隨著市場競爭的日益激烈, 飼料生產企業越來越多地關注產品的品質。為了適應不斷變化的市場需求, 飼料加工行業呈現小批量、多品種的生產特點。因此, 以精量投料、生產過程計量、配料、定量包裝為代表的稱重技術在飼料生產中的應用將日益廣泛。
1 稱重技術的最新發展
1.1 模擬式稱重傳感器和A/D 轉換技術
電阻應變片式稱重傳感器( 亦即模擬式稱重傳感器) 是基於這樣一個原理: 彈性體在外力作用下產生彈性變形, 使粘貼在其表麵的電阻應變片( 轉換元件) 也隨同產生變形, 電阻應變片變形後, 它的阻值將發生增大或減小的變化, 再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號, 從而完成了將外力變換為電信號的過程。模擬式稱重傳感器的基本參數包括輸出靈敏度、綜合誤差和阻抗。輸出靈敏度: 在滿負荷( 載荷) 的情況下, 稱重傳感器的直流激勵電壓每增加1 V, 其輸出的增加量被定義為稱重傳感器的輸出靈敏度, 稱重傳感器輸出靈敏度的單位是mV·V- 1。綜合誤差: 稱重傳感器的誤差由非線性、滯後、蠕變、溫度漂移等組成。稱重傳感器的綜合誤差( FS) 一般為0.03%, 也就是傳感器滿量程的萬分之三左右。
阻抗: 稱重傳感器的輸入阻抗一般在450 Ω左右, 輸出阻抗一般在350 Ω左右。隨著微電子技術的飛速發展, 稱重技術中的A/D( 模擬量/數字量) 轉換技術發生了日新月異的變化, 從雙積分到逐次逼近, 從並行口輸出到串行口輸出, 從分離元件前置放大到高度集成數字放大,微電子技術的進步為稱重技術的高速發展奠定了堅實的基礎。
目前, 在稱重控製領域中廣泛使用ΣΔ( Sigma-Delta) 技術的高精度A/D 轉換器件, 該器件將數字可編程增益放大器( PGA) 、增益及零點校正電路、數字濾波電路和A/D 轉換電路封裝在一顆高性能集成電路中, 由於采用串行的I2C 總線輸出,器件的體積變得非常小巧。A/D 轉換可以高達24位, 同時其采樣速度也可以達到4 000 次·s- 1, A/D數據輸出速度達到100 次·s- 1 或更高, 線性誤差為FS 的百萬分之七。
1.2 整體式數字傳感器
整體式數字傳感器在原模擬傳感器的基礎上,增加了數字轉換甚至數字修正、數字濾波和數字補償等功能。由於用數字信號輸出替代原來的模擬信號輸出, 從而克服了傳統傳感器的模擬信號容易受到幹擾和衰減等諸多缺欠, 大大提高了稱重係統的可靠性。數字傳感器的分辨率可達到百萬分之一[ 1 ]。數字稱重傳感器使用方便, 易於構成稱重控製係統。但是數字傳感器的高成本成為它的最大缺點。
1.3 分體式數字傳感器
近年來, 分體式數字傳感器也得到了快速發展。分體式數字傳感器是將原先在數字傳感器內部的A/D轉換電路移至接線盒內, 通常將具有A/D 轉換模塊的接線盒稱為數字接線盒, 再將數字接線盒輸出的數字信號傳遞給顯示控製器, 與整體式數字稱重傳感器相比, 分體式數字傳感器具有成本低,便於由多個傳感器構成稱重單元和易於維護等明顯優點。
1.4 重量變送器
重量變送器常用的有模擬式和數字式兩種。模擬重量變送器是將稱重傳感器重量信號轉換為統一的標準信號, 如: 4～20 mA、0～5 V( 直流) 、0～10V( 直流) 。
數字重量變送器在分體式數字傳感器的基礎上, 增加了校準、皮重處理等功能, 數字重量變送器的輸出可以是稱重係統的淨重, 同時數字重量變送器還具備一定的遠程控製功能。
2 精確投料和生產過程中間計量
精確投料是指運用高精度稱重設備, 對生產中的投料過程進行精確控製, 使飼料產品的單批次產量滿足生產計劃的需求, 避免人為因素造成的投料誤差。生產過程中的中間計量是對飼料生產中的工藝過程進行精確控製, 以提高產品質量和生產效率,使得生產中的工藝調整更有的放矢。
2.1 精確投料秤結構及工作原理
精確投料秤可以分為粗、細( 大、小) 給料裝置, 稱重部件和下料部件。其結構形式如圖1 所示。係統工作時, 粗、細給料裝置向秤鬥( 稱重部件) 加料, 穩定稱重後得到每秤的真實重量並進行累加, 當下料( 鬥) 部件上的料位器檢測到鬥內物料已經排空後, 電腦稱重控製器將秤鬥中的物料排進下料鬥, 完成一個稱重循環。精確投料秤采用專用的稱重控製軟件, 按預先設定的目標重量進行投料, 當累計投料重量達到預先設定的重量值時, 係統自動停止工作並提示操作人員。
2.2 中間計量秤( K8凯发登录入口秤) 結構及工作原理
中間K8凯发登录入口秤結構與精確投料秤結構基本相同,由於無需考慮給料精確性問題, 所以中間K8凯发登录入口秤隻需要一級給料就可以滿足使用要求。中間K8凯发登录入口秤結構同樣為給料裝置、稱重部件和下料部件。其結構形式與精確投料秤相近。係統工作時, 給料裝置向秤鬥( 稱重部件) 加料, 穩定稱重後得到每秤的真實重量並進行累加,當下料( 鬥) 部件上的料位器檢測到鬥內物料已經排空後, 電腦稱重控製器控製將秤鬥中的物料排進下料鬥, 完成一個稱重循環。精確投料秤和中間K8凯发登录入口秤都可以通過國際標準的RS 485 接口將累加重量等信息向上位計算機係統傳輸, 以便對生產過程進行集中控製。
3 稱重配料的實現方法
3.1 減重( 量) 法實現配料
減重( 或者叫申克Schenck) 秤因最早由德國工程師發明而得名。減重配料係統的結構如圖2 所示。由於減量配料秤是“通過控製稱重料鬥內的重量輸出來確定裝料質量的自動裝料衡器”。相關標準應該參照QB/ T 2501—2000《重力式自動裝料衡器》行業標準和國家鑒定規程JJG564—2002《重力式自動裝料衡器》或國際法製計量組織OIML R61執行。
由圖2 可見, 減量秤出料裝置連接在稱重單元上, 省掉了計量鬥, 結構相對簡單。特別適合用做粉狀等有黏性的特殊物料配料。由於減重秤的結構特點, 相對於每次裝料稱重單元的量程要大得多( 一般為5 倍或更高) , 因而減重秤的定量精度相對較低。
3.2 增量法實現配料
累加式配料係統的基本結構如圖3 所示, 設置多個給料裝置向同一個稱重單元供料, 由多個稱重周期構成一個配料過程。由於滿足“有一個稱重單元, 通過多個稱重周期, 控製每次輸出的裝料質量的重力式自動裝料衡器”的定義, 因此, 累加式配料係統屬於重力式自動裝料衡器的範疇, 相關標準應該參照QB / T2501—2000《重力式自動裝料衡器》行業標準和國家鑒定規程JJG 564—2002《重力式自動裝料衡器》或國際法製計量組織OIML R61 執行。為了保證係統的配料精度, 一般要限製係統配料的比例。各個成分間重量比例越高, 相應的配比中比份小的物料的配料精度就會越低。
3.3 配料係統控製方法及人機交互技術
稱重配料控製係統主要由儲料倉、給料裝置、稱重裝置、輸送裝置、電控櫃、微機控製係統構成, 可完成多種物料不同配方配料的自動供料配料。
3.3.1 由模擬傳感器和專用配料控製器構成控製係統
配料控製器除具有一般稱重顯示儀表的功能外, 還具有配方輸入、配方存儲、給料順序設定、放料控製、自動補償等功能。工作時隻要在專用配料控製器上輸入工藝配方, 配料控製器即對各料倉給料順序、給料方式、稱重、卸料等進行控製。該係統適用於物料品種少( 一般在4 種以下) , 常用配方數量不多, 不需對配方數據進行管理的場合應用。其人機交互性較差,但其結構簡單、係統造價低、維護方便。
3.3.2 由數字變送器、PLC 和觸摸屏構成控製係統
配料控製係統自從采用了PLC 控製後, 係統的各項性能指示均有了明顯的提高, 充分體現了可靠、快速、靈活的控製特點, 滿足了較為複雜的工藝要求, 實現了以往難以做到的多種複雜控製和故障保護, 使係統具備了小型化、操作維護簡單化和控製智能化的特點。
在PLC 硬件設計上, 僅保留直接麵向人和設備的輸入和輸出的接口, 省去了一切中間環節, 大大節約了係統的投資。在PLC 的軟件設計上, 采用靈活的編程方式, 使程序更加簡潔易讀、易修改, 也使得係統在控製功能上有著更大的靈活性和適應性。采用觸摸屏進行監控, 可靠性高, 監控實現容易, 觸摸屏與PLC 之間的通信問題生產廠商已處理好, 用戶不用考慮通信問題, 可以大大縮短工程周期。但靈活性一般, 功能有限, 不能滿足複雜控製係統的監控要求, 而且價格高。在係統可靠性要求高、工期短的情況下可以采用此方法。
3.3.3 由數字變送器、PLC 和工控機( 組態軟件) 構成控製係統
PLC 組成的控製係統進行監控一般有3 種方法: 觸摸屏監控、組態軟件監控、第三方軟件編製的監控軟件監控。用第三方軟件編製的監控軟件實現監控, 靈活性好, 係統投資低, 能適用於各種係統。但開發係統工作量大、可靠性難保證, 對技術人員的經驗和技術水平要求高, 還必須購買通信協議軟件。在係統資金投資有限、技術人員水平較高的情況下可以采用此方法。
並用組態軟件實現監控, 功能強大, 靈活性好, 可靠性高。但軟件價格高, 需要解決組態軟件與PLC 的通信問題。在複雜控製係統中可以采用此方法。組態軟件是運行於PC 平台的一個通用工具軟件, 和PC 機或工控機一起也可以組成HMI 產品。通用的組態軟件支持的設備種類多一些, 而且由於其硬件平台的性能強大( 在速度和存儲容量上) , 通用組態軟件的功能也強很多[ 2 ]。由數字變送器、PLC 和工控機( 組態軟件) 構成的配料控製係統如圖4 所示。大中型塑膠自動化控製係統的構成以“ 工控機+PLC”的配置較為常見。
PLC 作為塑膠配料測控係統的現場控製器, 工控機用作上位機, 可通過多種通信方式與PLC 通訊,接收PLC 傳送來的數據信息, 利用組態軟件, 可以很方便的進行實時和曆史數據的存儲、查詢、統計、計算、顯示、打印等功能。
4 飼料及添加劑的定量包裝
由於飼料、添加劑以及預混料的比重、流動性等物理特性的差異, 所選用的相應包裝設備結構也將有所不同。電腦定量秤可以采用國際法製計量組織( OIMLR61) 建議或等效的國家計量鑒定規程JJG 564—2002《重力式自動裝料衡器》標準, 其精度等級用X( x) 表示, 比如: 0.2 級和0.5 級分別表示為X( 0.2) 和X( 0.5) [ 3 ]。設計優良的稱重控製軟件具有良好的用戶界麵, 同時可以優化大給料點、小給料點等係統工作參數, 經過優化的係統參數可以在掉電的情況下保存十年之久。
電腦定量秤都可以通過RS485 接口將每包重量等信息向上位計算機係統傳輸, 以便對累計重量、累計計量誤差等進行統計, 產生日報表、周報表、月報表等, 方便管理。
4.1 顆粒物料的定量包裝
顆粒狀物料( 比如水產飼料) 的流動性非常好。因此, 電腦定量秤基本利用物料流動性好的特點,采用活門自落料的給料方式。對於要求定量精度高或較小秤量量程的場合, 也可以使用振動給料的結構形式。
4.1.1 顆粒物料的大袋定量包裝
20~50 kg 的電腦定量秤采用3 隻稱重傳感器懸掛秤鬥, 氣缸驅動大、小活門方式給料。具有秤鬥穩定性好、定量速度快、精度高的特點。
4.1.2 顆粒物料的小袋定量包裝
1.0~5.0 kg 的顆粒小包裝電腦定量秤, 采用具有兩個獨立稱重單元的雙秤結構, 使用單隻懸臂梁式稱重傳感器連接秤鬥。由氣缸驅動的活門和振幅可以調整的振動給料器分別構成大、小給料係統,這樣的給料係統充分利用了活門給料快速和振動給料精確的特點, 電腦定量秤包裝速度快, 精度高。
4.2 顆粒、粉狀混合物料的定量包裝
顆粒、粉狀混合物料( 畜禽飼料) 多采用皮帶輸送式給料裝置, 亦即采用小型皮帶機供送物料, 可采用變頻技術改變皮帶機的帶速, 進行給料速度的調節, 也可以使用控製物料厚度的插板和截料門控製形成兩極給料模式。由於使用截料門、皮帶上物料厚度調節擋板、
變頻電機等一係列技術措施, 保證了給料電腦定量秤高速、高精度、穩定的工作。
4.3 粉狀物料的定量包裝
粉狀物料使用螺旋( 絞籠) 推進式給料裝置給料, 由於定量包裝的重量不同, 電腦定量秤的結構也有變化。
4.3.1 粉狀物料的大袋定量包裝
粉狀物料的大袋定量包裝一般使用大絞籠和小絞籠構成兩級給料係統。兩隻絞籠均呈水平布置。為提高係統的計量精度, 在絞籠出口處設有截料門。
秤鬥采用圓柱形內開門結構, 3 隻稱重傳感器呈120°分布懸掛秤鬥。稱重係統具有穩定、密封性好的特點。
4.3.2 粉狀物料( 添加劑) 的小袋定量包裝
粉狀物料的小袋包裝( 0.1~5.0 kg) 一直是電腦定量包裝中的難題, 其難度主要表現在兩個方麵。一方麵由於粉料大多具有黏性, 這使得給料變得很困難, 同時物料也容易粘到所接觸的地方; 另一方麵在包裝的過程中容易揚塵, 如果使用塑料袋包裝, 由於靜電的作用, 粉料容易粘到包裝袋上, 使熱合封口非常困難。
市場上最新設計的粉狀物料小包裝電腦定量秤, 采用全新的係統結構, 很好地解決了粉料小包裝電腦計量中的技術難題。如圖5 所示, 係統采用錐形料鬥儲存物料, 豎絞籠給料的工作方式; 豎絞籠采用步進電機驅動。夾袋機構和秤台一體作為承重部件安裝到稱重傳感
器上。係統進入自動工作狀態後, 首先步進電機高速轉動, 快速向口袋( 罐) 中加入物料, 當接近包裝重量時, 步進電機驅動豎絞籠慢速向口袋( 罐) 中加入物料, 當重量達到目標包裝重量時, 步進電機停止轉動, 完成一個稱重周期。
由以上的工作過程可以看出, 由於沒有傳統定量包裝秤的計量鬥, 絞籠排的物料直接進入包裝容器中, 從而從根本上避免了由於黏料帶來的計量誤差; 同時罐裝的過程是一個漸進的相對平穩的過程, 避免了傳統電腦定量秤開秤鬥門集中罐裝時帶來的粉料K8凯发登录入口過大、包裝容器中的空氣由於不能在瞬間排出而與粉料親和造成大量揚塵的問題。該型粉狀料電腦定量秤由於機械結構合理, 運行可靠, 可以滿足高速度、高精度粉狀物料定量包裝的需求。
5 結束語
從精確投料到中間計量, 從係統配料到最後成品的定量包裝, 現代稱重控製技術在飼料生產行業中的應用十分廣泛。隨著技術的不斷進步和生產管理水平的不斷提高, 稱重控製技術在包括飼料行業在內的很多生產行業中的應用前景將十分廣闊。

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