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一種電子螺旋配料工藝秤的設計
[摘要] 主要介紹一種對螺旋給料機進行改進設計的螺旋配料工藝秤，可應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中。
隨著社會的發展，生產規模的擴大，工業生產過程自動程度越來越高、手段越來越先進，特別是近來國家對環保問題給予足夠的重視、人們對環保意識也在不斷的提高。所以如何減少環境污染，提高自動化程度，減輕勞動強度，保障生產的可靠性、安全性，降低生產成本，提高產品的質量及經濟效益是人們普遍關心的問題。近幾年來，許多大中型企業對原有的生產設備進行工藝改進設計，特別是化工、冶金、建材等行業。
2000年底，應某催化劑廠的工藝要求，我公司與其它廠家經過為期一年左右時間共同對其生產工藝進行改進，2002年5月正式投入運行，使用效果較好，具體表現在以下幾方面：生產效率提高近4倍；采用DCS控制系統，工藝控制平穩、穩定；系統可靠性大大提高；綠色設計和人性化設計得到充分體現；產品質量和合格率明顯提高；節能效果顯著。方案設計初，選用皮帶輸送機進行物料輸送，由于物料（鋁石和高嶺土）的特殊性，粉末狀，流動性相當好，采用皮帶進行輸送，漏料問題成了一大解決難題。當時生產線上有臺螺旋給料機，我們借此機會，經過仔細推敲，根據生產工藝的需要，考慮直接對螺旋給料機進行改進，如果可行，這樣不但可以很容易解決漏料問題，減輕對環境的污染，減少對人身的傷害，而且還可省去皮帶輸送機（含電子皮帶秤），節約一筆資金，帶著一連串的問題，我們開始進行嘗試性的改造設計，現在產品使用效果較好，滿足生產工藝的要求。
2.系統工作原理
系統運行時，通過電子螺旋配料秤對輸送的物料進行計量，由電腦積算儀對接收的重量和速度信號處理后轉化為累計值和瞬時流量，并將累計值、瞬時流量信號由RS-485口傳送給工業控制機（上位機）、以4～20mA模擬電流信號傳送給變頻調節器，再由變頻調節器去調節上級給料機的轉速，當流量增大時，降低上級給料機的轉速，反之提高上級給料機的轉速，從而使得物料的流量和階段累計量均保持在設定的范圍內，進而完成物料的計量和配料。
3.系統設計
從上面的工作原理我們容易看出：配料結果要求各種物料按一定的比例進行混合配比，這樣，只要保證各種物料按照預先設定的配比進行混合，就能滿足工藝要求。我們根據多年從事衡器的工作經驗及借助力學基礎知識，利用CAD進行輔助設計，采用杠桿式結構，設計一種噪音低、無摩擦、抗振動、消除氣流影響、計量準確、安裝調試及維護方便，適用于變化流量下對物料輸送和計量的電子螺旋配料工藝秤。因螺旋給料機是一種密封設備，且本身帶有動力部分，要想將它改造為一種計量設備，存在以下問題：1.如何進行螺旋給料機的水平度調整？2.如何克服電機運行中產生振動？3.如何消除物料運送過程中產生氣流而影響計量精度？4.如何解決一種螺旋給料機只能用于一定流量的物料輸送和計量。
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該電子螺旋配料工藝秤主要由積算儀、螺旋給料機、導氣管、稱重傳感器及連接固定機構、軟連接機構、支撐機構、機架等部分組成。
3.1積算儀
引導式菜單操作，具備報警提示、脈沖輸出功能，并可實現自動模擬或實物校準以及手動/自動空秤調零、零點自動跟蹤等功能。
具備角度自動補償、自診斷故障及停電數據保持功能。
液晶顯示，同屏顯示流量、累計量、速度（載荷或時間）等數據。壁掛式金屬板噴塑外殼，防水、防塵、防強磁場干擾。
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構
螺旋給料機與稱重傳感器及連接固定機構的連接部位焊接加強板，稱重傳感器及連接固定機構上端通過固定螺栓與加強板聯接，下端由調節定位塊調整水平度，并與機架聯接。采用的加強板是一塊帶圓弧形的鋼板或類似物，配焊方便，保證輸送機具有足夠的強度和剛度；采用的調節定位塊是由兩塊截面類似為三角形的物塊組成，可方便調整螺旋給料機的水平位置，通過固定螺栓來調整螺旋給料機的限位，設備調整好后焊接固定，稱重傳感器和加強塊之間放置減振橡膠板，消除振動影響。
3.3支撐機構
螺旋給料機與支撐機構的連接部位焊接加強板，支撐機構上端與加強板聯接，下端與機架聯接，支撐機構通過連接軸和橡膠軸承聯接。導氣管安裝在出料口端，一端與螺旋給料機聯接，另一端聯接到上級給料機構。采用橡膠軸承作為支撐點，利用緊固螺母和緊固螺栓進行固定，消除動力部分產生的影響。
3.4軟連接機構
對給料機的進出料口進行處理，改硬連接為軟連接，讓改造的螺旋給料機成為獨立單元，消除外界因數對計量精度的影響。
3.5排氣機構
在出料口附近增加夾層，安裝導氣管，及時排除產生的氣體，消除氣體帶來的壓力影響。
3.6尋找螺旋給料機的重心點
充分利用CAD先進技術，在計算機上進行受力分析，找出加載（滿載）情況下螺旋給料機的重心點，以便對其進行模擬校準。
4.可靠性驗證
4.1校準前的準備
螺旋給料機選用Y4220.100，生產率Q為11.6t/h，傾角為0°，轉速為48 r/min，螺距為160mm，功率1.5kW，電流3.7A。
根據公式：Q=47D2ntρψC （1）
Q——物料流量（t/h）
D——螺旋直徑（m）
n——螺旋軸轉速（r/min）
t——螺距（m）
ρ——物料松散度（t/m3）
Ψ——物料填充系數
C——輸送機傾角系數
又設：k=D2tρ （2）
W=mk （3）
m——螺距數
取：Ψ=0.35，C=1
由（1）、（2）、（3）三式，推算給料機滿載時留在給料機內的物料約62.5kg（化整后取65kg）。螺旋給料機自重為88 kg，為此我們選用LB-P-200型稱重傳感器。
4.2設備校驗
4.2.1模擬校準
按圖3所示，固定好給料機和傳感器，啟動電機進行空載運行，進行零點校準，然后施加80 kg砝碼進行模擬校準（線性和量程），發現效果很好，試驗結果如表1所示。
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圖3 試驗系統結構圖 |
表1-1零點累計誤差
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次數 |
1 |
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3 |
4 |
5 |
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誤差值 |
0.128% |
-0.091% |
-1.117% |
0.027% |
0.113% |
表1-2量程累計誤差
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次數 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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誤差值 |
0.232% |
-0.131% |
-0.241% |
0.274% |
0.136% |
4.2.2實物校準
按圖3試驗系統結構圖固定好料倉、星型給料機、螺旋給料機等，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之間的連線，保證螺旋給料機處于相對獨立狀態。
讓PID處于開路狀態，啟動星型給料機讓其以最大速度運行，保證螺旋給料機處于滿負荷，進行實物校準，試驗結果如表2所示。
表2 量程累計誤差（實物）
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次數 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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誤差值 |
0.434% |
-0.391% |
-0.314% |
0.273% |
0.0271% |
4.2閉環調試
連接變頻器、調節器，進行系統閉環調試，在開始施加物料和料倉物料較少時控制較為困難，開始時系統超調現象較嚴重，但很快就能恢復，隨著料倉物料減少，控制曲線波動較大，但料倉中的物料保持在一定的范圍內時，控制曲線波動變化比較平穩，但存在較嚴重的滯后現象，不過，對于同一種物料，在料位穩定的情況下，滯后時間是比較穩定的，通過調整PID內部相關參數，可以解決此問題。
5.存在問題及采取的措施
5.1存在問題
5.1.1由于運送的是粉粒狀物料，物料在運送過程中，由于與葉片和筒壁之間相互摩擦，產生靜電。
5.1.2物料在運送過程中由于摩擦及葉片間隙等原因致使物料與葉片轉速間存在滯后。
5.1.3物料在運送過程中，由于間隙產生氣體，形成氣壓，對稱量造成極不穩定的影響。
5.2采取的措施
5.2.1系統接地及防靜電處理
現場對設備進行良好的接地處理，確保靜電消除。
5.2.2充分利用經驗及控制理論
反復進行試驗，記錄試驗數據，并對試驗數據進行技術處理，建立數學模型，并利用實際經驗進行修改，調整PID內部參數，完全克服系統的滯后現象。
5.2.3增加排氣裝置
在給料機出口處增加排氣裝置，將筒內的氣體及時排除，一方面消除氣流影響計量的準確度，另一方面保證物料順利送走。
6.結束語
通過現場使用驗證，該種設備不僅適用于流動性較好的粉末狀、小顆粒狀物料，而且還適用于具有一定粘度的、流動性較差的物料，在化工、冶金、建材等行業，該種設備及控制方式值得在相應系統中推廣使用。
