CN103480302A

CN103480302A - 一种动模式生物质制粒机定量喂料装置

Info

Publication number: CN103480302A
Application number: CN201310406489.8A
Authority: CN
Inventors: 肖爱民
Original assignee: Zhangjiagang Deer Ring Biomass Energy Source Device Co Ltd
Current assignee: Zhangjiagang Deer Ring Biomass Energy Source Device Co Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2014-01-01

Abstract

一种动模式生物质制粒机定量喂料装置，由料筒、料仓、绞龙外筒、绞龙叶片、联轴器和三相交流电机组成，所述控制装置还包括嵌入式控制系统、变频器和编码器，所述嵌入式控制系统，用于：根据设定的生物质颗粒密度值，计算出相应的设定速度值，进而计算出该设定速度值对应的变频器频率，输出至变频器，在该变频器频率下控制三相交流电机启动；和通过编码器读取输出三相交流电机实时转速，根据设定速度值和实时转速调节变频器频率，使电机实时转速与设定速度值相匹配。本发明能解决强制喂料时由于喂料过多所导致的电机堵转问题，提高喂料过程的自动化程度及喂料量均匀性，从而使生物质颗粒密度均匀一致。

Description

一种动模式生物质制粒机定量喂料装置

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及到一种用于生物质制粒机定量喂料控制控制装置。

背景技术

目前，世界范围内的能源消耗主要是以煤炭、石油和天然气为主的不可再生能源。由于其具有不可再生性，其利用是以消耗地球资源为代价。同时人类在使用这些能源的过程中，也在严重地破坏人类的生存环境，其主要表现在：温室效应气体的排放；SO_X和 NO_X等有害气体的排放；粉尘的排放三个方面。

生物质颗粒是一种零排放、可再生能源。通过生物质制粒机将各类松散的生物质原料（主要是农作物秸秆、农产品加工废弃物、林木加工废弃物等）用机械加压的方法，使原来松散的、没有一定形状的原料压缩成具有一定形状的、密度较大的成型燃料。生物质颗粒燃烧所释放出的 CO₂大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的 CO₂，所以燃用生物质能时 CO₂的排放量可以认为是零，这是气、油、煤等常规能源所无法比拟的。

生物质颗粒具有取材容易、加工简单、成本较低、便于储存和运输、易着火、燃烧性能好、热效率高的优点，可作为炊事、取暖的燃料，也可以作为工业锅炉和电厂的燃料。近年来，世界各国普遍开展了对生物质固化成型技术的研究和应用，开发出多种生物质制粒机。生物质制粒机有多种结构类型，包括环模制粒机、平模制粒机、冲压式制粒机等。

平模机与环模机相比，具有能耗低、结构简单、模具维护成本低、调节方便等优点，得到越来越多厂家的重视。平模机具有两种形式，动模式和动辊式。动辊式制粒机利用主电机施加在压辊的力对平铺在模具上的原料进行挤压，挤压时，压辊向下的分力能有效的将原料带入到压轮下，因此加工出的颗粒具有高的密度和长度。动辊式制粒机虽然能够加工出高质量的生物质颗粒，但其缺点也比较明显，由于压轮的的轴承内置在制粒机里面，加工过程中产生的高温和原料的粉尘，对轴承的寿命产生很大的影响。而动模式制粒机由于轴承外置，因此散热条件好，可以有效的提高轴承寿命，降低设备维护成本。但是动模式制粒机是通过模具的转动，利用模具与压轮之间的摩擦力使压轮旋转，从而对模具与压轮之间的原料施加压紧力进行压制，由于模具与压轮之间的摩擦力以及压轮与原料之间的摩擦力较小，因此在工作过程中，会造成进料不足，从而造成颗粒的密度小、长度短等缺陷，

目前尚未检索到基于电流检测的动模式生物质制粒机定量喂料控制方法和装置方面的专利和文献。

发明内容

因此本发明针对动模式制粒机进料不足的问题，提供了一种动模式生物质制粒机定量喂料控制装置，用以对制粒机喂料系统进行定量控制。控制方法简单；能够有效的防止制粒机强制喂料系统堵转；能够有效提高生物质颗粒的密度和长度。

本发明采用的技术方案是：一种动模式生物质制粒机定量喂料装置，由料筒、料仓、绞龙外筒、绞龙叶片、联轴器和三相交流电机组成，其特征是，所述控制装置还包括嵌入式控制系统、变频器和编码器，所述编码器连接于三相交流电机轴和嵌入式控制系统之间，所述变频器连接于三相交流电机定子绕组和嵌入式控制系统之间；

所述变频器用于调节电机转速；

所述编码器用于测量电机转速；

所述嵌入式控制系统，用于：

根据设定的生物质颗粒密度值，计算出相应的设定速度值，进而计算出该设定速度值对应的变频器频率，输出至变频器，在该变频器频率下控制三相交流电机启动；和

通过编码器读取输出三相交流电机实时转速，根据设定速度值和实时转速调节变频器频率，使电机实时转速与设定速度值相匹配。

上述技术方案中，三相交流电机旋转通过联轴器带动绞龙叶片旋转，料筒里面的粉状原料被强行送入到压轮与模具的结合处，然后通过压轮的挤压作用，挤入模具的出料孔中。通过编码器测量电机的实际转速，嵌入式控制系统根据编码器测量的转速进行动态控制。

作为本发明的进一步改进，所述嵌入式控制系统中设有速度-密度关系曲线，所述嵌入式控制系统根据设定的生物质颗粒密度值和速度-密度关系曲线，计算出相应的电机速度值。

作为本发明的进一步改进，所述根据设定速度值和实时转速调节变频器频率具体包括：如果电机转速低于设定速度值，则表示进料过多，降低变频器的频率，使电机转速下降，使料筒里面的粉料减少，在设定的时间后，再恢复至速度设定值对应频率；如果电机转速高于设定值，则表示进料过少，增加变频器的频率，此时电机转速增加，使料筒里面的粉料增加，在设定的时间后，再恢复至速度设定值对应频率。所述设定的时间根据生物质的种类设定，一般为0.5-1.5秒。

作为本发明的进一步改进，所述嵌入式控制系统中设有电机堵转阈值，当电机实时转速波动超过电机堵转阈值时，所述嵌入式控制系统停止变频器频率输出，使得电机停止运行。在控制过程中，电机实时转速围绕设定速度值上下波动，如果波动超过电机堵转阈值，表示系统定量喂料发生故障，则停机维修。

作为本发明的进一步改进，所述嵌入式控制系统包括主控芯片以及分别和主控芯片连接的控制面板、通信模块和存储器；控制程序存储在主控芯片内部的Flash存储器中；

所述主控芯片，用于接收设定生物质颗粒密度值和编码器信号，输出变频器控制频率；

所述通信模块，用于在变频器和主控芯片之间进行双向通信；

所述存储器，用于存储生物质颗粒密度设定值。

所述嵌入式控制系统的控制流程如下：

（1）首先通过控制面板上的密度设定按键，设定需要生物质颗粒密度值；

（2）在存储速度-密度的二维数组中查找设定密度对应的速度值，如果找不到，则通过线性插值的方法推算出速度值；

（3）根据速度与频率之间的关系，算出变频器频率值；

（4）根据变频器频率值设定变频器控制频率，启动电机；

（5）通过编码器测量电机实际转速；

（6）判断电机转速是否超过或者小于设定速度值，如果超过设定速度值，则将频率值减小，通过通信模块设定变频器频率值，直到电机转速减低到设定速度值为止；如果电机转速低于设定速度值，则将频率值增加，然后通过通信模块设定变频器频率值，直到电机转速增加到设定速度值为止；

（7）如果电机转速超过或者小于电机堵转阈值，则控制变频器控制频率，使电机停机。

本发明中，首先通过实验确定速度与生物质颗粒密度之间的关系，在测试时记录不同的喂料转速对应的不同的生物质颗粒密度，得到速度-密度关系曲线；然后将速度-密度关系曲线编制在控制程序中；在制粒机制粒时，首先通过控制装置上的设定按键，设定生物质颗粒密度值，控制系统根据速度-密度曲线计算出相应的速度值，进而计算出该速度对应的变频器频率，然后通过RS485接口，设定变频器频率，并启动喂料电机；控制装置通过编码器读取输出电机转速；然后根据控制规律调节变频器频率，使电机速度与设定速度相匹配。

本发明的有益效果是：解决了由于喂料过多引起的电机堵转；由于喂料不均匀引起的生物质颗粒密度不均匀以及长度短等问题。提高了喂料的自动化程度，提高了生物质颗粒的密度和长度，进而提高了生物质颗粒的产量。

附图说明

图1 本发明实施例的结构示意图；

图2 嵌入式控制系统结构框图；

图3控制面板结构示意图；

图4 定量喂料控制流程图。

图中：1.料筒；2. 料仓； 3.绞龙外筒； 4.绞龙叶片；5. 联轴器；6. 三相交流电机 7. 压轮 8. 模具 9. 编码器 10. 变频器 11. 嵌入式控制系统；12.存储器；13.主控芯片；14.通信模块；15.输入按键；16.数码管；17.控制面板；18.正常灯；19. 故障灯；20.粉状原料；21.生物质颗粒 100.生物质制粒机定量喂料控制装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

如图1所示，一种动模式生物质制粒机定量喂料装置100，由料筒1、料仓2、绞龙外筒3、绞龙叶片4、联轴器5、三相交流电机6、变频器9、编码器10和嵌入式控制系统11组成。其中三相交流电机6旋转通过联轴器6带动绞龙叶片4旋转，料筒1里面的粉状原料19被强行送入到压轮7与模具8的结合处，然后通过压轮7的挤压作用，挤入模具8的出料孔中，形成生物质颗粒21。其中绞龙外筒3出料口为三角形出料口，并与压轮7侧面和圆弧面间隙配合，配合间隙1mm左右，留间隙的目的是让多余的粉料从料筒溢出，可以进一步防止电机堵转；绞龙叶片4呈锥形，圆锥角度为40度，其目的为减轻施加在粉料上的挤压力，防止粉料结块。

编码器9测量电机6的实时转速，嵌入式控制系统11根据编码器9测量的转速，控制变频器10的频率输出，对电机速度进行动态控制。

嵌入式控制系统11，用于：根据设定的生物质颗粒密度值和速度-密度关系曲线，计算出相应的设定速度值，进而计算出该设定速度值对应的变频器频率，输出至变频器10，在该变频器频率下控制三相交流电机6启动；通过编码器9读取输出三相交流电机6的实时转速，根据设定速度值和实时转速调节变频器频率，使电机6实时转速与设定速度值相匹配。

如图3所示，嵌入式控制系统由主控芯片以及分别和主控芯片连接的控制面板、通信模块和存储器组成。主控芯片13采用AT89S52芯片，控制程序存储在主控芯片内部的Flash存储器中。通信模块14采用MAX485芯片，用于在变频器9和主控芯片13之间进行双向通信。存储器12采用24C04存储器，用于存储生物质颗粒密度设定值。控制面板17上设有输入按键15和数码管16。

MAX485芯片的DI引脚与单片机TXD连接、RO引脚与单片机RXD连接、

Figure 2013104064898100002DEST_PATH_IMAGE002

和DE引脚连接在一起并与单片机P1.7引脚连接。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS485芯片，使用RS485，可以有效的提高传输距离和抗干扰能力。

编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部计数器T0引脚上，通过软件进行计数。

24C04存储器的SCL引脚接到单片机的P3.4引脚上，SDA引脚接到P3.5引脚上，主控芯片13按照24C 04存储器12规定的时序在设定密度时将生物质颗粒密度值输入到24C04存储器中，每次系统开机时则从24C04中读取生物质颗粒密度设定值，并根据速度-密度曲线计算出对应的变频器频率。

数码管16的abcdefgdp引脚分别接到P0端口相应引脚上，位选信号接到P2对应的引脚上。

控制面板17如图1所示，包括按键15和数码管16和显示灯。其中正常灯18用于显示系统正常工作状态；故障灯19用于显示系统运行故障，例如电机堵转；密度设定操作按键15a用于增加和减小密度值；数码管16用于显示在设定时显示设定速度值以及运行时动态显示当前电机转速；电机控制键15b用于启动和停止电机。

在生物质制粒机定量喂料控制装置100进行定量控制之前需要收集速度与生物质颗粒密度之间的关系数据，获取速度-密度关系曲线，步骤如下：

（1）手工设定变频器频率值，然后启动喂料电机；

（2）记录控制系统上显示的电机实际转速；

（3）然后使用精密天平测量颗粒重量，并通过卡尺测量生物质颗粒的长度，然后根据生物质颗粒的长度、重量和直径计算颗粒的密度；

（4）重复上述步骤，每次设定不同的转速，得到对应的颗粒密度。

上述步骤得到的转速与密度对应关系。然后将测量出的速度-密度关系通过Keil C51编程软件编制在程序中。在程序中通过二维数组存储速度-密度关系，数组的类型为float类型。

嵌入式控制系统11嵌入式控制系统11控制电机喂料的流程图如图2所示，控制的流程的具体步骤如下：

（2）控制程序在存储速度-密度的二维数组中查找设定密度对应的速度值，如果找不到，则通过线性插值的方法推算出速度值。

（3）根据速度与频率之间的关系，算出变频器频率值，计算公式如下：

Figure 2013104064898100002DEST_PATH_IMAGE004

其中：f为频率(HZ)，n为转速(r/min)，p为电机的极对数。

（4）设定完毕后，按“启动电机”键启动电机。

（5）嵌入式控制系统通过编码器测量电机实际转速，测量方法为：在一段时间间隔t内对编码器输出脉冲进行计数，然后根据编码器的每转脉冲数、实际脉冲数和时间间隔t，计算电机的实际转速。

（6）判断电机转速是否超过或者小于设定速度值，如果电机转速低于设定速度值，则表示进料过多，降低变频器的频率，使电机转速下降，使料筒里面的粉料减少，1秒钟后，再恢复原先的控制频率使电机转速恢复到设定值；如果电机转速高于设定值，则表示进料过少，增加变频器的频率，此时电机转速增加，使料筒里面的粉料增加，1秒钟后，再恢复原先的控制频率使电机转速恢复到设定值。

（7）如果电机转速超过或者小于设定速度值30%，表示电机堵转，系统无法自动调节，则停机检查。

使用定量喂料和未使用定量喂料生物质颗粒质量对比，使用定量喂料后的生物质颗粒，其长度、完整性均比未使用定量喂料时的生物质颗粒要高。另外使用精密天平和卡尺测量颗粒的密度，结果未使用定量喂料时1.23g/cm ³，而使用定量喂料时的颗粒密度值为1.36g/cm ³，结果表明使用定量喂料可以有效的提高颗粒的密度。

Claims

1.一种动模式生物质制粒机定量喂料装置，由料筒、料仓、绞龙外筒、绞龙叶片、联轴器和三相交流电机组成，其特征是，所述控制装置还包括嵌入式控制系统、变频器和编码器，所述编码器连接于三相交流电机轴和嵌入式控制系统之间，所述变频器连接于三相交流电机定子绕组和嵌入式控制系统之间；

所述变频器用于调节电机转速；

所述编码器用于测量电机转速；

所述嵌入式控制系统，用于：

2.根据权利要求1所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述嵌入式控制系统中设有速度-密度关系曲线，所述嵌入式控制系统根据设定的生物质颗粒密度值和速度-密度关系曲线，计算出相应的电机速度值。

3.根据权利要求1所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述根据设定速度值和实时转速调节变频器频率具体包括：如果电机实时转速低于设定速度值，在一个设定的时间内，降低变频器的频率，使电机实时转速下降，再恢复至速度设定值对应频率；如果电机实时转速高于设定速度值，在一个设定的时间内，增加变频器的频率，使电机实时转速增加，再恢复至速度设定值对应频率。

4.根据权利要求1所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述嵌入式控制系统包括主控芯片以及分别和主控芯片连接的控制面板、通信模块和存储器；控制程序存储在主控芯片内部的Flash存储器中；

所述存储器，用于存储生物质颗粒密度设定值。

5.根据权利要求1或4所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述嵌入式控制系统的控制流程如下：

（3）根据速度与频率之间的关系，算出变频器频率值；

（4）根据变频器频率值设定变频器控制频率，启动电机；

（5）通过编码器测量电机实际转速；

6.根据权利要求1所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述绞龙外筒出料口为三角形出料口，并与压轮侧面和圆弧面间隙配合，配合间隙1mm。

7.根据权利要求1所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述绞龙叶片呈锥形，圆锥角度为40度。

8.根据权利要求4所述的定量喂料控制装置，其特征是，所述主控芯片（13）采用AT89S52芯片；通信模块（14）采用MAX485芯片；所述存储器（12）采用24C04存储器；所述控制面板（17）上设有输入按键（15）和数码管（16）。