基于振動(dòng)給料及分段控制的新型粉末計(jì)量設(shè)備研究

陳哲希

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

0 引 言

在食品、包裝、藥品和化工等領(lǐng)域普遍需要對粉末材料進(jìn)行計(jì)量分裝。特別在藥品及化工領(lǐng)域，單份粉料計(jì)量需要具有精度高、劑量小和不可磨擦等特點(diǎn)，目前這些應(yīng)用往往通過人工手動(dòng)完成[1]。隨著我國制造技術(shù)的快速發(fā)展，電子技術(shù)的不斷滲入，粉料計(jì)量裝置由從前的機(jī)電結(jié)合式到現(xiàn)在的智能數(shù)字式，控制技術(shù)也從靜態(tài)控制到動(dòng)態(tài)控制的轉(zhuǎn)變，以滿足市場不斷提升的需求[2]。本文設(shè)計(jì)了一種新型的粉末計(jì)量機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)基于振動(dòng)給料及天平反饋，通過分段電壓控制實(shí)現(xiàn)粉料的精確計(jì)量。

1 粉末計(jì)量設(shè)備現(xiàn)狀

目前市場上大多數(shù)的粉料計(jì)量設(shè)備多見于機(jī)電結(jié)合型的送料機(jī)構(gòu)，其計(jì)量規(guī)格和計(jì)量精度由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。為滿足柔性制造的需求，新型的粉料計(jì)量設(shè)備逐漸向數(shù)字化、智能化發(fā)展，力求提高粉料計(jì)量的精度及效率，滿足用戶多樣化、定制化的需求[3]。

文獻(xiàn)[4]提出一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字智能型螺旋式計(jì)量送料裝置，該裝置分送料系統(tǒng)及稱重系統(tǒng)兩個(gè)部分，送料機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器和螺桿組成。通過給定電機(jī)轉(zhuǎn)角，帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)將粉料定量給出，其計(jì)量精度取決于螺桿螺距及電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制精度。設(shè)備選用AT89C52單片機(jī)作為控制器，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)返回物料的質(zhì)量信息，數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換傳到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。設(shè)備通過設(shè)置目標(biāo)值、誤差等參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)不同粉末的自動(dòng)計(jì)量。

文獻(xiàn)[5]提出一種基于PLC控制的粉末計(jì)量設(shè)備。該設(shè)備通過料斗下料、傳輸帶送料及壓力傳感器質(zhì)量反饋實(shí)現(xiàn)粉料自動(dòng)稱重。設(shè)備的下料斗安裝于傳輸帶之上，傳輸帶下方中央加裝壓力傳感器，通過單位面積的壓力值及傳輸帶移動(dòng)速度計(jì)算出粉料的實(shí)時(shí)流量。該設(shè)備應(yīng)用于需要多種粉料定量配比的應(yīng)用當(dāng)中。

文獻(xiàn)[6]提出一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的粉料計(jì)量機(jī)構(gòu)，螺旋機(jī)構(gòu)一大一小，平行安裝。大螺旋機(jī)構(gòu)用于粉料的粗加料，其目的在于減少計(jì)量時(shí)間增加效率。小螺旋機(jī)構(gòu)用于精確加料，其目的在于保證計(jì)量精度。設(shè)備開始運(yùn)行時(shí)大小螺桿同時(shí)打開，當(dāng)計(jì)量質(zhì)量接近目標(biāo)質(zhì)量時(shí)，大螺桿停機(jī)，小螺桿繼續(xù)給料，直至稱重完成。設(shè)備通過雙螺桿設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧了粉料計(jì)量的效率及粉料計(jì)量的精度。

上述粉料計(jì)量裝置多采用螺旋結(jié)構(gòu)，材料在其中會(huì)發(fā)生摩擦，難以運(yùn)用在炸藥或藥粉等不能摩擦的材料計(jì)量應(yīng)用中。這類應(yīng)用往往有計(jì)量粉料量小、計(jì)量粉料精度高、粉料不能摩擦和粉料非自流等特點(diǎn)。針對此類應(yīng)用，可設(shè)計(jì)采用一種基于振動(dòng)下料的新型計(jì)量設(shè)備，該設(shè)備采用閉環(huán)分段控制的方式，實(shí)現(xiàn)粉料的高精度計(jì)量。該粉料計(jì)量系統(tǒng)由下料模塊、稱重模塊及控制系統(tǒng)組成。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 下料模塊

下料模塊主要由料粉料倉、料倉倉門、送料槽、直線輸送器和振料底座組成。粉料料倉安裝在直線輸送器上，與直線輸送器整體連接。直線輸送器采用振動(dòng)形式送料，料倉中的粉料均勻振動(dòng)分離。料倉內(nèi)加設(shè)濾網(wǎng)，用于打碎結(jié)塊粉末。料倉出口處加裝料倉門，使出料口可調(diào)節(jié)開口大小，根據(jù)不同粉料目數(shù)及特性調(diào)節(jié)出粉量，粉料沿送料槽下料。下料方式采用振動(dòng)下料的形式，下料時(shí)由整體下料模塊底座獨(dú)立支撐，與稱重模塊分開避免互相影響。

系統(tǒng)通過改變振動(dòng)的電壓及頻率來控制粉料的下料速度。在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)諧振點(diǎn)固化振動(dòng)頻率，通過調(diào)整振動(dòng)電壓的大小來改變振動(dòng)幅值，實(shí)現(xiàn)對粉末下料流速的控制。振動(dòng)控制器的輸出電壓采用遠(yuǎn)程PC控制，PC端通過改變模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)對不同粉末及不同粉量的精確計(jì)量。

2.2 稱重模塊

稱重模塊主體為精密電子天平，天平通過RS232串行接口與PC端連接。PC端負(fù)責(zé)對電子天平的控制及實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)的處理，電子天平數(shù)據(jù)反饋周期為每秒20～40組，可以滿足控制要求。天平通過支架獨(dú)立支撐，天平底座采用厚金屬板支撐增加質(zhì)量，保證稱重穩(wěn)定。天平表面加防護(hù)罩避免粉塵流入。

如圖1所示，電子天平在上電時(shí)需要進(jìn)行內(nèi)校及通電預(yù)熱，以適應(yīng)稱重環(huán)境。第一次稱重前需在空載時(shí)清零。實(shí)際稱重時(shí)，先對裝粉料的空碗穩(wěn)定去皮(用時(shí)約1 s)，然后下料稱重，直至到達(dá)目標(biāo)值后停止，粉料最終質(zhì)量需要有2 s的穩(wěn)定讀數(shù)后輸出。

圖1 電子天平稱重流程

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示，粉料計(jì)量控制系統(tǒng)以粉料目標(biāo)質(zhì)量作為給定量r，稱重測量值z作為反饋，模擬量振動(dòng)電壓控制粉料下料速度，下料質(zhì)量y作為系統(tǒng)輸出，構(gòu)成自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)反饋偏差e經(jīng)過分段算法、D/A轉(zhuǎn)換傳到振動(dòng)控制器，振動(dòng)控制器將模擬量轉(zhuǎn)換成輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對粉料下料速度的控制。系統(tǒng)PC端通過串口和電子天平進(jìn)行連接，對粉料進(jìn)行稱重。計(jì)算機(jī)通過串口周期讀取天平數(shù)值(即當(dāng)前粉料的質(zhì)量)，并和目標(biāo)值進(jìn)行比較判斷，通過分段算法控制振動(dòng)送料過程，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖2 稱料反饋控制系統(tǒng)框圖

3.2 分段控制方法

系統(tǒng)通過電子天平的實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行閉環(huán)稱重控制。為了在保證精度的前提下提高稱量速度，粉料稱重過程通過計(jì)算分段完成。考慮控制電壓不發(fā)生跳變，電壓控制分成3段，包括常電壓段、線性減電壓段和PID調(diào)節(jié)電壓段。常電壓段為一個(gè)電壓常數(shù)，目的在于前期能夠快速出料提高稱粉效率。線性減電壓段是一個(gè)系統(tǒng)從快速出料到精確稱量的過渡段，其起始電壓與常電壓段的電壓值相同，末尾段與PID電壓調(diào)節(jié)上閥值相同。PID調(diào)節(jié)電壓段采用PID算法，通過整定PID參數(shù)，能精確地稱量到所需的目標(biāo)質(zhì)量。

圖3 分段控制過程圖

控制算法是以粉末實(shí)時(shí)稱重的質(zhì)量為自變量，輸出電壓為因變量。如圖3所示:a為常電壓段與線性減電壓段分界點(diǎn);b為線性減電壓段與PID調(diào)節(jié)電壓段分界點(diǎn);c為粉末最終所需稱重的目標(biāo)質(zhì)量;C為常電壓段的輸出電壓;B和A分別為PID調(diào)節(jié)電壓段的電壓上限與下限。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)通過PC界面與人交互，在界面中可設(shè)定需要稱量的目標(biāo)值，并針對所稱粉料特性對分段節(jié)點(diǎn)、常電壓值、PID調(diào)節(jié)電壓上限與下限等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以滿足不同粉料、不同質(zhì)量的個(gè)性化計(jì)量。

3.3 人機(jī)界面及參數(shù)設(shè)置

不同粉料在目數(shù)、黏度和材料特性方面都有區(qū)別，在相同振動(dòng)電壓下，不同特性的粉末出料速度也各不相同。為迎合不同場合下的個(gè)性化粉末計(jì)量，設(shè)備不僅支持任意目標(biāo)質(zhì)量的稱量需求，也支持針對特定粉末設(shè)定稱量過程參數(shù)，使設(shè)備能夠適應(yīng)各種類型的稱量應(yīng)用。

系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換模塊及RS232接口實(shí)現(xiàn)PC端與設(shè)備的連接，人員可以通過PC軟件界面對設(shè)備進(jìn)行啟停、設(shè)置參數(shù)等操作。PC端軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)記錄，每次稱重完成后會(huì)將質(zhì)量結(jié)果、總用時(shí)、分段用時(shí)、運(yùn)行參數(shù)和時(shí)間等信息全數(shù)記錄，并以報(bào)表形式導(dǎo)出，以便追溯及后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

如圖4所示，界面包含工位狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄和參數(shù)設(shè)置三部分。工位狀態(tài)界面顯示工位運(yùn)行時(shí)的電壓輸出、稱重質(zhì)量和結(jié)果反饋等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄界面包含稱重結(jié)果和報(bào)表導(dǎo)出。參數(shù)界面可設(shè)置包含目標(biāo)值、分段閥值和PID系數(shù)等參數(shù)，以適應(yīng)不同情況下的生產(chǎn)需求。

圖4 PC端人機(jī)交互軟件界面

4 測試驗(yàn)證

設(shè)備通過對實(shí)際用戶方非自流粉末進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證。

該粉末用于制作粉末壓片，粉末稱量后通過壓機(jī)進(jìn)行壓制。壓片需要保證±10 mg的質(zhì)量誤差，因此要求稱重精度在±10 mg內(nèi)，粉料稱量目標(biāo)為2 500 mg。

如表1所示，測試樣數(shù)共為9組，觀察稱重結(jié)果發(fā)現(xiàn):有2組無質(zhì)量偏離,1組有1 mg質(zhì)量偏離,2組有2 mg質(zhì)量偏離,2組有3 mg質(zhì)量偏離,1組質(zhì)量低于目標(biāo)值4 mg和1組質(zhì)量高于目標(biāo)值5 mg。整個(gè)系統(tǒng)稱重誤差基本分布在目標(biāo)值精度范圍內(nèi)，且達(dá)到了±5 mg的稱重精度。系統(tǒng)每組平均用時(shí)35 s左右，其中常電壓段(表中段1用時(shí))用時(shí)最多，一般大于20 s，線性減電壓段(表中段2用時(shí))和PID調(diào)節(jié)電壓段(表中段3用時(shí))用時(shí)較少，均為7 s左右，說明90%的粉量稱重在第1段完成，剩余10%的粉量在2、3段完成。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該設(shè)備能夠在保證稱重精度的前提下，最大限度地提高稱重效率，其間由于段2的銜接不會(huì)發(fā)生電壓跳變。

5 結(jié)束語

通過對實(shí)際用戶粉末的運(yùn)行驗(yàn)證，設(shè)備能在保證±10 mg精度的前提下快速完成粉末的稱量作業(yè)。設(shè)備通過振動(dòng)給料的形式，很好地解決了某些不能摩擦粉末的計(jì)量難題。通過分段控制及PID調(diào)節(jié)，可在粉末稱量的效率和精度間取得最優(yōu)的平衡。設(shè)備通過PC端軟件界面操控，具備易連接、穩(wěn)定性高、操作便捷和數(shù)據(jù)記錄完備等優(yōu)點(diǎn)，是一種能適應(yīng)各種質(zhì)量，各種粉末的數(shù)字化和個(gè)性化的粉末稱量設(shè)備。

表1 用戶粉末測試結(jié)果