【導(dǎo)讀】足，闡述了誤差的來(lái)源及減少誤差的方法。選擇了適合于煙草行業(yè)的皮帶秤秤架系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能特性、硬件結(jié)構(gòu)、軟件環(huán)境及功能擴(kuò)展性問題。探討了測(cè)控技術(shù)的相關(guān)理論。性能和較高的工程實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也降低了工程費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。上，針對(duì)原系統(tǒng)存在的操作不便、實(shí)時(shí)性差等問題。提出了改進(jìn)方案。案解決了原有系統(tǒng)存在的問題，有廣闊的推廣價(jià)值。

　　

【正文】 。電磁干擾除外受部大功率設(shè)備啟停的影響外，還有來(lái)自于皮帶秤測(cè)控系統(tǒng)的自身干擾，其中變頻調(diào)速器是一個(gè)主要的干擾源。在其它影響因素中，強(qiáng)烈振動(dòng)可傳遞給皮帶秤秤架系統(tǒng)，其影響程度與系統(tǒng)的固有頻率有關(guān)。其中對(duì)電阻應(yīng)變片式稱重傳感器的影響最大；風(fēng)會(huì)通過(guò)對(duì)皮帶秤計(jì)量段施加壓力而影響稱重；溫度驟變會(huì)引起電 路元件電動(dòng)勢(shì)或參數(shù)的變化，影響正常工作。同時(shí)，還可對(duì)皮帶的性能產(chǎn)生不利影響；粉塵、殘料等也會(huì)因附著在皮帶秤托輥、傳感器傳力拉蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 桿和滾筒上而對(duì)稱重產(chǎn)生影響等等。濕度的影響一般表現(xiàn)在皮帶受潮吸濕的最初階段，在此期間含水率直線上升直致飽和，通過(guò)及時(shí)的校準(zhǔn)，其影響可作為皮帶自重的均勻變化消除。粉塵、殘料等可通過(guò)保養(yǎng)清除，制絲工藝對(duì)環(huán)境溫度、濕度的又有嚴(yán)格的控制范圍要求，因此，環(huán)境因素不是皮帶秤的主要誤差來(lái)源。但當(dāng)某些因素如皮帶秤相鄰設(shè)備異常振動(dòng)時(shí)，環(huán)境影響就成為絕不可忽視的問題。所以，在設(shè)計(jì)電子皮帶秤時(shí)，將環(huán)境因素做 為依據(jù)或主要因素之一。從電子皮帶秤的控制原理看，電子皮帶秤的控制受計(jì)量和控制因素的雙重影響。在計(jì)量因素中，對(duì)控制有直接影響的是數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理環(huán)節(jié)。因此，首先應(yīng)從減少此環(huán)節(jié)的誤差入手。 本章闡述了皮帶秤的稱重原理并分析了稱重受力情況，還分析了引起電子皮帶秤的計(jì)量誤差的主要來(lái)源。它包括來(lái)自于稱重和數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理過(guò)程的誤差、來(lái)自于校準(zhǔn)時(shí)引入的間接誤差和來(lái)自于環(huán)境因素對(duì)皮帶秤稱重的各個(gè)環(huán)節(jié)的綜合影響。根據(jù)誤差產(chǎn)生的來(lái)源，提出了減小相應(yīng)誤差的方法。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 25 第 4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章在上述分析系統(tǒng)原理工藝流程誤差來(lái)源分析以及規(guī)劃系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的硬件選型進(jìn)行分析。硬件設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)檢測(cè)部分主要由雙托輥雙稱重傳感器、和旋轉(zhuǎn)編碼器組成。電子皮帶秤使用兩種傳感器即稱重傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器。其中稱重傳感器是皮帶秤進(jìn)行非電量到電量轉(zhuǎn)換的核心元件，它的性能指標(biāo)在很大程度上決定了電子皮帶秤的精度和穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)編碼器用于檢測(cè)皮帶的運(yùn)行速度，而重量信號(hào)和速度信號(hào)的積算反映了皮帶秤的稱量值，因此，旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇和使用也直接影響了皮帶秤的 準(zhǔn)確度。以西 S7300PLC為控制核心，以變頻調(diào)速技術(shù)為控制基礎(chǔ)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件部分。本章討論數(shù)據(jù)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的硬件選型及其測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 硬件設(shè)計(jì)總體分析 經(jīng)過(guò)上述一系列的分析，我得到了如下工藝流程圖： 稱重 傳感器秤架變頻電機(jī)變頻器測(cè)速信號(hào)接口稱重信號(hào)接口開關(guān)控制信號(hào)運(yùn)輸皮帶旋轉(zhuǎn) 編碼器PLC 圖 工藝流程圖 我們分析可知，設(shè)計(jì)中我們要選擇一臺(tái)電機(jī)，用于帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)；一臺(tái)變頻器用于瞬時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，形成均流量控制；還 有稱重傳感器及稱重模塊的選擇；測(cè)速傳感器蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 26 的選擇；并將各種測(cè)量信號(hào)送入 CPU進(jìn)行控制傳送。在接下來(lái)我將對(duì)各種設(shè)計(jì)中需要的期間進(jìn)行選型和具體分析。 總的控制過(guò)程為，各種測(cè)量的信號(hào)傳入 PLC，由 PLC接收到這些信號(hào)，在發(fā)出控制命令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成各種控制功能。 于是有下面的框圖： 稱重傳感器旋轉(zhuǎn)編碼器皮帶秤變頻器MM440電源處理P 1 電源PS307C P U 模塊3172PN/DP數(shù)字量入/輸出模塊SM323模擬量入/輸出模塊SM335高速計(jì)數(shù)模塊F M 3 5 0 2稱重模塊SIWAREX U電動(dòng)機(jī)秤體 圖 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)框圖 雙托輥秤臺(tái)設(shè)計(jì) 【 17】 (1)雙托輥消除了水平分力的影響 如圖 4． 1為雙托輥傳感器受力示意圖 ( a) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 27 (b) 圖 雙托輥傳感器受力分析示意圖 由 (b)可以看出，當(dāng)傳感器由于受力產(chǎn)生變形使得計(jì)量桿由位置 1變?yōu)槲恢?2時(shí)，傳感器受力 F1及 F1’將產(chǎn)生垂直分力 F3(F3’ )和水平分力 F2(F2’ ).雙托輥相當(dāng)于左右對(duì)秤的兩個(gè)單托輥秤臺(tái)的組合，在 固定托輥距離相等的情況下，雙托輥的計(jì)量段長(zhǎng)度將遠(yuǎn)長(zhǎng)于單托輥的計(jì)量段長(zhǎng)度．相同的物料在雙托輥秤臺(tái)上將被秤量更長(zhǎng)的時(shí)間而且感知更大的重量，這不僅提高了稱量的精度，也提高了靈敏度。 稱重傳感器的選擇 1 、稱重傳感器的工作原理 [11] 稱重傳感器按其工作原理分類有：電阻應(yīng)變片式、電感式和電容式等。電阻應(yīng)變片式傳感器一般由受壓彈性元件 (膜片、膜盒或波紋管 )和應(yīng)變彈性元件 (如各種梁 )組成。工作過(guò)程是被測(cè)壓力通過(guò)受壓彈性元件轉(zhuǎn)換成集中力作用于應(yīng)變彈性元件，應(yīng)變彈性元件變形帶動(dòng)粘貼的應(yīng)變片隨之變形產(chǎn)生電阻差動(dòng)變化 ，然后通過(guò)全橋接線輸出瞵 J。因?yàn)閴毫Φ拇笮∨c應(yīng)變成正比，應(yīng)變大小與電阻的變化成正比，電阻的變化率與輸出電壓變化率成正比。所以，被測(cè)量與輸出量之間呈線性關(guān)系。同時(shí)，由于采用了應(yīng)變片差動(dòng)布線和全橋連線，電阻應(yīng)變片式傳感器具有良好的抗載荷或側(cè)向力引起的干擾能力由電感式或電容式傳感器的工作原理可知，電感或電容的變化與被測(cè)壓力之間分別呈反比或二次函數(shù)關(guān)系，被測(cè)量與輸出量之間不存在線性關(guān)系。根據(jù)電子皮帶秤采用的重力式線性稱重的基本原理，電阻應(yīng)變片式傳感器更適合用于皮帶秤稱重。在傳感器的選用上，除了考慮精度、線性度等性能 外，為確保皮帶秤稱重的準(zhǔn)確度，克服傳感器在低量程段線性差的缺點(diǎn)，選用傳感器的量程應(yīng)按照皮帶秤最大工藝流量來(lái)選擇。在實(shí)際工作中，蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 28 要求傳感器的有效量程在 2080％之間。根據(jù)秤架的受力分析，計(jì)量托輥垂直位移過(guò)大會(huì)引響秤架的預(yù)壓力。因此，傳感器的受力變形范圍應(yīng)是選用的依據(jù)。從傳力方式看，拉桿式傳力較鋼球式傳力形式的抗側(cè)向能力強(qiáng)。同時(shí)，還要考慮卷煙制絲線積塵多、濕度大等環(huán)境因素。 基于以上原因，國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)采用不銹鋼波紋管拉力式傳感器的居多。我們選擇英國(guó) TEDEA公司 355型波紋管式傳感器，性能參數(shù)是：拉桿式傳 力，量程 5,一 50kg，滿載變形 ，綜合誤差 0． 02％，安全過(guò)載 150％，極限過(guò)載 200％ [11]。皮帶秤實(shí)際稱重時(shí)，其秤架振動(dòng)、皮帶偏移、載荷偏載等因素都可能對(duì)傳感器的正常工作產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計(jì)、制造和使用皮帶秤時(shí)，要考慮傳感器與秤臺(tái)連接裝置的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，使用同一皮帶秤和同一傳感器，但采用不同的連接裝置，在稱重準(zhǔn)確度上差別很大。同理，連接裝置的加工、安裝和調(diào)試的差異，也會(huì)影響準(zhǔn)確度。據(jù)資料記載，同一類型傳感器僅僅是連接裝置的加工和安裝精度差別，可使稱重準(zhǔn)確度從 ％～％降為 ％～ ％。由于輸送物料的非均勻性，加上皮帶秤運(yùn)行時(shí)的自身振動(dòng)及環(huán)境影響，傳感器的受力是不斷變化的。比如：傾斜角的抖動(dòng)，與垂線夾角的變大或變小等。在正常工作時(shí)，傳感器受力在其受力垂線四周一定范圍內(nèi)游移，其分布規(guī)律呈正態(tài)分布特性。如圖 4． 4所示：氟表示正常稱重時(shí)稱重力作用點(diǎn)的分布； F、 F1等力圍繞某點(diǎn)在傳感器受力垂直線武范圍內(nèi)自如游移，并不影響皮帶秤的準(zhǔn)確度。當(dāng)作用力 F2偏移出氟 (例如：進(jìn)入非正常區(qū)域晚 )時(shí)，此時(shí)分布區(qū)域就產(chǎn)生了變化。正態(tài)分布函數(shù)的均值不相等，所以系統(tǒng)就產(chǎn)生了誤差。 圖 傳感器受力作用點(diǎn)分布圖 在實(shí)際工作中，皮帶秤物料、振動(dòng)和偏載等因素不可能完全排除。因此，為防止稱重發(fā)生偏差，傳感器與秤臺(tái)要可靠連接。連接方式如圖 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 29 圖 傳感器與秤臺(tái)的聯(lián)結(jié)裝置圖 在設(shè)計(jì)、加工和制作傳力連接裝置時(shí)，還要考慮標(biāo)準(zhǔn)化和整體性問題，以方便維修。同時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)。如上圖，球頭拉桿處極易積灰，會(huì)影響傳感器的受力，要定期清掃。 為使皮帶秤正常工作，要盡量使傳 送物料的中心 (重心 )線與皮帶中心線一致，這樣既有利于稱量，又可使物料不易漏灑。當(dāng)使用單傳感器時(shí)，傳感器應(yīng)安裝在皮帶秤皮帶的中心線上，以最大限度地克服物料偏載對(duì)稱重準(zhǔn)確度的影響。此時(shí)，雖佳安裝位置應(yīng)當(dāng)是中置即在皮帶中心線有效稱量段的中間。 A為傳感器中置及受力分析示意圖 B為傳感器偏置及受力示意圖 圖 傳感器受力分析圖 傳感器中置時(shí)的受力響應(yīng)曲線明顯較偏置時(shí)好，此時(shí)準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定性好。多傳感器的組合使用是近年來(lái)煙草行業(yè)使用皮帶秤的一種新趨勢(shì)， 它可以有效克服物料的偏載影響，提高皮帶秤的稱重準(zhǔn)確度，增加穩(wěn)定性。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 30 E B 圖 圖 雙傳感器測(cè)重方式示意圖 如圖 (用“ 表示傳感器 )，當(dāng)使用單傳感器測(cè)重時(shí)，當(dāng)物料負(fù)荷在中心 C點(diǎn)時(shí)， C位于 DCE三角形的中點(diǎn)；當(dāng)物料偏載或負(fù)荷中心線由 O點(diǎn)移到 oi點(diǎn)時(shí)，其負(fù)荷中心也由 C點(diǎn)移到 F點(diǎn)，顯然 F點(diǎn)已不處于三角形 DFE的中點(diǎn)即負(fù)荷 P點(diǎn)的變化誤差導(dǎo)致測(cè) 重精度下降。如圖 4． 8，使用雙傳感器時(shí)，兩個(gè)計(jì)量托輥兩側(cè)可各設(shè)有傳感器 A和 B，物料的重量由 A和 B共同稱量，傳感器的總負(fù)荷 P=PA+PB。假設(shè)物料中心自中點(diǎn) O偏向 q，則 B上升，只下降，但總負(fù)荷 P仍然不變，這樣就消除了物料中心隨機(jī)變化產(chǎn)生的偏載誤差。同理，假設(shè)皮重易也是由只 n和％組成，則皮帶偏移也不會(huì)引起皮重值的變化。顯然使用雙傳感器的稱重穩(wěn)定性較單傳感器時(shí)更高。但需要說(shuō)明的是在組合傳感器上，使用的數(shù)量并非越多越好。例如當(dāng)使用四個(gè)傳感器成本較高，而且在調(diào)試時(shí)需要將四個(gè)傳感器調(diào)節(jié)到一個(gè)水平面上，維護(hù)也很不方便。因 此我們選用雙傳感器設(shè)計(jì)。 [12] 傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)秤體需要支撐的點(diǎn)數(shù) (支撐點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)使秤體幾何重心和實(shí)際中心重合的原則而確定 )而定。一般來(lái)說(shuō)，秤體有幾個(gè)支撐點(diǎn)就選用幾只傳感器，煙草皮帶秤秤通常采用電子吊鉤秤，只能采用一個(gè)傳感器。所以該設(shè)計(jì)有用 1個(gè)壓力傳感器。 傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)態(tài)等因素綜合評(píng)價(jià)來(lái)確定。理論上說(shuō)，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用 時(shí)，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時(shí)，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。在稱重系統(tǒng)中，傳感器的量程范圍蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 31 應(yīng)根據(jù)以下原則合理選擇，才能獲得滿意的準(zhǔn)確度并具有足夠的靈敏度和過(guò)載保護(hù)可靠性。 皮帶自重 + 額定稱量重量 傳感器額定量程＝ (～ )傳感器的數(shù)量 國(guó)內(nèi)外常見的應(yīng)變式稱重傳感器靈敏度多數(shù)為 2mVN，但也有 lmVN的，如柱式傳感器；也有 3mVN的，如部分懸臂梁式傳感器和板環(huán)式傳感器 ；扭環(huán)式傳感器則通常是 ／V。目前攪拌站上使用的傳感器基本上都是 2mV／ V的。傳感器準(zhǔn)確度的選擇以滿足稱量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求為準(zhǔn)，不必片面追求過(guò)高的傳感器靈敏度。 [11] 煙草皮帶秤中煙草對(duì)稱重傳感器的沖擊最大，稱重傳感器稱重過(guò)程中過(guò)載情況最容易發(fā)生。從調(diào)查的情況來(lái)看，傳感器因過(guò)載而損壞的情況時(shí)有發(fā)生。有控制系統(tǒng)故障的原因，也有使用過(guò)程中人為因素造成的過(guò)載。因此傳感器的過(guò)載能力、過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)對(duì)稱重系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有一定的影響。 傳感器的性能指標(biāo)中有兩項(xiàng)于此有關(guān)，一是 允許過(guò)負(fù)荷，一是極限過(guò)負(fù)荷。允許過(guò)負(fù)荷是指卸去這一負(fù)荷后，傳感器的線性性能保持不變。極限過(guò)負(fù)荷是指在這一負(fù)荷下傳感器不會(huì)產(chǎn)生有害的永久性機(jī)械變形。一般傳感器的允許過(guò)負(fù)荷為 150％，極限過(guò)負(fù)荷在 200％～ 300％之間。有些帶過(guò)載保護(hù)的傳感器則可能超過(guò)某一范圍。根據(jù)特殊需要，有些傳感器因其特殊設(shè)計(jì)，允許過(guò)負(fù)荷高達(dá) 500％。此類傳感器在頻繁過(guò)載的情況下也能可靠地工作。 [13] 本設(shè)計(jì)采用單科單秤的方案，即單獨(dú)一套稱量系統(tǒng)。根據(jù)配料過(guò)程中需要的每種物料的不同，結(jié)合上面的選型公式。確定各 秤的傳感器量程，這里選用的是濟(jì)南 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 32 。 表 41 傳感器型號(hào)和數(shù)量 稱重模塊的選擇 【 15】 在考慮到各方面的限制時(shí)，我選擇了 SIWAREX U作為設(shè)計(jì)中需要的稱重模塊。它的主要作用是將傳感器傳來(lái)的重量信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后傳到 CPU。 總體信息 SIWAREX U 是靈活的多功能電子稱重模塊，可用于 SIMATIC S7 自動(dòng)化系統(tǒng)中，適用于電子秤的任何場(chǎng)合。該功能模塊 (FM) SIWAREX U 擁有自動(dòng)化系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)，全集成通訊、自診斷系統(tǒng)和組態(tài)工具。 SIWAREX U 不包括 貿(mào)易結(jié)算