基于刮板運輸機木粉小計量喂料裝置研究

巴圖，孟兆新，王猛，崔立松

摘要：刮板運輸機是一種用于生產運輸的常用裝備。針對刮板運輸機運輸木粉精準度不高的問題，設計可編程控制器（Programmable logic Controller，PLC）控制木粉送料的計量裝置，能夠實現公斤級木粉喂料。通過對裝置進行改造，分為2部分，粗送料過程利用傳送帶進行，細送料過程由定量喂料機構完成。通過開放性生產控制和統一架構（OPC Unified Architecture，OPC UA）實現控制過程中的數據交互和人機交互過程。通過仿真驗證可行性，試驗得到的誤差小于2%，實現裝載過程中對木粉的自動準確計量。該計量裝置所產生的誤差較小，并且還能夠實現對數據的實時顯示，這對于實現定量木粉運輸，加強物料定量運輸作業管理有著重要的意義。

關鍵詞：刮板運輸機；定量喂料；流體力學；計量裝置；分段控制

中圖分類號：S773.9文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2024）03-0135-07

Research on Small-scale Metering Feeding Device for Wood?Powder Based on Scraper Conveyor

BA Tu， MENG Zhaoxin*， WANG Meng， CUI Lisong

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：Scraper conveyor is a commonly used equipment for production and transportation. In response to the problem of low accuracy in transporting wood powder using a scraper conveyor， a programmable logic controller （PLC）-controlled wood powder feeding metering device was designed， which can achieve kilogram-level wood powder feeding. By modifying the device， it was divided into two parts： the coarse feeding process was carried out using a conveyor belt， and the fine feeding process was completed by a quantitative feeding mechanism. Data interaction and human-machine interaction in the control process were realized through OPC unified architecture （OPC UA）. Feasibility was confirmed through simulation， and the error obtained from the experiment was less than 2%， achieving automatic and accurate metering of wood powder during loading. The metering device generates small errors and can also achieve real-time display of data， which is of great significance for achieving quantitative transportation of wood powder and strengthening the management of material quantitative transportation operations.

Keywords：Scraper conveyor; quantitative feeding; fluid mechanics; metering device; segmented control

0引言

木材作為一種可再生資源，被應用于很多環境。木粉在材料科學中作為填充劑或增強劑添加到塑料或與合成樹脂結合后可形成木質復合材料，提高產品的強度、硬度和耐磨性[1]；可以直接進行壓制，作為家具等木制品原材料[2]；在炸藥制作等方面也發揮著巨大作用[3]。但是由于木粉材質較輕，不易通過傳感器計量，所以在使用過程中采用體積計量的方法。但是采用刮板運輸機或鼓風機的方法都不能對木粉用量進行精確控制，且在加工過程中造成物料浪費。為能夠滿足送料準確，兼顧效率、可移動、成本低的木粉主動計量喂料要求，本研究設計一種可移動的刮板運輸機與小劑量喂料結合的裝置，實現木粉傳輸精確可控，滿足企業銷售主動控制喂料與統計需求[4]。這種成本低、主動喂料、可移動的稱重系統，實現在裝載過程中安裝靈活、較準確計量的木粉運輸加工的需求，對于保障木粉用料準確，提高木粉利用率有重要意義。

1木粉給料計量系統的組成

系統主要由刮板運輸機[5]、分料板、定量給料裝置和移動式矯正地秤組成，結構如圖1所示，其中支撐機構與輪系省略。刮板輸送機除作為運輸裝置之外，每一層分料板作為初始計量裝置，通過2個刮板之間的空間粗略估計木粉計量[6]。第二部分由備料箱和定量喂料機構組成，定量喂料機構上有氣孔進行控制，如圖2所示。為檢測物料計量情況，加入地秤來檢測模具中的木粉質量[7]。

現在市面上常見的動態稱重機構主要是皮帶秤和核子秤，本系統整體結構如圖3所示，改進主要分為以下幾個方面。

1）采用2 m左右高的刮板運輸機，確保運輸高度，并通過刮板限制運輸物料流量，用速度傳感器穩定粉料傳輸速度。

2）使用小計量喂料機構，直徑為150 mm×610 mm的圓柱體，并在其表面開槽，使木粉能儲存其中。因為木粉質輕，不易測量重量，所以以體積作為單位計量。

3）使用真空泵建立真空腔，加速粉料在喂料機構中的裝填，并能使粉料壓縮，達到可容納上限質量。

設備測量喂料運行過程如下。刮板運輸機啟動運輸，通過刮板粗略確定運輸木粉體積，備料箱通過刮板運輸機進行填料，為防止定量喂料機構不能裝滿，需要將刮板容量略大于定量喂料機構體積，再啟動定量喂料機構；喂料機構通過真空與氣孔保證木粉之間的間隙較小并能緊緊吸附在空腔中，之后定量喂料機構開始轉動，當填充木粉的空腔到達排料口，控制真空設備排料。下方的模具為移動模具，通過喂料機構的工作速率確定需要裝填的次數，當填滿木粉后地秤稱重記錄實際值并計算誤差，替換為新的模具。如圖3所示。

2測控系統的建立

2.1控制系統硬件設備

送料系統核心主要由臺達可編程控制器（Programmable logic Controller，PLC）控制系統搭建，分為3部分。第1部分是在傳送帶上安裝的刮板，其主要作用是在前期粗送料時對木粉的量進行估計；第2部分則為定量喂料機構部分，在精確檢測時進行測量，保證精確進料時檢測的精度；第3部分為地秤，主要作用是校驗實際木粉總重和定量喂料機構之間存在的誤差大小[8]。PLC負責與轉換器建立通信鏈接，通過電機信號，計算喂料機構的喂料次數，可以通過對喂料機構的單位喂料情況進行木粉總重計算，得出實際質量。通過控制真空部分的吸氣和排氣來控制木粉的填料和排料過程。在不同的狀態下，控制傳送帶的開關、定量喂料機構開關以及真空部分開關等按照相關執行設備運行。

因為系統整體工作在粉塵較大的環境中且需顯示實時數據，所以在硬件選型上需要采用密封性能好的器件。經過選擇，采用S7 1200 PLC控制器進行整體控制；采用梅特勒 托利多稱重傳感器（METTLER TOLEDO，MTB）稱重傳感器作為刮板運輸機和地磅的稱重核心；H25型光電測速傳感器檢測刮板運輸機的傳輸速率；SINAMICS G120變頻器對電機進行速度平滑調節；使用單機旋片真空泵LV0025與真空腔連接，構建真空吸氣部分。

由圖4可知，將光電速度傳感器安裝在刮板運輸機下方的水平位置，檢測刮板運輸機的速度；動態稱重傳感器安裝在刮板運輸機上方水平位置，檢測每對刮板之間的木粉質量；在木粉壓制模具下安裝地秤作為最終的質量檢測裝置，對小計量喂料裝置進行校正。圖5為控制原理框圖，介紹控制系統各部分間的信息流向。

2.2程序整體設計

PLC控制的程序分為幾個部分，包括通信模塊、數模轉換模塊、人機交互以及質量轉換等。其中通信模塊需要確定通信協議，建立端口參數保證各機構之間數據交換的可靠性，數模轉換模塊控制模擬信號和數字信號之間的相互轉換。人機交互模塊主要是為了實時監測、統計數據，保證機器的正常運行，在特殊情況下可以手動停止整個系統。圖6為系統整體的控制方法。

2.3通信單元

在系統運行過程中通信單元包含了系統中所有的數據傳輸。需要實現傳送帶電機運行狀況以及喂料機構電機運行狀況兩者信息的整合。因為要保證在喂料機構運行時刮板運輸機處于暫停狀態，

并在喂料機構達到進料口時刮板運輸機啟動。程序實現主要通過EM AM06模塊，模數轉換結構將輸入的電信號轉化為數字信號，再采用模擬量轉換庫中S_ITR指令對喂料機構運行次數進行一定的系統計算，獲取此時排出木粉的質量將該數據計入寄存器的同時，通過計數器進行判斷要采用哪一種傳輸計量方式，通過OPC UA通訊方式傳輸控制信號到電機、開關等器件[9]。

OPC UA通信協議是國際電工委員會（Imperial Economic Committee，IEC）標準化的中間件通信協議，該協議基于TCP/IP協議棧，主要用于自動化金字塔的較高級別，用于語義數據集成。OPC UA在OPC UA標準中不存在確定性的概念[10]。OPC UA的open62541開源實現比MQTT、ROS和DDS等其他開源協議實現性能更好。

2.4質量檢測

因為木粉的質量較輕，所以直接檢測不能達到一定的精確度，所以采用間接測量的方式[11]。在粗檢測部分是通過刮板機的間隙來估計運輸木粉的體積，進而估計木粉的質量。為防止喂料機構不能被填滿而導致較大誤差，所以將刮板間隙設計略大于喂料機構，保證喂料機構的精確性[12]。喂料機構則需要通過試驗來判斷每次送料的木粉質量，取均值作為單位木粉的質量進而計算總質量。

為使定量喂料裝置的精度達到較高的水平，需要對真空部分進行分段控制。通過計算氣體流量和進料質量進行模型構建，影響系統的因素可以分為4個，分別是木粉的懸浮速度、在填料中使用的真空氣體流速、粉料的空氣的體積占比以及真空吸力[13]。整體進料的過程用氣固流體力學進行計算。

2.5人機交互系統

為進一步提高系統的控制精度，設計人機交互模塊，該模塊主要負責實時顯示木粉的質量值、運行時間以及設備的工作狀態。工作狀態的顯示主要依靠量化數值顯示模塊和監控顯示模塊。當前載荷量、總載荷量以及總運行時間能夠以數值的形式表示，將量化后的數據以圖像的形式顯示出來，具體圖像繪制以載荷量為縱軸，時間作為橫軸。該模塊充分發揮了監控系統運行的作用，在數據處理方面，使得用戶對當前計量以及以往計量有著充分的了解[14-16]。

在調節木粉質量設定數值時，可通過控制系統的鍵盤完成參數的輸入，包括目標質量值以及監控圖像等都會最終顯示在顯示屏上。

通過設備的運行時間和工作狀態等信息確定設備處于安全工作范圍內，如果發生異常，則需要通過人工緊急制動按鈕對整個系統進行停止，防止重大事故發生。

3數據處理與試驗結果

3.1仿真驗證

通過機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems， ADAMS）和PLC的聯合仿真驗證該送料機構的可行性。使用ADAMS的建模工具繪制傳送帶等相關物體，然后將其定義為可控制模型。在PLC編程中調用ADAMS API函數。ADAMS提供了一系列API函數，可用于與PLC進行通信。使用 ADAMS_GetState（） 函數讀取機械系統的狀態，包括各個物體的位移、速度和加速度等信息；在PLC編程中引入ADAMS的庫文件，并根據需要調用API函數[17]。

在PLC編程中添加控制邏輯。可以使用PID控制器來控制傳送帶的運動方式，使用狀態機來管理不同的加工階段。同時需要將控制信號發送給機械模型，以便更新狀態。

在人機接口（Human Machine Interface， HMI）界面中添加顯示控件。為方便操作和觀察仿真過程，可以在HMI界面中添加相應的控件，如按鈕、文本框和圖表等，用于顯示模擬結果或手動干預仿真過程。這些控件可以通過PLC編程和ADAMS API函數進行交互[18]。

由圖7可知，通過仿真對系統實現控制并完成整個送料過程[19]，但只能進行機械結構運行仿真，無法進行運料仿真，具體能否達到誤差范圍需要進行試驗。

3.2試驗結果

通過搭建刮板運輸機、喂料機構等模型，實現系統整體送料過程。完成全部的硬件連接后，開始運行刮板運輸機送料系統，在監測總重過程中，需要對系統的計量精度進行測試，以保證計量的準確性。在刮板運輸機正常工作一段時間后，將系統的數值恢復為設定值，在該系統中，采用不同設定閾值情況來測量不同質量的木粉，計算系統正常工作過程中的計量精度。使用不同尺寸的定量喂料機構對精確運輸閾值進行設定。

為比較小計量喂料裝置檢測的總質量與地秤的檢測標準，可以將地秤作為檢測標準，然后分別將小計量喂料裝置檢測到的總質量與地秤的檢測結果進行比較。通過比較這兩者，可以評估小計量喂料裝置的準確性和精度，并做出相應的調整和改進。

將質量分別設置為500、400、300 kg，并且在3個質量中用1、1.5、2 kg的轉輪進行喂料，分別檢測40次可以得到以下數據，其中表1為每次檢測的最大誤差質量，圖8為12次稱重質量分布。

圖8中共有12種不同顏色的線形，分別表示在總質量不同和轉輪不同的情況下的試驗數據。根據試驗數據，可以計算得到最大誤差分別為-4.84、-4.28、-3.84、-2.68；-3.67、-3.29、-2.82、-1.87；-2.63、-2.36、-1.89、-1.42 kg，最大誤差都保持在負值，刮板運輸機的誤差是由于運輸時木粉處于運動狀態，所以檢測到的質量比實際質量小。由圖8可以看出，300 kg稱重部分的分布帶較低，而500 kg稱重部分的分布帶較寬，經過計算可得分布方差分別為2.080 8、0.924 8、0.369 8，誤差分布隨著檢測質量的下降逐漸減小。

而且每次運輸的物料質量差別較大，所以檢測誤差較大。小計量喂料裝置的誤差則主要來源于負壓真空泵產生的吸力分布不均導致的，由圖9可知，在轉輪容器中的兩側吸附粉料較少，不能達到標準密度，所以最終的質量都處于欠缺狀態。

由圖10可知，隨著單次喂料質量的下降，誤差也下降，但是隨著小計量喂料裝置的調換，誤差大小會有一定的波動。分析整體誤差可以得到，隨著整體物料質量的上升，誤差也會逐漸增大。這是由于誤差的累加效應，后續研究可以在轉輪產生的誤差方面進行一定的補償。

根據多次試驗，刮板運輸機的速度可以得到很好的控制，能夠使物料運輸保持在3 m/s左右的大小，不會出現物料外泄的情況。

4結論

本研究設計一種木粉精細計量裝置，闡述計量裝置能夠連續檢測的結構、檢測原理，并且通過PLC進行控制，通過聯動仿真驗證其可行性。通過試驗證明，通過對系統整體的精細化設計和分段控制方法的實施，能夠解決木粉分配過程中的精度控制問題。該計量裝置的實現對于各種木粉制品的原料裝載作業管理，防止木粉使用過多或過少，提高粉料作業效率和效益，保證產品質量有著顯著的作用。

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