计重式流量计量系统应用

计重式流量计量系统应用
作者：叶耀强
摘要：采用电子称称重的方式，通过控制输送电机的速度来控制计量物料重量的减少速度，从而实现物料的连续稳定计量，确保了配方的准确性。

关键词：计重式；流量计量；连续计量；闭环控制
引言：
1、流量计量系统的应用范围
随着科学的发展，人们生活水平的提高，劳动力成本也在不断的上涨。

为了节约生产成本，提高生产效率，许多机械式劳动都将由机械取代人工完成。

原材料按配方比例进行混合的场合就非常的多。

如化工原料的配送，动物饲料配送，饮料原料配送，医药成分按配方进行计量混合等等，这些场合都应用到了计重式计量。

为了提高生产效率，连续式计量生产就成了生产技术发展的必然结果，单位时间内物料重量的变化量就成了整个生产过程中必需控制物理量，单位时间内流动物料体积（重量）的变化量，我们定义为流量，本文中会以重量为主要控制量，所以下文中提及流量就是指单位时间内重量的变化量。

这个根据重量的变化计量方式及控制系统，我们称之为计重式流量计量系统。

2、计重式流量计量系统的优势
计重式流量计量系统由于是时刻按配方计量配送原材料，通过微分形式进行配送，所以这个计量系统具备高精度，连续化生产，提高生产效率，节约人工成本等优势。

3、计重式流量计量系统的结构简介
计重式流量计量系统主要由三大部分构成，1、重量检测部分；2、控制系统；3、执行元件。

重量检测部分，主要由动态电子称组成，动态电子称的精度越高越稳定，就越能体现稳重物的实际变化情况，对整个系统的计量就越是有利，控制精度就越高。

执行元件一般是以电机、高精度气缸、油缸等动作元件为主，高精度动作元件更佳，如步进电机，计量动作气缸、油缸等。

用于计量物品的配送。

控制系统，主要由PLC、DCS系统、单片机等控制元件组成，是整个系统的控制核心，主要作用是实现执行元件速度环、电流环的控制。

对各种数据进行采集、分析处理、得出想要的结果后输出给执行机构。

4、计重电路原理
图1 计重式计量系统原理图
如图1，在各个元部件都相继通电的情况下，外部输入元件（如按钮、触摸屏、电脑等）对控制系统输入外部控制要求（流量大小、报警范围、启停延时、启动信号等），控制系统对变频器输出启动信号及给定运行频率。

电机在变频器的直接控制下启动运行，变频器将电机运行的电流及运行频率反馈给控制系统。

与此同时，重量检测部分会将传感器重量的变化而产生的电流变化传输给控制系统，控制系统不断地对重量信号采集，统计出单位时间内重量的变化。

如1S采集一次实时重量，先取30S做基础数据A1,A2,…A30。

第31S开始，10S一个周期，这样就有10个重量值A31…A40，A1-A31=C1，A2-A32=C2，A3-A33=C3…A10-A40=C10。

(C1+C2+…
C10）*120/10=D1。

D1就为第30S到40S间的流量值，可以用于计量。

下一个10S采集到的重量值就是A41…
A50，A11-A41=C11，A12-A42=C2…A20-A50=C20。

(C11+C12…C20)*120/10=D2，D2就是40S到50S间的流量值了。

如此类推，每10S间流量就可以出来了。

系统运行流量值出来后与外部输入元件输入的目标流量进行比较，多了就降低电机运行频率，以减少物料的输送；少了就加大电机运行频率，以增加物料的输送，从而达到指定流量的物料供给。

5、环控制理论分析
本系统按信号传递路径来分，可以划分到闭环控制系统里；按系统功用来分，可以划分到恒值控制系统里。

在这里我们按闭环控制系统来分析该系统。

一般情况下，加到我们分析的这个系统的外作用有两种：一种是输入即图2中R(s)，我们给定的目标设定值；
另一种就是扰动。

有用的输入决定了系统被控量的变化规律；而扰动量则是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制作用。

在实际应用中，扰动是不可避免的，而且它可以作用于任何控制元件上，也可能有多个扰动输入作用于系统上，如管道振动带来的流量波动，计量罐体安装不准确带来的称重干扰，重量反馈信号受到大电流干扰，电机给定频率信号传输过程中失真等等。

图2 计重式系统控制环
下面是一个标准的闭环控制系统模型：
公式：X(n+1）=X n+(A/X n2-X n)1/3 设A=5，开3次方
5介于13至23之间（1的3次方=1，2的3次方=8）
X0可以取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0都可以。

例如我们取2.0。

按照公式：
第一步：X1=2.0+(5/2.02-2.0)1/3=1.7。

即5/2×2=1.25，1.25-2=-0.75，-0.75×1/3=-0.25，输入值大于输出值，负反馈。

2-0.25=1.75，取2位数字，即1.7。

第二步：X2=1.7+(5/1.72-1.7)1/3=1.71。

即5/1.7×1.7=1.73010，1.73-1.7=0.03，0.03×1/3=0.01，输入值小于输出值正反馈
1.7+0.01=1.71。

取3位数字，比前面多取一位数字。

第三步：X3=1.71+(5/1.712-1.71)1/3=-1.709 输入值大于输出值，负反馈
第四步：X4=1.709+(5/1.7092-1.709)1/3=1.7099 输入值小于输出值正反馈
这种方法可以自动调节，第一步与第三步取值偏大，但是计算出来以后输出值会自动减小；第二步，第四步输入值偏小，输出值自动增大。

当然也可以取1.1，1.2，1.3，……1.8，1.9中的任何一个。

稳定性分析：
设描述线性控制系统的微分方程式如下:
式中, c(t) 为系统计量电机的控制频率; r(t) 为系统输入的流量控制设定值; 系数a0, a1, ⋯ , a n及b0,b1, ⋯ , b m与系统或元器件的结构及参数有关
6、实际应用案例分析
广东省四会市某知名粘胶厂安装的一条硐肟型粘胶生产线。

生产线是将50万粘度的107胶、钛白粉、重钙粉、
白油、硅油按一定的比例在设定的温度下进行混合和反应，从而得到相应的产品。

其中的各种物料就是采用的计重式计量系统进行生产配料。

107胶、白油、硅油计量为液体计量，107胶的流量一般在200Kg/h左右，白油会在120Kg/h左右，硅油会在50Kg/h左右。

根据配方所需流量的大小采用不同量程的电子称及不同型号的泵来满足生产的需求。

电子称的量程为：107胶150Kg，白油120Kg，硅油是80Kg。

电子称的精度在0.01Kg左右，泵流量稳定，只与泵电机的转速成正比。

以107胶计量为例，计量斗装载150Kg的量，计量斗补料下限为30Kg，补料上限为120Kg。

当107胶计量斗重量到达设定补料下限时，计量电机就会根据前一个周期采集的平均运行频率运行，直到物料补充到计量斗补料上限（即120Kg）时，停止补料。

系统进入新的周期，开始根据设定间隔进行重量采集，再根据流量公式，计算出实时流量。

但由于计量斗刚完成补料动作，还存在比较多的干扰因素，如补料关闭阀上残留、计量斗因补料时物料冲击而产生的晃动等。

系统会将补料完成后设定时间内计算出的流量忽略，设定时间过后的流量才用于系统参考。

此时，流量闭环控制系统运算开始工作，根据目标流量与实际流量间的差异对计量泵的运行频率进行跟踪控制，自此流量进入自动控制模式，直到计量斗补料下限，系统补料完成并进入下一个计量周期。

系统实际应用中会出现系统技术性参数影响和外部受力因素干扰。

技术性参数影响如：需计量流量较少的原料时，系统重量采集周期时间内重量变化量会因根据称重仪表本身的采集周期及精度而忽大忽小，此时系统的流量就会比较容易出现较大的波动。

这种情况就需加长系统的采集周期并提高称重计量精度、计量分辨率。

从而稳定流量，降低因系统技术性参数影响而产生的流量波动。

外部受力因素干扰，也就是说电子称受到水平方向以外的力的作用。

如电子称称重模块安装不规范，传感器元件没有处在自由状态；或生产过程中计量斗受了到连接件垂直方向力的作用。

这些情况就要排除系统受到的外力因素了。

外部受力因素干扰一般产生于硬件系统安装和使用过程，避免这样的情况发生就要规范系统硬件的安装流程，合理设计称重系统连接件的安装。

技术性参数影响就要不断地收集不同原料的特性，并进行分析，给出相应合理的技术参数。

7、应用要点总结。

该系统适用于散状可以连续输送的粉体和有流动性的液体的流量计量。

应用要点：1、合理的执行元件（泵体，输送工具）、称重模块精度和量程的选用；2、原料的特性研究，总结出相应的技术参数；3、合理系统连接方式设计，减少外力干扰。

8、结束语
综上所述，计重式流量计量系统是一个在现代生产中，应用广泛的自动化生产组成部分。

它大大地提高了自动化理论在生产中实用性，减少了企业的人工成本，提高了企业的产品质量，加快了我国企业的自动化生产脚步。

为此，我们将更加深入的研究，完善该系统的应用及推广，推动我国自动化生产发展，走向更加辉煌的未来。

【参考文献】。