高精度稱重技術(shù)在飼料配料過程中的運用
隨著市場競爭的日益激烈, 飼料生產(chǎn)企業(yè)越來越多地關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)。為了適應不斷變化的市場需求, 飼料加工行業(yè)呈現(xiàn)小批量、多品種的生產(chǎn)特點。因此優(yōu)眾力科技以精量投料、生產(chǎn)過程計量、配料、定量包裝機為代表的率稱重技術(shù)在飼料生產(chǎn)中的應用將日益廣泛。
1 稱重技術(shù)的發(fā)展
1.1 模擬式稱重傳感器和A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)
電阻應變片式稱重傳感器（ 亦即模擬式稱重傳感器） 是基于這樣一個原理: 彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形, 使粘貼在其表面的電阻應變片（ 轉(zhuǎn)換元件） 也隨同產(chǎn)生變形, 電阻應變片變形后, 它的阻值將發(fā)生增大或減小的變化, 再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)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(shù)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、滯后、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(shù)的飛速發(fā)展, 稱重技術(shù)中的A/D（ 模擬量/數(shù)字量） 轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化, 從雙積分到逐次逼近, 從并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(shù)字放大,微電子技術(shù)的進步為稱重技術(shù)的高速發(fā)展奠定了堅實的基礎。
目前, 在稱重控制領域中廣泛使用ΣΔ（ Sigma-Delta） 技術(shù)的高精度A/D 轉(zhuǎn)換器件, 該器件將數(shù)字可編程增益放大器（ PGA） 、增益及零點校正電路、數(shù)字濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路封裝在一顆高性能集成電路中, 由于采用串行的I2C 總線輸出,器件的體積變得非常小巧。A/D 轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)字稱重傳感器
整體式數(shù)字傳感器在原模擬傳感器的基礎上,增加了數(shù)字轉(zhuǎn)換甚至數(shù)字修正、數(shù)字濾波和數(shù)字補償?shù)裙δ堋Ｓ捎谟脭?shù)字信號輸出替代原來的模擬信號輸出, 從而克服了傳統(tǒng)傳感器的模擬信號容易受到干擾和衰減等諸多缺欠, 大大提高了稱重系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字傳感器的分辨率可達到百萬分之一[ 1 ]。數(shù)字稱重傳感器使用方便, 易于構(gòu)成稱重控制系統(tǒng)。但是數(shù)字傳感器的高成本成為它的大缺點。
1.3 分體式數(shù)字傳感器
近年來, 分體式數(shù)字傳感器也得到了快速發(fā)展。分體式數(shù)字傳感器是將原先在數(shù)字傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路移至接線盒內(nèi), 通常將具有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒, 再將數(shù)字接線盒輸出的數(shù)字信號傳遞給顯示控制器, 與整體式數(shù)字稱重傳感器相比, 分體式數(shù)字傳感器具有成本低,便于由多個傳感器構(gòu)成稱重單元和易于維護等明顯優(yōu)點。
1.4 重量變送器
重量變送器常用的有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬重量變送器是將稱重傳感器重量信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標準信號, 如: 4～20 mA、0～5 V（ 直流） 、0～10V（ 直流） 。
數(shù)字重量變送器在分體式數(shù)字傳感器的基礎上, 增加了校準、皮重處理等功能, 數(shù)字重量變送器的輸出可以是稱重系統(tǒng)的凈重, 同時數(shù)字重量變送器還具備一定的遠程控制功能。
2 投料和生產(chǎn)過程中間計量
投料是指運用高精度稱重設備, 對生產(chǎn)中的投料過程進行控制, 使飼料產(chǎn)品的單批次產(chǎn)量滿足生產(chǎn)計劃的需求, 避免人為因素造成的投料誤差。生產(chǎn)過程中的中間計量是對飼料生產(chǎn)中的工藝過程進行控制, 以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,使得生產(chǎn)中的工藝調(diào)整更有的放矢。
2.1 投料秤結(jié)構(gòu)及工作原理
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(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。系統(tǒng)工作時, 粗、細給料裝置向秤斗（ 稱重部件） 加料, 穩(wěn)定稱重后得到每秤的真實重量并進行累加, 當下料（ 斗） 部件上的料位器檢測到斗內(nèi)物料已經(jīng)排空后, 電腦稱重控制器將秤斗中的物料排進下料斗, 完成一個稱重循環(huán)。投料秤采用的稱重控制軟件, 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, 系統(tǒng)自動停止工作并提示操作人員。
2.2 中間計量秤（ 流量秤） 結(jié)構(gòu)及工作原理
中間流量秤結(jié)構(gòu)與投料秤結(jié)構(gòu)基本相同,由于無需考慮給料性問題, 所以中間流量秤只需要一級給料就可以滿足使用要求。中間流量秤結(jié)構(gòu)同樣為給料裝置、稱重部件和下料部件。其結(jié)構(gòu)形式與投料秤相近。系統(tǒng)工作時, 給料裝置向秤斗（ 稱重部件） 加料, 穩(wěn)定稱重后得到每秤的真實重量并進行累加,當下料（ 斗） 部件上的料位器檢測到斗內(nèi)物料已經(jīng)排空后, 電腦稱重控制器控制將秤斗中的物料排進下料斗, 完成一個稱重循環(huán)。投料秤和中間流量秤都可以通過標準的RS 485 接口將累加重量等信息向上位計算機系統(tǒng)傳輸, 以便對生產(chǎn)過程進行集中控制。
3 稱重配料的實現(xiàn)方法
3.1 減重（ 量） 法實現(xiàn)配料
減重（ 或者叫申克Schenck） 秤因早由德國工程師發(fā)明而得名。減重配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于減量配料秤是“通過控制稱重料斗內(nèi)的重量輸出來確定裝料質(zhì)量的自動裝料衡器”。相關(guān)標準應該參照QB/ T 2501—2000《重力式自動裝料衡器》行業(yè)標準和國家鑒定規(guī)程JJG564—2002《重力式自動裝料衡器》或法制計量組織OIML R61執(zhí)行。
由圖2 可見, 減量秤出料裝置連接在稱重單元上, 省掉了計量斗, 結(jié)構(gòu)相對簡單。特別適合用做粉狀等有黏性的特殊物料配料。由于減重秤的結(jié)構(gòu)特點, 相對于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(xiàn)配料
累加式配料系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(gòu)成一個配料過程。由于滿足“有一個稱重單元, 通過多個稱重周期, 控制每次輸出的裝料質(zhì)量的重力式自動裝料衡器”的定義, 因此, 累加式配料系統(tǒng)屬于重力式自動裝料衡器的范疇, 相關(guān)標準應該參照QB / T2501—2000《重力式自動裝料衡器》行業(yè)標準和國家鑒定規(guī)程JJG 564—2002《重力式自動裝料衡器》或法制計量組織OIML R61 執(zhí)行。為了保證系統(tǒng)的配料精度, 一般要限制系統(tǒng)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 配料系統(tǒng)控制方法及人機交互技術(shù)
稱重配料控制系統(tǒng)主要由儲料倉、給料裝置、稱重裝置、輸送裝置、電控柜、微機控制系統(tǒng)構(gòu)成, 可完成多種物料不同配方配料的自動供料配料。
3.3.1 由模擬傳感器和配料控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)
配料控制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、放料控制、自動補償?shù)裙δ堋９ぷ鲿r只要在配料控制器上輸入工藝配方, 配料控制器即對各料倉給料順序、給料方式、稱重、卸料等進行控制。該系統(tǒng)適用于物料品種少（ 一般在4 種以下） , 常用配方數(shù)量不多, 不需對配方數(shù)據(jù)進行管理的場合應用。其人機交互性較差,但其結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)造價低、維護方便。
3.3.2 由數(shù)字變送器、PLC 和觸摸屏構(gòu)成控制系統(tǒng)
配料控制系統(tǒng)自從采用了PLC 控制后, 系統(tǒng)的各項性能指示均有了明顯的提高, 充分體現(xiàn)了可靠、快速、靈活的控制特點, 滿足了較為復雜的工藝要求, 實現(xiàn)了以往難以做到的多種復雜控制和故障保護, 使系統(tǒng)具備了小型化、操作維護簡單化和控制智能化的特點。
在PLC 硬件設計上, 僅保留直接面向人和設備的輸入和輸出的接口, 省去了一切中間環(huán)節(jié), 大大節(jié)約了系統(tǒng)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, 也使得系統(tǒng)在控制功能上有著更大的靈活性和適應性。采用觸摸屏進行監(jiān)控, 可靠性高, 監(jiān)控實現(xiàn)容易, 觸摸屏與PLC 之間的通信問題生產(chǎn)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, 不能滿足復雜控制系統(tǒng)的監(jiān)控要求, 而且價格高。在系統(tǒng)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(shù)字變送器、PLC 和工控機（ 組態(tài)軟件） 構(gòu)成控制系統(tǒng)
PLC 組成的控制系統(tǒng)進行監(jiān)控一般有3 種方法: 觸摸屏監(jiān)控、組態(tài)軟件監(jiān)控、第三方軟件編制的監(jiān)控軟件監(jiān)控。用第三方軟件編制的監(jiān)控軟件實現(xiàn)監(jiān)控, 靈活性好, 系統(tǒng)投資低, 能適用于各種系統(tǒng)。但開發(fā)系統(tǒng)工作量大、可靠性難保證, 對技術(shù)人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平要求高, 還必須購買通信協(xié)議軟件。在系統(tǒng)資金投資有限、技術(shù)人員水平較高的情況下可以采用此方法。
并用組態(tài)軟件實現(xiàn)監(jiān)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(tài)軟件與PLC 的通信問題。在復雜控制系統(tǒng)中可以采用此方法。組態(tài)軟件是運行于PC 平臺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(chǎn)品。通用的組態(tài)軟件支持的設備種類多一些, 而且由于其硬件平臺的性能強大（ 在速度和存儲容量上） , 通用組態(tài)軟件的功能也強很多[ 2 ]。由數(shù)字變送器、PLC 和工控機（ 組態(tài)軟件） 構(gòu)成的配料控制系統(tǒng)如圖4 所示。大中型塑膠自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)成以“ 工控機+PLC”的配置較為常見。
PLC 作為塑膠配料測控系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器, 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(shù)據(jù)信息, 利用組態(tài)軟件, 可以很方便的進行實時和歷史數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計、計算、顯示、打印等功能。
4 飼料及添加劑的定量包裝
由于飼料、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(jié)構(gòu)也將有所不同。電腦定量秤可以采用法制計量組織（ OIMLR61） 建議或等效的國家計量鑒定規(guī)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(yōu)良的稱重控制軟件具有良好的用戶界面, 同時可以優(yōu)化大給料點、小給料點等系統(tǒng)工作參數(shù), 經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)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系統(tǒng)傳輸, 以便對累計重量、累計計量誤差等進行統(tǒng)計, 產(chǎn)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(chǎn)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。對于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(jié)構(gòu)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 只稱重傳感器懸掛秤斗, 氣缸驅(qū)動大、小活門方式給料。具有秤斗穩(wěn)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(jié)構(gòu), 使用單只懸臂梁式稱重傳感器連接秤斗。由氣缸驅(qū)動的活門和振幅可以調(diào)整的振動給料器分別構(gòu)成大、小給料系統(tǒng),這樣的給料系統(tǒng)充分利用了活門給料快速和振動給料的特點, 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(shù)改變皮帶機的帶速, 進行給料速度的調(diào)節(jié), 也可以使用控制物料厚度的插板和截料門控制形成兩極給料模式。由于使用截料門、皮帶上物料厚度調(diào)節(jié)擋板、
變頻電機等一系列技術(shù)措施, 保證了給料電腦定量秤高速、高精度、穩(wěn)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, 由于定量包裝的重量不同, 電腦定量秤的結(jié)構(gòu)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(gòu)成兩級給料系統(tǒng)。兩只絞籠均呈水平布置。為提高系統(tǒng)的計量精度, 在絞籠出口處設有截料門。
秤斗采用圓柱形內(nèi)開門結(jié)構(gòu), 3 只稱重傳感器呈120°分布懸掛秤斗。稱重系統(tǒng)具有穩(wěn)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(xiàn)在兩個方面。一方面由于粉料大多具有黏性, 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; 另一方面在包裝的過程中容易揚塵, 如果使用塑料袋包裝, 由于靜電的作用, 粉料容易粘到包裝袋上, 使熱合封口非常困難。
市場上設計的粉狀物料小包裝電腦定量秤, 采用全新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 很好地解決了粉料小包裝電腦計量中的技術(shù)難題。如圖5 所示, 系統(tǒng)采用錐形料斗儲存物料, 豎絞籠給料的工作方式; 豎絞籠采用步進電機驅(qū)動。夾袋機構(gòu)和秤臺一體作為承重部件安裝到稱重傳感
器上。系統(tǒng)進入自動工作狀態(tài)后, 首先步進電機高速轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)動, 完成一個稱重周期。
由以上的工作過程可以看出, 由于沒有傳統(tǒng)定量包裝秤的計量斗, 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于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(wěn)的過程, 避免了傳統(tǒng)電腦定量秤開秤斗門集中罐裝時帶來的粉料流量過大、包裝容器中的空氣由于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于機械結(jié)構(gòu)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(jié)束語
從投料到中間計量, 從系統(tǒng)配料到后成品的定量包裝, 現(xiàn)代稱重控制技術(shù)在飼料生產(chǎn)行業(yè)中的應用十分廣泛。隨著技術(shù)的不斷進步和生產(chǎn)管理水平的不斷提高,稱重技術(shù)在包括飼料行業(yè)在內(nèi)的很多生產(chǎn)行業(yè)中的應用前景將十分廣闊。
