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一种新型的高精度、高频率的实时计量系统的应用
类别：网文精粹  
 
一种新型的高精度、高频率的实时计量系统的应用 摘　要：介绍了一种新型的高精度、高频率的实时计量系统。该系统的特点是将动态计量转换为静态计量，较完善地解决了实时、高速、在线计量系统中的精度问题。着重阐述了关于系统的设计新思路、新结构、新功能、新特点及系统的结构组成等。

　　

0引言

　　目前，工业上使用的电子秤主要有连续计量秤与间断计量秤两种形式。电子皮带秤是连续计量秤的代表，其优点是在线动态计量，不影响生产，有利于大规模的物料计量与生产；其缺点是设备装置庞大、机构复杂、安装调试困难、价格昂贵（一套设备的价格达几十万人民币）、精度低（目前国内只能达到1%）。另一方面，间断供料秤的特点是机构简单、安装调试方便、价格低廉（一套几万元）、精度较高（可达十万分之几）；其主要缺点是对大规模的计量、生产带来一点的影响。鉴于以上的特点，结合卷烟厂的烟丝计量的实际情况，设计这套新型的高精度、高频率的实时计量系统。该烟丝计量系统融合了结构优化设计技术、气压传动技术、计算机技术、现代传感器技术、自动控制技术、电子及信息处理技术于一体的现代化机电集成系统，不仅具有实时在线称重、自动校称、自动去皮、查询统计、实时模拟、掉电保护等功能，而且具有可靠性高、计量准确、精度高、实用性强及推广性好等特点。

1系统构成及功能

　　在整个称重计量系统中，为了保证系统的精度，不仅要选用高精度的传感器、采用性能优良的电子电路设计与有效的抗干扰的措施，而且机械部分的布局、防震、减震、去抖、防尘、执行控制等必须综合地、巧妙地设计。此称重计量系统主要包括机械部分与电气控制部分。下面将从整体构造、机械部分和电气控制部分予以阐述整个计量系统的设计思想。

1.1整体构造及工作原理

　　根据工厂现有的各种情况，既要尽可能地利用现有的机械设备与保持现有的生产工艺，又要较精确地计量进入各卷烟生产线的烟丝供给量，综合考虑其他各种因素，摈弃了单纯的烟丝称重计量系统设计的老思路，在这一领域创造性的提出将计量与设备的改造相结合的新思路，确定在落料器与卷烟机之间的某一部位对烟丝进行计量。由于烟丝是源源不断地供给，为了计量的精确，必须将烟丝的动态计量转化为静态计量，要完成这一意图，在时间与空间上都有一定的要求。根据目前实际的生产情况，每15-20秒放料一 次，加之设备的空间布局允许我们可以将落料器向上移动1米左右的距离，这些条件正好满足在时间、空间方面的需求。这一设计新思路的突破，使此套称重计量系统的可行性、实用性得以充分的体现：将来自分丝盘的烟丝进行高速、精确、实时、在线计量，并将烟丝连续送往下一道卷烟工序。其整体构造及工作原理如图1所示。

　　系统的工作的原理是：烟丝经由吸丝管道进入烟丝供料系统的落料器（我们称之为供料箱），通过供料箱内的两只光电传感器确定大致6 kg左右的烟丝，当计量控制器发出计量的请求后，打开供料门将烟丝投入称重箱内，通过称重计量系统的一系列的处理得到烟丝的精确的重量并储存，当控制器发出放料请求后，打开称重箱的放料门将烟丝放入储料箱（即原烟丝供料系统的计量箱）。当控制器检测到称重箱的烟丝排空的信号后，关闭称重箱的放料门，打开供料门投入烟丝，开始新一轮的烟丝称重计量。

1.2机械部分

　　机械结构设计是本称重计量系统成败的关键，为了保证计量的精确性，称重计量系统必须解决在计量过程中的震动与抖动；为了保证良好的生产环境，称重计量系统的密封防尘必须做好；为了使结构谐振对系统的影响最小，结构设计必须兼顾其结构、尺寸、材料性能及受力状况等。因此，机械部分的结构布局、防震去抖、密封防尘、执行控制等必须综合地、合理地、巧妙地设计，以达到期望的结果。下面将其中的难点、重点予以分别讨论。

　　（1）布局：落料器整体向上移动1米左右的距离，将吸丝管道切断或上移相应的尺寸，以便留出放置称重计量系统的空间。

　　（2）防尘：为了保证良好的生产、工作环境，需采取一系列的防尘措施。主要采用内、外密封双重措施：一方面，在不能影响称重箱的来料与放料动作的基础上称重箱采取一定的密封防尘措施；另一方面，密封箱不仅将供料箱和储料箱连成一体，更重要的是在不影响计量的基础上进一步密封防尘。这样可以使烟丝中的尘埃逸出尽可能的少、对环境造成的影响尽可能的小、改善生产与工作环境。

　　（3）执行机构：执行机构安装在现场，如果选用不当，将直接影响称重计量系统的控制质量，甚至使整个系统不能工作。整个称重计量系统要求在15-20秒内完成至少一次计量，除去数据采集、通讯、数据处理以及称重计量系统的减震、停震花费的时间，留给执行机构的时间只能在5秒之内，在这样短的时间内，既要快速完成执行动作，又要尽可能减少引起的冲击与震动，采用气动控制系统是较好的选择。其气动系统原理图如图2所示。虽然使用电机也可作为执行机构的动力源，考虑到称重箱门的自锁性及开闭速度，一般必须采用蜗杆蜗轮减速传动系统，但其有占用空间大、自身重量重、摩擦力大、动作不灵敏等缺点；液动也可作为动力源，但对计量精度的影响更大，因为称重箱壁上的控制缸体内的液体需不断交替排空与充斥。

　　气动控制系统不仅结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便和防火防爆，而且使用工厂现有的供气与排气系统，通过电磁阀、节流阀，电气控制等一系列措施可减小称重箱门开关所造成的冲击、震动与抖动，使之对计量精度的影响尽可能的减小。

　　（4）机械谐振的控制：机械谐振（或机构谐振）是由传动装置（或传动系统）和机械装置的弹性变形而产生的振动。为了控制系统的精度和响应快速性要求，必须提高控制系统的频率宽度，避免可能导致结构谐振频率接近控制系统的带宽或落在带宽之内，使系统产生自激振荡而无法工作或使机构损坏。因此，结构设计时必须兼顾它的结构、尺寸、材料性能及受力状况等。本计量系统的使用环境比较复杂，在生产实际过程中，吸丝管道、落料器、计量箱、卷烟机等都有各自机械谐振频带宽度，这些机械谐振频带宽度叠加后的频带宽度可能与控制系统的带宽相重叠，必须避免，将来自落料器、计量箱、卷烟机的震动与抖动与称重计量系统完全隔离，用独立的支撑柱支撑整个称重箱与传感器。另一方面，该称重计量系统必须对烟丝的供给量与供给速度进行快速、有效、实时控制，由称重箱和传动装置本身产生的震动与抖动是不能完全避免与隔离的，在结构设计时兼顾了它的机械结构、形状尺寸、材料性能及受力状况（比如称重箱的放料门采用对称双扇门结构，通过连杆机构与气动控制系统的推杆相连，放料门同时开关使其横向的力与冲击相互抵消等等），并采取了一系列有效、可行、实用的减震措施（如在放料门的边缘包裹牛牦毡，在传感器与支撑柱之间安置缓冲橡胶等措施）。经初步的实验，本计量系统中的机械谐振与控制系统的带宽完全相离，经过滤波电路将机械谐振产生的干扰信号完全过滤掉，消除了机械谐振对计量精度的影响，这是保证整个计量系统精度的关键所在，突破了常规抗干扰的手段与措施，是本计量系统的新思路、新结构、新特点的集中体现。

1.3控制部分

　　控制系统被要求具有较高的可靠性、体积小、重量轻、系统易于扩展，而且成本低廉、便于推广的特点，对于工控机、PLC、单片机来说，该控制系统采用单片机芯片最能满足以上要求，整体控制系统构成如图3所示。

　　整个控制系统的工作过程是：首先称重传感器获取控制对象的模拟信号；信号经过信号处理装置（标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等）、采样单元、采样保持器和放大器、A/D转换等处理，然后将信号通讯到专用计算机进行综合分析、处理；最后根据这种处理所得的信息去启动执行机构进行自适应控制，使控制对象处于受控的状态；同时完成与上位机的通讯、打印、显示及报警等功能。

　　为了保证称重计量的精度，称重传感器与二次仪表在整个控制系统的重要性不言而喻。考虑到称重传感器和二次仪表的使用对象、目的、场合、状态、时间、方法等条件与称重传感器的性能、可靠性、耐用性、经济性等功能，特别是计量系统的整体机械谐振的带宽，该控制系统采用了高精度、抗干扰性好、高性价比的称重传感器和二次仪表，并设计了一台多功能的带数据存储等功能的专用计算机，运用自补偿跟踪、光电隔离、软件滤波等技术，将整个计量系统的精度控制在0.5%之内。该系统不仅具有实时在线称重、自动校称、自动去皮、查询统计、实时模拟、掉电保护等功能，而且具有可靠性高、计量准确、精度高、实用性强及推广性好、操作简单、维修方便等特点，同时，还具有故障报警功能、打印功能与计算机通讯接口的配备。

2结束语

　　该称重计量系统的设计过程中将烟丝计量与加工设备改造相结合、机械机构优化设计与电路滤波去干扰相融合，充分考虑了系统的环境适应性、稳定性、抗干扰性、自适应性，使系统达到了设计要求。该系统不仅对我国烟草整个行业的自动化建设产生积极的推动作用，而且对烟草整个行业的信息化建设也将产生深远的影响。

参考文献［1］赵松年，张奇鹏主编. 机电一体化系统设计［M］. 北京：机械工业出版社，1996, 238.

［2］张宝芬, 张毅, 曹丽编著. 自动检测技术及仪表控制系统［M］. 北京：化学工业出版社，2002：261-264.

［3］沈显峰, 王庸贵. 高精度大量程称重系统研究［J］. 实用测量技术.2002，28（4）：11-12.
 
 
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