一种电子螺旋配料工艺秤的设计

宜成环保

摘要：主要介绍一种对螺旋给料机进行改进设计的螺旋配料工艺秤，可应用于粉末状或具有一定粘度物料的配料工艺控制流水线上或配料系统中。
: y, G1 N* T$ s% C$ U0 f0 V  G关键词：螺旋给料 工艺秤 流量计 闭环控制
1.概述
% P* H0 ~3 z+ C% U2 ?随着社会的发展，生产规模的扩大，工业生产过程自动程度越来越高、手段越来越先进，特别是近来国家对环保问题给予足够的重视、人们对环保意识也在不断的提高。所以如何减少环境污染，提高自动化程度，减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，提高产品的质量及经济效益是人们普遍关心的问题。近几年来，许多大中型企业对原有的生产设备进行工艺改进设计，特别是化工、冶金、建材等行业。
1 W+ Q) R2 M- E/ Z+ i2000年底，应某催化剂厂的工艺要求，我公司与其它厂家经过为期一年左右时间共同对其生产工艺进行改进，2002年5月正式投入运行，使用效果较好，具体表现在以下几方面：生产效率提高近4倍；采用DCS控制系统，工艺控制平稳、稳定；系统可靠性大大提高；绿色设计和人性化设计得到充分体现；产品质量和合格率明显提高；节能效果显著。
9 b3 V" v0 M2 [方案设计初，选用皮带输送机进行物料输送，由于物料（铝石和高岭土）的特殊性，粉末状，流动性相当好，采用皮带进行输送，漏料问题成了一大解决难题。当时生产线上有台螺旋给料机，我们借此机会，经过仔细推敲，根据生产工艺的需要，考虑直接对螺旋给料机进行改进，如果可行，这样不但可以很容易解决漏料问题，减轻对环境的污染，减少对人身的伤害，而且还可省去皮带输送机（含电子皮带秤），节约一笔资金，带着一连串的问题，我们开始进行尝试性的改造设计，现在产品使用效果较好，满足生产工艺的要求。
% V# N" \6 @/ q" M2.系统工作原理
系统运行时，通过电子螺旋配料秤对输送的物料进行计量，由电脑积算仪对接收的重量和速度信号处理后转化为累计值和瞬时流量，并将累计值、瞬时流量信号由RS-485口传送给工业控制机（上位机）、以4～20mA模拟电流信号传送给变频调节器，再由变频调节器去调节上级给料机的转速，当流量增大时，降低上级给料机的转速，反之提高上级给料机的转速，从而使得物料的流量和阶段累计量均保持在设定的范围内，进而完成物料的计量和配料。系统工作原理框图见图1所示。
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3.系统设计
从上面的工作原理我们容易看出：配料结果要求各种物料按一定的比例进行混合配比，这样，只要保证各种物料按照预先设定的配比进行混合，就能满足工艺要求。我们根据多年从事衡器的工作经验及借助力学基础知识，利用CAD进行辅助设计，采用杠杆式结构，设计一种噪音低、无摩擦、抗振动、消除气流影响、计量准确、安装调试及维护方便，适用于变化流量下对物料输送和计量的电子螺旋配料工艺秤。因螺旋给料机是一种密封设备，且本身带有动力部分，要想将它改造为一种计量设备，存在以下问题：1.如何进行螺旋给料机的水平度调整？2.如何克服电机运行中产生振动？3.如何消除物料运送过程中产生气流而影响计量精度？4.如何解决一种螺旋给料机只能用于一定流量的物料输送和计量。改造后的结构如图2所示：

图2 电子螺旋秤结构示意图
% R" N8 A) O- M4 t2 u! A1、导气管 2、称重传感器及连接固定机构 3、螺旋给料机
4、软连接机构 5、支撑机构 6、机架
& c: I" e) F! g5 q) C该电子螺旋配料工艺秤主要由积算仪、螺旋给料机、导气管、称重传感器及连接固定机构、软连接机构、支撑机构、机架等部分组成。
3.1积算仪
% M( c8 G+ Z# Z引导式菜单操作，具备报警提示、脉冲输出功能，并可实现自动模拟或实物校准以及手动/自动空秤调零、零点自动跟踪等功能。
具备角度自动补偿、自诊断故障及停电数据保持功能。
% Z% K4 H  B% r  ~4 ]3 k液晶显示，同屏显示流量、累计量、速度（载荷或时间）等数据。壁挂式金属板喷塑外壳，防水、防尘、防强磁场干扰。
具备通讯、打印、4～20mA模拟电流输出等功能。
$ d7 k% Y8 N2 B6 t3.2称重传感器及连接固定机构
5 i  K$ k5 o  @7 l螺旋给料机与称重传感器及连接固定机构的连接部位焊接加强板，称重传感器及连接固定机构上端通过固定螺栓与加强板联接，下端由调节定位块调整水平度，并与机架联接。采用的加强板是一块带圆弧形的钢板或类似物，配焊方便，保证输送机具有足够的强度和刚度；采用的调节定位块是由两块截面类似为三角形的物块组成，可方便调整螺旋给料机的水平位置，通过固定螺栓来调整螺旋给料机的限位，设备调整好后焊接固定，称重传感器和加强块之间放置减振橡胶板，消除振动影响。
5 b' S8 f* |* S3 D! [3.3支撑机构
( I. y, Q; ]/ z螺旋给料机与支撑机构的连接部位焊接加强板，支撑机构上端与加强板联接，下端与机架联接，支撑机构通过连接轴和橡胶轴承联接。导气管安装在出料口端，一端与螺旋给料机联接，另一端联接到上级给料机构。采用橡胶轴承作为支撑点，利用紧固螺母和紧固螺栓进行固定，消除动力部分产生的影响。
3.4软连接机构
7 N! T) i3 U/ a( p1 o3 Z) a6 q对给料机的进出料口进行处理，改硬连接为软连接，让改造的螺旋给料机成为独立单元，消除外界因数对计量精度的影响。
5 d/ J4 l1 X3 ]3.5排气机构
在出料口附近增加夹层，安装导气管，及时排除产生的气体，消除气体带来的压力影响。
: R) T% v% d. L2 l7 N2 m' F3.6寻找螺旋给料机的重心点
充分利用CAD先进技术，在计算机上进行受力分析，找出加载（满载）情况下螺旋给料机的重心点，以便对其进行模拟校准。
5 U( p8 |) g  {# G8 k0 R4.可靠性验证
: h5 [6 U3 g1 _  ?/ z) f4.1校准前的准备
" ]+ v9 K7 H& r: o- c螺旋给料机选用Y4220.100，生产率Q为11.6t/h，倾角为0°，转速为48 r/min，螺距为160mm，功率1.5kW，电流3.7A。
根据公式：Q=47D2ntρψC（1）
Q--物料流量（t/h）
D--螺旋直径（m）
n--螺旋轴转速（r/min）
9 j1 C) {  Z: l0 c# ot--螺距（m）
ρ--物料松散度（t/m3）
Ψ--物料填充系数
C--输送机倾角系数
3 X0 q( Q7 g8 Z0 z' h6 N& x4 k又设：k=D2tρ （2）
4 H' }# j5 Q$ c( oW=mk（3）
0 O$ N: ~, j" T( {% F: Dm--螺距数
, p( t5 J! T9 R/ d: P取：Ψ=0.35，C=1
' n/ J1 q4 O5 d* }  \由（1）、（2）、（3）三式，推算给料机满载时留在给料机内的物料约62.5kg（化整后取65kg）。螺旋给料机自重为88 kg，为此我们选用LB-P-200型称重传感器。
4.2设备校验
4.2.1模拟校准
7 W) d4 m4 {. S% a) C! S8 S. ]按图3所示，固定好给料机和传感器，启动电机进行空载运行，进行零点校准，然后施加80 kg砝码进行模拟校准（线性和量程），发现效果很好，试验结果如表1所示。
  ~( O" P* z/ X7 y1 d* P
表1-1零点累计误差
表1-1零点累计误差
次数        1        2        3        4        5
误差值        0.128%        -0.091%        -1.117%        0.027%        0.113%
: G* g3 \" q6 `& q表1-2量程累计误差
9 |$ z! ?# @; i% Z% Y$ t. a" G次数        1        2        3        4        5
2 y" ?5 [6 X, }/ e% a/ {  t) C误差值        0.232%        -0.131%        -0.241%        0.274%        0.136%
" c& ~) ]: \% o' i& P4.2.2实物校准
按图3试验系统结构图固定好料仓、星型给料机、螺旋给料机等，正确连接传感器与积算器、积算器与PID、PID与变频器、变频器与星型给料机之间的连线，保证螺旋给料机处于相对独立状态。
让PID处于开路状态，启动星型给料机让其以最大速度运行，保证螺旋给料机处于满负荷，进行实物校准，试验结果如表2所示。
" U$ Z. B; U  d  w表2量程累计误差（实物）
, _& K( o& J7 Q+ q& v8 k) u: x0 ]次数        1        2        3        4        5
误差值        0.434%        -0.391%        -0.314%        0.273%        0.0271%
4.2闭环调试
$ P  K/ o% U# j连接变频器、调节器，进行系统闭环调试，在开始施加物料和料仓物料较少时控制较为困难，开始时系统超调现象较严重，但很快就能恢复，随着料仓物料减少，控制曲线波动较大，但料仓中的物料保持在一定的范围内时，控制曲线波动变化比较平稳，但存在较严重的滞后现象，不过，对于同一种物料，在料位稳定的情况下，滞后时间是比较稳定的，通过调整PID内部相关参数，可以解决此问题。
5.存在问题及采取的措施
5.1存在问题
5.1.1由于运送的是粉粒状物料，物料在运送过程中，由于与叶片和筒壁之间相互摩擦，产生静电。
5.1.2物料在运送过程中由于摩擦及叶片间隙等原因致使物料与叶片转速间存在滞后。
3 {: p5 @- q/ Z" p7 X$ w5.1.3物料在运送过程中，由于间隙产生气体，形成气压，对称量造成极不稳定的影响。
5.2采取的措施
* r3 K2 r" [2 {2 s9 D: @7 U$ v" F5.2.1系统接地及防静电处理
* R5 b+ h8 P& ]- Z- f现场对设备进行良好的接地处理，确保静电消除。
9 l; m) g. ~2 W6 p3 z% [9 B1 E5.2.2充分利用经验及控制理论
反复进行试验，记录试验数据，并对试验数据进行技术处理，建立数学模型，并利用实际经验进行修改，调整PID内部参数，完全克服系统的滞后现象。
5.2.3增加排气装置
* H$ u. f6 x& ~7 U/ Q- G6 S在给料机出口处增加排气装置，将筒内的气体及时排除，一方面消除气流影响计量的准确度，另一方面保证物料顺利送走。
6.结束语
/ }" p' O7 h9 ~4 ^通过现场使用验证，该种设备不仅适用于流动性较好的粉末状、小颗粒状物料，而且还适用于具有一定粘度的、流动性较差的物料，在化工、冶金、建材等行业，该种设备及控制方式值得在相应系统中推广使用。