全自動小粉料稱量系統(tǒng)的設計

侯金智

（北京橡膠工業(yè)研究設計院，北京 100143）

在膠料混煉中，按照配方準確稱量各種小料是保證混煉膠質量的關鍵環(huán)節(jié)。過去，小料稱量主要靠人工操作，不僅勞動強度較大，生產效率較低，工作環(huán)境惡劣，稱量結果還容易受人為因素干擾，難以保證膠料組分的穩(wěn)定性，進而造成產品質量不穩(wěn)定。為此，本課題采用可編程邏輯控 制（PLC）技術和軟件技術相結合，設計一種效率高、精度高、穩(wěn)定性好的全自動小粉料稱量系統(tǒng)。現(xiàn)將該系統(tǒng)的設計情況介紹如下。

1 工藝要求

全自動小粉料稱量系統(tǒng)應按照工藝要求自動稱量硫化劑、促進劑、氧化鋅、防老劑、防焦劑、樹脂等數(shù)十種粉料。系統(tǒng)必須適應粒子形狀、尺寸、團聚性等不同的各種粉料[1]，保證下料順暢，防止料倉內物料淤積。同時，系統(tǒng)設計為積木式拼裝結構，根據(jù)粉料的種類靈活增減料倉數(shù)量，既能保證系統(tǒng)各個單元穩(wěn)定運行，故障率較低，又能保證稱量精度高，使單種物料稱量誤差控制在0.3%以內，料筐的定位精度在1.5 cm以內。另外，從安全、環(huán)保、健康體系建設的角度考慮，為減少環(huán)境污染、改善工作環(huán)境，系統(tǒng)采用高效、清潔的除塵器。系統(tǒng)的上位機存儲各種配方，并按照生產計劃自動將配方參數(shù)發(fā)送到控制系統(tǒng)的PLC，上位機軟件系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、故障報警、超差報警、報表打印、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖表顯示、生產排班等功能。

2 結構設計

為滿足系統(tǒng)自動化程度高、生產效率高、運行穩(wěn)定、生產環(huán)境清潔等要求，系統(tǒng)設計時綜合考慮以下因素。

（1）裝料筐和卸料筐由同一個操作工完成，料筐軌道呈環(huán)形，套著裝料帶的料筐（起始位置空）走完一圈即完成全部粉料的稱量，整個下料和稱量過程完全由PLC控制，多個料筐可同時進行物料稱量。

（2）不同物料具有不同粒徑、團聚性、堆積性、壓縮性、安息角、內摩擦角、流動性等性質[2]，根據(jù)物料性質設計不同形式的料倉和給料裝置，保證系統(tǒng)下料順暢。

（3）確定除塵器電機功率時應考慮氣流對電子稱量系統(tǒng)的影響。由于供料口附近設置了除塵抽風口，除塵器電機功率過大，料筐上部和下部產生的氣壓差較大，料筐稱量時變輕，導致總物料稱量誤差超限；除塵器電機功率過小，不能達到除塵效果。因此，應根據(jù)實際情況確定除塵器電機功率。

（4）料筐軌道采用較簡單的驅動部件，這是因為機構越簡單，設備故障率就越低，維護就越容易。在此，考慮通過齒輪和鏈條的簡單傳動機構來驅動輥道，帶動料筐向下一個拱位運動。

（5）為滿足上位機和PLC之間的高速通訊，二者之間采用RS485電纜進行數(shù)據(jù)通信。由于不同品牌的PLC通信語義不相同，故在上位機軟件模塊中建立常用品牌PLC的通信語義庫，從而滿足不同品牌PLC系統(tǒng)的需要。

2.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)主要由除塵器、解包室、料倉、供料器、稱量裝置、料筐、料筐軌道等部件組成，整體的機械結構如圖1所示。

圖1 全自動小粉料稱量系統(tǒng)的機械結構示意

除塵器采用脈沖袋式除塵器。該除塵器采用分室停風、脈沖噴吹清灰技術，克服了常規(guī)脈沖除塵器和分室反吹除塵器的缺點，清灰能力強，除塵效率高，排放物濃度低，被廣泛應用于粉料的除塵。在本系統(tǒng)中，為盡可能減少粉塵，在解包室的解包腔內及供料器的加料口設置除塵抽風口。通過調整抽風口位置和調節(jié)抽風口口徑等措施控制抽風口風壓，避免因產生的負風壓過大而造成料筐被向上吸，致使總物料稱量誤差超限。

為防止粉料中的雜質和較大硬塊進入料倉同時加快投料的速度，應在解包室內設置振動篩，振動篩網(wǎng)眼的大小根據(jù)物料性質來決定。料倉是機械結構的重要組件[2]，起暫時存放粉料的作用，為供料器提供均勻穩(wěn)定的物料。為防止物料沉積在料倉壁上，料倉的設計綜合考慮料倉中物料的流動形式和整體流動特性，同時還為不同的物料設置不同的破拱裝置，如振動破拱裝置、氣動活塞破拱裝置、空氣清堵器破拱裝置、脈沖側吹破拱裝置、抖動內襯破拱裝置等，使下料保持通暢。

供料器采用電磁振動供料器，通過控制振幅和振動頻率來調節(jié)供料速度[3]。供料器供料能力除受物料顆粒大小、溫度和濕度等影響外，還受料槽寬度及料槽傾角等因素的影響。按照供料快慢，稱量可分為快稱和慢稱，快稱時通過變頻器控制電磁振動器以大振幅振動，快速給料；當接近目標值時，變頻器控制電磁振動器以小振幅振動，慢速給料，這樣既保證了稱量速度，又保證了稱量精度。

矩形環(huán)狀料筐軌道由許多小段軌道拼接而成，各供料口、4個軌道轉角和物料總質量校準處的軌道下方均安裝有稱量裝置，用于測量物料質量。料筐由軌道下方的傳動電機帶動，即由PLC控制電機，通過齒輪和鏈條驅動軌道的輥軸滾動，使料筐在軌道上滑行。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由PLC、稱量儀表、光電開關、變頻器、電動閥門等部件組成，PLC是核心部件，不同用戶可能采用不同型號的PLC。本課題采用比較典型的西門子S7-300系列PLC，該系列PLC處理速度達到0.8～1.2 ms，存儲器容量為2k，數(shù)字量達到 1 024點，模擬量通路128路。PLC通過PROFIBUS，ETHERNET和MPI等網(wǎng)絡與其他設備聯(lián)網(wǎng)通訊，通過RS-485端口與上位機進行通訊。

稱量開始時，操作工將空料筐放置在料筐裝卸區(qū)，系統(tǒng)按照上位機發(fā)送的配方參數(shù)自動控制料筐在軌道上的移動[4]，當料筐到達指定的供料口時，PLC控制稱量裝置初始化稱量參數(shù)，通過變頻器控制電磁振動器快速給料，當物料質量接近目標值時，變頻器控制電磁振動器慢速給料，當物料質量達到目標值后，料筐軌道電機帶動轉輥轉動，轉輥帶動料筐向下一個物料供料口移動。重復相同的過程，直到配方中所有物料稱量完畢，料筐運行至總質量校準處進行校驗。總質量校驗完畢后料筐再次進入裝卸區(qū)，由操作工卸除料筐，完成單個料筐的稱量。多個料筐可以在系統(tǒng)的控制下并行稱量，稱量效率大大提高。控制系統(tǒng)運行過程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)運行過程

2.3 上位機軟件系統(tǒng)

上位機軟件系統(tǒng)由配方管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、報表管理子系統(tǒng)、實時監(jiān)控子系統(tǒng)、故障處子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)、生產計劃管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3 上位機軟件系統(tǒng)

配方管理子系統(tǒng)負責配方數(shù)據(jù)的錄入、存儲、管理、發(fā)送等工作，可以按照生產計劃隨時調取相應的配方數(shù)據(jù)[5]。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)負責上位機和PLC的通信工作，將配方數(shù)據(jù)翻譯成PLC執(zhí)行命令參數(shù)發(fā)送到PLC命令接收區(qū)。對于不同型號的PLC，數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可自動屏蔽PLC型號差異，自動匹配通信協(xié)議，使上位機與PLC間的通信對于用戶透明。報表管理子系統(tǒng)負責臺班報表的打印、存儲、查詢等功能。實時監(jiān)控子系統(tǒng)可以實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)每一個傳感器的當前狀態(tài)均可以從實時監(jiān)控界面中直觀顯示出來。故障處理子系統(tǒng)負責處理設備運行中的故障報警，方便操作者分析故障產生的原因并及時進行處理。數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、查詢、更新、備份等工作，使有價值的數(shù)據(jù)持久化。生產計劃管理子系統(tǒng)通過與工廠管理信息系統(tǒng)（MIS）接口，接收工廠統(tǒng)一的生產目標計劃，并根據(jù)生產計劃自動安排備料和排班。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)可以對歷史生產數(shù)據(jù)進行深度挖掘，將當前生產數(shù)據(jù)與歷史最優(yōu)數(shù)據(jù)進行對比，分析誤差產生的原因，進而提出改進措施。

3 結語

本課題設計的全自動小粉料稱量系統(tǒng)采用積木式拼裝結構，具有組裝靈活、自動化程度高、稱量精度高、數(shù)據(jù)處理能力強、生產環(huán)境清潔等優(yōu)點，適合大批量混煉膠生產。該系統(tǒng)已經(jīng)在山東、河南、甘肅等多個橡膠輪胎和制品企業(yè)實際應用，大大提高了這些企業(yè)粉料稱量效率，改善了生產條件，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。該設備值得在橡膠行業(yè)內大規(guī)模推廣。