体计量。
在国内研发的配料机多数沿用”提升上料, 自落配料”的设计模型; 在计量原理上都采用正秤计量。在整个生产工艺中, 配料最为重要。这就对称量精度提出了更高的要求。
笔者曾开发研制了一套适用于混凝土生产的自动配料系统。经过对国内企业生产线的改进, 并对称量工艺的综合改进, 取得一定经验。本文对计量误差产生的原因做出较为透彻的分析, 并提出了一套有效可行的办法来解决这些误差,提高自动称量的控制精度。
2 动态误差
2.1原因分析
首先, 我们来看一下基于正秤的自动配料系统计量示意图( 图1) 。首先将物料装入料仓, 然后将物料投入到秤斗进行称量, 秤斗中的物料不断增加直到正秤指示到所要求的重量W才控制下料阀门停止投料, 然后将物料卸入搅拌箱。

料仓

下料阀门及控制器

秤斗

称重传感器

搅拌箱

图1 配料正秤计量示意图
Fig.1 batching positive weighing indication
由于基于正秤的配料控制系统其加料口和称斗容器之间有一定的距离, 物料重量达到额定值时, 控制系统发生关闭料门的命令, 加料器关门。但此时有一段已离开加料口还未到达称斗容器的”自由”料柱, 当这段料柱到达称斗后, 被称量的物料必然超过额定值, 这种因料柱滞后而产生的超差, 成为”落差”。另外, 由于物料形状不规则, 粒径差异较大, 加上生产过程中不定期的向料仓加料, 使得料仓的料位变化不定, 因此, 每一瞬间物料流的流速随机变化, 使每次因滞后所造成的物料称量偏差都不相同。这种由于料位变化和落差引起的称量偏差必须进行修正。在单料称量中, 影响称料精度的主要因素是加料速度和停止加料信号发出后的物料继续下落的过冲量。
由于料仓与秤斗之间具有一定的落差, 物料投入到秤斗时总有一定的速度, 因而会对秤斗产生一定的冲击力。另外, 料仓每次卸料可能会残留一部分, 秤斗的皮重在每次称量时也有所不同。物料动态计量误差来自物料冲击力、 秤斗皮重变化以及秤斗未卸空量变化。
2.2解决措施
（1） 配比修正法
配比修正法是调整计量误差的一种最简单的方式。为保证各配料间的严格配比, 分两次称量, 第二次称量对物料超量做动态补偿, 提高称量系统百分比的正确性。
(2)双速给料( 双料门) 控制方式
双速给料即称重配料控制器采用快慢速配料的过程。
具体方法是以双门法实现粗称、 精称。控制系统输出两个开关量来控制一种物料的两个配料门。开始时, 两个配料门同时打开, 当物料加到了低于额定值( 自设定) 时关闭粗称门, 对精称门则采用谨慎补偿法来进行配料。
配料工作过程如下: 当启动配料生产后, 仪表输出第一个非零目标量( 目标量就是要求该物料达到的最终准确的重量。) 物料的开门控制信号, 并同时输出快慢速控制信号。如用户系统每种物料都设计快慢两个投料门, 则一开始这两个门同时都打开, 以高速投放物料。当仪表检测到称重料斗中的物料重量已达到预先设定的粗计量值( 粗计量就是在配料过程中, 当到达确定的重量时立即关闭快速进料门。) 时, 快速投料门关闭, 慢速投料门仍维持打开状态, 这时以低速投放物料, 以便精确计量。当仪表检测到称重料斗中的物料重量达到预先设定的精计量值( 精计量即配料过程中, 到达确定的重量时立即关闭慢速进料门。) 时, 慢速投料门关闭, 停止继续投料。然后以同样的流程处理下一个非零目标量物料的投料过程, 直至所有待配物料全部投配结束。
( 3) 基于给料速度控制方案
将基于正秤的自动配料控制系统建立在物料下料速度的模型基础上, 在生产线中, 物料加料速度很高, 料仓中的物料是动态值, 这个量是影响系统物料配比的主要因素, 而且是与物料速度相关的变量。
在控制器中实现以下料速度为调节参数调节方式, 改变了以前只控制重量的方法, 提高了自动称量控制精度, 并建立了基于物料下料速度的模型, 按设定的下料速度进行给料。
W=Vdt (1)
W为物料的下料量, V为给料速度, T为给料时间;
也就是说给料速度V根据称量重量分段的, 有:
V= (2)
n为速度的下降速度, WSET为称量重量设定值; WX为速度转换的称量重量。
当物料的下降累计量W未达到WSET-WX时, 速度控制为定值调节系统 当物料的累计量超过WSET-WX时, 速度控制为随动调节系统。定值调节易于实现, 不做深入探讨。
根据速度公式能够画出称量物料的累计量W, 给料速度V和称量时间t的关系曲线( 见图2)

V=
V0

WSET-WX WX

0 t1 t
图2 称量物料累计量W、 秤量给料速度V、 称量时间t的关系曲线
Fig2 weigh accumulation, providing velocity, weigh time
称量重量接近设定值时, 减慢称量速度, 从而保证了称量精度。
基于以上分析提出了给料速度控制方案。这种控制方法采用闭环控制, 以下料速度为控制参数, 采用自适应智能控制方法, 不需要对每种物料状态进行调整, 配料速度快, 生产效率高, 称量准确。各因素的变化均以改变振动力加以克服, 但控制算法和控制手段较为复杂。基于速度给定, 在称量初期, 下料速度稳定在V0, 当称量值接近设定值时, 速度的设定值减小。因此, 该系统是一个随动调节系统, 将以往的分段控制变为连续控制( 图3) 。
WSET

电子秤
给料装置
配料速度控制器
VSET W
称量结束
给料速度测定器
V
重量测定

图3 给料速度控制方法方框图
Fig 3 methodology of control providing velocity
( 4) 过冲量自动修正法
在配料生产过程中, 由于料仓与称斗之间有一段距离, 仪表在关闭料仓的投料门后, 仍有一些物料正在坠落的过程中。当这些物料掉进料斗后, 会使最终斗中物料的重量与关闭投料门时检测到的重量有差别。我们把进料门关闭时一瞬间还在空中的那部分物料叫做过冲量或提前量。在设定各物料的配料份量时, 必须考虑此过冲量。过冲量的设定需要试验才能决定, 它受物料的湿度、 粘附性、 块状大小等等因数影响, 随机性很大。分别设两个参数COARSE和FINE。COARSE是控制快速进料门的过冲量, FINE是控制慢速进料门的过冲量。当只用一个进料门控制进料时, 就只考虑FINE的设置。
由于过冲量的设置比较麻烦, 一开始不容易获得合适的值, 因此仪表提供了自动过冲量修正功能。过冲量修正公式如下:
FINE新值 = FINE旧值 –( 绝对误差/2) (3)
按此公式修正的结果是; 当实际配料结果值小于预定目标量值时( 即绝对误差为负值) , 新过冲量值FINE将减少本次配料误差的二分之一。当实际配料结果值大于预定目标量值时( 即绝对误差为正值) , 新过冲量值FINE将加大误差的二分之一。如计算结果过冲量新值成了负值, 则将FINE赋零值( 即不设过冲量) 。如计算结果FINE新值大于物料设定的快速进料提前量COARSE时, 则将COARSE设置成等于FINE。
　控制过冲量自动修正的功能参数是Auto.n。Auto.n参数若选OFF, 系统不进行过冲量修正; Auto.n的值若取1, 系统则在每次配料结束时根据本次配料结果对FINE进行修正; 若Auto.n取值大于1 ( 1< n <99 ), 则系统对前n次配料的误差取平均值, 然后按下式修正过冲量FINE
FINE新值 = FINE 旧值 –( n次累计绝对误差/2n) (4)
其它处理同n=1。
由于物料投入称斗时会对称斗产生一定的冲击力, 也造成了误差。设起始禁止比较时间 St.d和结束禁止比较时间CPr.d : 当开始向称斗投料或结束投料时, 由于物料重力的冲击和骤停, 称斗会产生抖动振荡, 这时系统检测到的重量数据会大于实际重量。为了避开这一段不稳定时间, 因此设计一个起始禁止比较时间St.d和结束禁止比较时间CPr.d。两者均可设定为0.1-9.9s, 这段时间里系统不进行测量值与预设目标值的比较, 以避免发生错误判断( 图4) 。　　　　　　　　　　　　　　　　　

图4 起始与结束禁止比较图 图5 延时检查超差时间
Fig.4 The beginning and end forbidden comparing time Fig.5 time-lapse examining error time

用户系统中, 如发现即使将过冲量( FINE) 设置成零, 配料结果仍小于目标量, 说明物料的冲击干扰很大, 应考虑设置或加长结束禁止比较时间CPr.d。而起始禁止比较时间 St.d一般在称斗重量很轻, 开始投料冲击力影响很大时才使用。
延迟检查超差时间tol.d : 在每种物料投配结束后, 仪表能自动检查实际配料量与目标量之间的误差, 仪表能经过串口输出配料的实际净值和百分比误差。与上述的原因一样, 为了获得稳定精确的最终物料投配值, 设计了延迟检查超差时间tol.d。tol.d的时间可设定为0.1-9.9S, 仪表在等待这段时间结束后再重新测量的配料结果。误差检查的结果将用于计算误差和过冲量FINE的自动修正, 用户应选择合适的tol.d时间( 图5) 。
下图是以M1,M2两种物料作例子的配料控制时序图( 图6) :
图6

Fig.6 The batching control scheduling

3静态误差解决方法
静态误差是指配料系统中的称重部分在非生产状态下的称重精度。它取决于称斗的设计, 传感器的精度和线性, 同一个称斗上所有传感器的一致性以及传感器安装是否合理等等因数。
一般情况下, 都用3个或4个拉力( 或压力) 传感器悬挂( 或支撑) 称斗。在设计和安装称斗时应尽量让每个传感器受力均匀。传感器的额定荷重应大于系统最大荷重的50%。例如以3个拉力传感器悬挂一个自重加物料600Kg的称斗为例, 那么每个传感器的额定荷重不得小于300Kg。如果投料时称斗各支撑点受力均匀度较差时, 传感器的额定荷重应选用更大一些。当同一个称斗上的3个传感器的灵敏度、 内阻、 线性都一致, 而且每个传感器受力均匀的理想情况下, 每个传感器平均承重200Kg, 相当于最大荷重的1/3。实际生产中铺放在称斗中的物料不可能完全均匀, 如图7中r0是传感器的内阻, u是传感器受力后的输出电压, Δu是其中某个传感器因受力不均而产生的变化量, ri是称重仪表的模拟部分输入电阻, 运用迭加法计算仪表获得的a、 b两点( 之间的信号电压是( u +Δu/3) 。因为在称量校准时是按3倍标定的, 因此总重量是3 u +Δu。
图7 传感器电路图
Fig7 sensor circuity chart
因此并联使用传感器时, 只要3个传感器的灵敏度、 内阻、 线性等性能一致, 即使传感器受力稍许不均, 称重结果仍是准确的。
　拉力传感器在安装时上下都应用勾环连接, 让其自由悬挂, 不受任何水平扭力及侧向力约束, 否则将影响精度。如用户对称重精度要求很高, 可考虑采用万向挂勾。
选购传感器时不一定能买到性能完全一致的, 这时需要加以补偿。补偿方法如下: 在称斗( 空斗) 安装好后, 先仔细调整各传感器的受力情况, 尽量使其均匀, 然后分别测量各传感器的输出。如某个传感器输出低, 就在该传感器的输出和输入之间加一只数百KΩ电阻, 阻值应仔细调整, 使该传感器的输出与其它传感器相同。相反, 如输出过高则在输出和输入之间加一只电阻,调整方法与前相同。
传感器的线性对静态精度影响很大, 在采购传感器时必须加以注意, 传感器的线性误差应比要求的静态精度小。可是随着传感器技术和数据处理技术的发展, 由称重传感器引起的误差可降低到很小的程度。
4结束语
以上改进措施对消除计量误差都是行之有效的, 适应高效率生产, 可靠性强。另外, 在设计中必要采取如下措施保证稳定性: 强电设备与弱电设备之间采用光电耦隔离, 以提高抗干扰措施; 交流接触器全部安装阻容吸收; 中间继电器线包全部安装二极管吸收回路及数字滤波。
参考文献
[1]王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术.北京 [M] :北京航空航天大学出版社.
[2]徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 [M] 北京: 北京航空航天大学出版社, 1995
[3]姜丽娟等 配料控制显示器的研制 [J] 自动化与仪器仪表 ,99(1):44-46

作者介绍:
邢国稳(1975-)女,江苏南京人,硕士研究生,研究方向:控制理论与控制工程。
联系方式: 南京气象学院计算机科学与技术系 210044