自动计量散装机的应用原理及优势

为了使参与水泥散装的工人从重复的作业动作中解放出来，使企业降本增效，提高水泥散装环节的自动化程度，提高水泥散装的效率，研发了一种自动识别实时重量的自动散装机。此散装机系统摒弃了原来的磅秤信息传输装置，实现了散装的同时又达到计重的目的。在物料流动的过程中实时监控水泥灰输送的流量及重量，设计了由各闸阀、流量监测装置、智能散装机、伸缩散装头等部分组成的自动散装装置，经实际运用后，能够实现散装过程全自动无人化，大大提高散装水泥出厂效率。1、散装机发展现状水泥散装机是水泥散装出厂过程中尤为重要的机械设备，它是将水泥储存库里的细灰定量输送到车辆储存罐里的一个媒介。一般的水泥散装机是由给料器、螺旋闸阀、通风输送斜槽、散装头、磅秤及传输装置、控制柜等装置构成的。当前阶段我们使用的散装机存在装置复杂、依靠人为干预、准确性和稳定性不高等不足。传统的水泥散装机需要人为控制，计量显示必须经过磅秤的校核，停车位置需要人为指挥等，这都达不到智能工厂的要求。从散装行业发展趋势来看，未来的新型散装机械应该走机械一体化和程序控制双管齐下的自动化发展道路，创新型自动散装机的智能化自主设计和应用是整个散装行业发展的必然要求。2、总体设计结构和原理2.1结构分析本文介绍的智能化自动散装装置主要由手动闸阀、充气分料箱和气动闸阀、流量计量阀装置、通风输送斜槽、带钢丝绳的电机、全自动散装机（含3D扫描装置）、内外筒散装伸缩头和智能控制系统等部件构成。水泥库卸料装置由手动闸阀、充气分料箱、气动开关阀、电动流量阀和输送斜槽组成。自动散装机结构示意如图1所示。（1）手动闸阀。这是防止水泥库内物料外泄的第一道关卡，供检修、维护、故障处理或其他需要使用，如在处理库内因潮湿等原因形成的结块堵塞物料流通路径时使用。（2）充气分料箱和气动闸阀。气动闸阀实际应用中也有截止阀的作用，可以对正在流动的流体进行切断或者节流，它可以根据控制指令自动启停，气缸工作气源为压缩空气。充气分料箱是由罗茨风机提供气源，其作用是助流活化物料，使物料顺利、快速地通过料箱。气源（罗茨风机）现场安装如图2所示。图1自动散装机结构示意图2罗茨风机（3）流量计量阀装置。用于控制物料流量。电动执行机构按控制装置指令实时调控流量阀开度（阀位），达到在给料量满足装车速率要求的同时，稳定物料实时流量的目的。控制系统显示屏上有阀位给定和反馈，显示流量PID控制的执行状态，通过流量阀的位置给定和反馈可以及时发现流量阀是否存在故障。流量阀阀位反馈可以显示流量阀的启停状态，“1”为流量阀全开，“0”为流量阀全关。当流量阀阀位给定和反馈数值相差过大时，可能出现了流量阀堵转或流量阀故障，需要及时停机处理。（4）通风输送斜槽。要求斜槽安装角度不小于3°，不大于15°。输送斜槽是物料的通行路径，斜槽上面为物料，下面为流动的空气，在流动空气的作用下通过一个有一定坡度的斜槽来助流活化和输送物料。通风输送斜槽（含气动破碎机）如图3所示。图3通风输送斜槽（5）带钢丝绳的电机。该电机是用来上提和下放伸缩散装头的装置，电机提供动力，钢丝绳作为牵引媒介。因为整个散装装置机架是固定的，所以上限位固定，下限位是不固定的，其根据车辆的高低和车辆进料口的位置而定，以此达到装车的目的。（6）含3D扫描装置（视频定位系统）的全自动散装机。散装机之中镶嵌的转子秤是整个机构的灵魂，一定量的物料流体进入圆盘形状的转子秤，在转子秤里的叶轮不断旋转的作用下，物料流体在进料口至出料口半圆周内均匀地流动，控制喂料转速即可调节流量。因为整个转子秤的秤体是类似天平的一种机构，此时可以将转子秤形象地看为有左右两个托盘的天平，秤体一侧有物料，另一侧没有物料，这就会使转子秤失去平衡，物料的重量就会由称重传感器检测送入控制仪表，同时也会把检测到的物体的流动速度信号一并反馈，经集成处理后可以得到瞬时流量及物料累计量。视频定位系统是在每一个散装库安装两台摄像头、一台无线路由器和一台平板电脑。转子称重装置如图4所示。（7）内外筒散装伸缩头。兼具下料和收尘的作用。与散装伸缩头连接的收尘器更加的高效、智能和多元化，在达到良好收尘效果的同时，也降低了的转子秤在计量过程中的误差。收尘器与计量秤通过的物料量通过电气软联锁连接，根据转子秤出来的物料量在通过伸缩筒时可以智能感应，此时，收尘器中的变频器根据下料的反馈信号来控制收尘器中风力的大小，节能降耗效果显著。图4转子称重装置结构示意（8）控制系统。计算机程序控制和PLC控制是散装控制系统的核心技术，它们集成在控制柜中。控制柜内集中了与控制有关的电气设备，如PLC、人机界面操控屏、变送器、变频器、断路器、接触器、隔离变压器、开关电源和继电器等，可以完成物料计量、智能装车等作业流程。散装机现场安装如图5所示。图5散装机2.2工作原理2.2.1伺服控制原理散装控制系统采用PLC控制，传感器采集的信号传输到变送器，经其处理，将采集的信号转换成可编程控制器能够接受的4~20mA标准信号，由PLC和计算机程序控制完成运算、判定、补偿、设定、调节、显示等任务。PLC还完成对附属设备的顺序智能控制。2.2.2操作介绍带有触摸屏的散装现场控制箱上有“上升”“下降”“开始装车”“停止装车”“急停”五个按钮。触摸屏可以显示实时车重和装车量。若需关闭主控柜电源，应先在触摸屏“操作画面”按“停机”键，待开关变红后，再拉下主控柜内的总电闸。特别注意，主控柜上的“急停”开关可同时停下除计量秤以外的电气设备，只在出现紧急状况下使用。菜单画面和散装操作页面如图6所示。图6菜单画面和散装操作页面操作界面左侧为散装系统的各种配套设备的运行启停状态。这部分需要设备管理和使用者特别熟悉，货车司机不可点击操作。主要有两个按钮键并伴有指示灯，当指示灯显示绿色，表示系统全部功能开启；指示灯显示红色，表示系统处于关闭状态。开机时系统会伴有一段时间的“热身”状态，这段时间的长短在系统参数中已经设置好，一般不做修改，当指示灯显示为绿色后，方可进行下一步操作——开启计量秤重设备，特别注意，转子秤是单独启停的，不与系统联锁。当“装车启停”显示启动后，系统将按顺序依次启动收尘器、破碎机、斜槽风机、助流风机、流量阀、开关阀；停机时，系统将以启动顺序的反向顺序依次停机。2.2.3计量秤原理计量装置主要采用了科里奥利力的惯性原理来进行计重，这也是此类转子秤重设备的优势所在。物料在这个必经之路的旋转或振动空间中，由于物料本身具有惯性，就有沿原有运动状态继续运动的趋势。此时将旋转或振动的空间看作参考系，则可将物料看作只做直线运动。在实际生产中，这个空间的旋转或振动频率是固定不变的，所以其角速度是一个固定的常数，而物料在此空间中受到的假想的科里奥利力只与其质量和流速有关，其质量流量就是体积流量和介质密度的乘积，体积流量则是流动速度与管道横截面积的乘积。最后通过计算机软件换算即可求出水泥物料的重量。科里奥利力为，其中m代表质点的质量，为标量；ω为参考系的转动角速度，为矢量；V为质点的运动速度，为矢量。其计量原理图示如图7所示。其中角速度ω的方向是人为根据右手螺旋定则规定的，O点为旋转参考系的中心点，a、b均代表旋转参考系中的物料质点，箭头代表各矢量的方向。一般情况下，细粉末状物料在风力作用下的运动可作流体计算处理。以科里奥利力为原理的测量质量流量设备，通过比体积换算后进行差值计算，使得计量结果更加准确，自动化程度更高。其计量的核心部件是质量流量控制器，它就是采用科里奥利力计量原理，运用感热式测量，通过模拟电压、电流或者串行通讯输出流量值。它不会因为气体温度、压力的变化而影响到测量的结果。质量流量计控制器是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表。本身除了测量部分，还带有一个电磁调节阀或者压电阀，这样质量流量控制本身构成一个闭环系统，用于控制物料的质量流量。质量流量控制器的设定值由计算机和PLC支持。本计量装置具有高精度的计量结果，可以消除零点漂移现象和温度变化对精确测量密度造成的较大误差。图7科里奥利力计量原理图示点动确认测量盘（位于计量秤内，通过秤体上检视孔观察）转向是否正确，俯视逆时针转向是正确方向；假如多车出现误差较大情况时需要对计量装置重新标定，即：新流量系数=旧流量系数×过磅重量/计量重量，若设旧流量系数为f，散装车本次装车过磅净重为a吨，计量重量为b吨。套用标定公式得：新流量系数u=fa/b。需要特别注意的是计量秤开机稳定运行至少10min以上（为了使电子秤电路系统的电子元件达到热稳定状态），方可开机装车。3、应用优势本系统采用集成控制，操作简单。操作人员可在较短时间内实现对该系统的熟悉和应用。具有完整的数据处理和管理系统，内容包括散装过程控制、实时散装量监控、散装动态总量累计、装车记录、统计报告、报警记录、支持数据上传等。本系统也可配备远程服务，可以把传统本地装车为中控DCS控制，进一步减少现场操作人员及工作强度。装车记录和统计报表页面如图8所示。图8装车记录和统计报表页面本散装机设备可以实现在断电时也会保存之前的数据，不会出现数据丢失现象，散装设备控制单元与刷卡识别系统直接相连，装车数据可以实时传输和共享；适用于水分小于5%、粉末颗粒直径不大于5mm的物料；在零下20℃、零上60℃和相对湿度不大于95%的自然环境下均可正常工作；台时产量高，其计量上限可达250t/h。其在行业的普及，未来可期。全自动散装机完成了对粉末状物料的连续、稳定、均匀给料。由日常监测的45t散装装车重量数据为模型，对其计重数据进行误差比对。实验数据折线图如图9所示。图945t散装水泥出厂重量检测由实测数据可以看出，其测量值在实际值上下浮动，处于动态平衡状态。通过计算分析可以得出整组数据方差为8.7×10-6，因此可以看出其方差特别小，数据之间偏离量较少、离散程度低，整体来看，