CN104692130B - 气力输送装置主轴的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气力输送装置主轴的控制系统，其中所述气力输送装置包括底座、料仓、进料口、出料管一、一号风机、进料管一、集料管一、集料器一、出料管二、二号风机、管路、进料管二、集料管二、集料器二、出料管三、三号风机、集料管三、集料器三、刮板系统、过滤网、刀具轮，主轴控制系统采用模糊PID控制，当设定收集粉末浓度后，检测到的粉末浓度与收集粉末浓度比较，当差值很大时，主轴转速加速快一些，当浓度值接近时，主轴转速调整得加速慢一些，逐渐趋于稳定。本发明提高了气力输送装置的工作效率，增强了机器的自动化程度。

Description

气力输送装置主轴的控制系统

技术领域

本发明涉及气动输送技术领域，更具体地，本发明涉及对于物料进行气力输送装置的主轴的控制系统。

背景技术

气力输送装置，也称为气力提升系统，就是利用空气的能量来进行粉状散装物料(水泥、粉煤灰、矿渣微粉、熟料等)连续输送和提升的装置。传统的机械提升设备具备着提升量大，提升种类丰富，提升高度高等优点，在现今社会的各行业被广泛的应用。但是，它也有许多不可小视的缺点，设备价格较高一次性投资大，维修量大，难操作，设备重量大、土建投资较多，占地面积大，受场地条件限制多。从工业应用来看，在实际生产中物料的运送占很大的比重，大部分动力消耗于原料或制品的运输中，选择、设计合理的搬运方式已成为提高生产效率、降低成本的重要组成部分。众所周知，水泥、粉煤灰，矿渣微粉、熟料等粉体物料流通过程为散装化运输、使用，具有很大的社会、经济效益，尤其对水泥、粉煤灰等生产、消费均占世界前列而水泥散装比率仍很低的国家来说，发展散装运输显得更具潜力和意义。气力提升系统则可实现向散装运载的工具(如车、船、集箱、集装袋等)发送粉体物料，给混凝土搅拌站的搅拌楼供料，以及给散装仓和磨房内的磨头仓供料等。

采用气体作为载体输送粉末材料的方法还广泛的应用于激光熔覆、喷焊、喷涂、冶金、快速成形等工业领域。在上述各个应用领域中，提高加工过程中粉末输送的均匀、准确性是多个应用领域中粉末输送面临的共性问题，粉末输送量的准确性与稳定性，影响到加工过程中涂层的厚度、涂层温度与涂层质量。

在传统的气动输送技术领域中，常用的送粉装置对粉末输送量的调节主要采用对计量容积(凹槽容积、螺纹沟槽容积等)和电机速度的调节来实现，粉末输出准确性问题只涉及到送粉器的输出粉料的范畴。而粉末输送过程中，即使送粉器输出口的粉末输出量稳定，经过管道中的输送，粉料到达输送管道出口处的输送量未必能够准确、稳定。这是因为粉末在管道中的流动状态实际上很复杂，与气流速度、气流中所含的粉末量、粉末本身料性等相关。粉末在管道中的输送状态可能是依靠高速流的气流动压被输送的悬浮流，也可能是依靠气流的静压推送的栓流，或者是介于两种气流状态之间的输送方式。粉末在管道中的传送可能是时而停滞时而吹走交替进行的状态，因此，送粉器输出粉末的准确性不能保证通过管道输送后管道出口处粉末输出的稳定，为了保证气力输送粉末在管道中的稳定传输，必须对管道中关键部位粉末传输的状态进行检测。

研究表明，在气动输送技术领域中，粉末浓度对形成的气相有着非常重要的影响，目前气动输送装置主要集中于如何解决如上所述的技术问题，但对输送对象，即粉状物料或粉末的浓度检测也未能引起足够的重视。

本发明旨在提出一种对粉末物料浓度进行检测/监测的气力输送装置及其主轴的电控系统。

发明内容

对现有技术存在的问题，本发明通的目的在于提供了一种气力输送装置的电控系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种气力输送装置，包括底座1、料仓2、进料口3、出料管一4、一号风机5、进料管一6、集料管一7、集料器一8、出料管二9、二号风机10、管路11、进料管二12、集料管二13、集料器二14、出料管三15、三号风机16、集料管三17、集料器三18、刮板系统19、过滤网20、刀具轮21，其中料仓2安装在底座1上，料仓2的上部设有进料口3，料仓2的内部设有过滤网20，料仓2的底部安装刀具轮21，刀具轮21对未打散的块状物料进一步破碎，过滤网20制成一壳体形式，过滤网20设在料仓2的内部并位于刀具轮20的上方，刮板系统19设置在料仓2的外部，刮板系统19的刮板形状与料仓2的内部形状相匹配，出料管一4安装在刀具轮21底部，以便对从刀具轮上方漏下的物料进行收集，并通过一号风机5输送至集料器一8中，料仓2的侧部靠下方位置设有出料管二9，对料仓内的物料进一步收集，并通过二号风机10、管路11进料管12回到进料口3中，使得物料能够形成循环，进一步通过刀具轮21进行破碎，从而得到更细目数的物料；进料口3侧部连接进料管一6，进料管一6通过一号风机5将部分物料输送至集料器一8中；料仓2的顶部设置出料管3，通过三号风机16及集料管三17将其余物料输送至集料器18中；在管道11上安装浓度检测装置，所述主轴控制系统采用模糊PID控制，当设定收集粉末浓度后，检测到的粉末浓度与收集粉末浓度比较，当差值很大时，主轴转速加速快一些，当浓度值接近时，主轴转速调整得加速慢一些，逐渐趋于稳定。

本发明的有益效果是：

采用本发明的气力输送装置，能够实现物料的循环破碎、得到目数更细的物料，同时监测物料的气相状态，以达到较好的输送效果。

附图说明

图1是本发明的气力输送装置整体结构示意图。

图2是本发明的控制系统框图。

图3是本发明的双闭环控制图。

图中，1.底座2.料仓3.进料口4.出料管一5.-号风机6.进料管一7.集料管一8.集料器一9.出料管二10.二号风机11.管路12.进料管二13.集料管二14.集料器二15.出料管三16.三号风机17.集料管三18.集料器三19.刮板系统20.过滤网21.刀具轮

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出简要说明。

一种气力输送装置，包括底座1、料仓2、进料口3、出料管一4、一号风机5、进料管一6、集料管一7、集料器一8、出料管二9、二号风机10、管路11、进料管二12、集料管二13、集料器二14、出料管三15、三号风机16、集料管三17、集料器三18、刮板系统19、过滤网20、刀具轮21，其中料仓2安装在底座1上，料仓2的上部设有进料口3，料仓2的内部设有过滤网20，料仓2的底部安装刀具轮21，刀具轮21对未打散的块状物料进一步破碎，过滤网20制成一壳体形式，过滤网20设在料仓2的内部并位于刀具轮20的上方，刮板系统19设置在料仓2的外部，刮板系统19的刮板形状与料仓2的内部形状相匹配，出料管一4安装在刀具轮21底部，以便对从刀具轮上方漏下的物料进行收集，并通过一号风机5输送至集料器一8中，料仓2的侧部靠下方位置设有出料管二9，对料仓内的物料进一步收集，并通过二号风机10、管路11进料管12回到进料口3中，使得物料能够形成循环，进一步通过刀具轮21进行破碎，从而得到更细目数的物料；进料口3侧部连接进料管一6，进料管一6通过一号风机5将部分物料输送至集料器一8中；料仓2的顶部设置出料管3，通过三号风机16及集料管三17将其余物料输送至集料器18中；在管道11上安装浓度检测装置。

本发明的主要工作原理为原料从进料口3进入料仓2中，主轴电机带动刀具轮21高速旋转切削、粉碎物料，并利用二号风机10形成循环气流，让粉末能够循环切削、碰撞，这样能使物料粉碎更充分。当物料加工到一定粒度时，粉料会通过过滤网20，并在刮板的作用下，将进入收集管内，并利用收集风机5、16收集粉末，并储存在集料器内。

对于本发明中的浓度检测装置，可以采用现有技术中的各种检测装置。下面简要介绍几种常用的浓度检测装置。

1、热量平衡法测粉末浓度。该方法的原理是，粉末通过管道过程中的散热能够被忽略不计的话，可以假设被风吹进管道内的粉末的总热量是保持稳定的，由此可以得到相应的计算公式，从而确定粉末的浓度。此方法在煤粉浓度检测中应用广泛，国内外煤发电厂大量使用这种方法。

2、光电检测发测量粉末浓度。其利用气固两相流原理，对其中的固体微粒浓度、速度

利用光纤作为检测元件，将光束射入要、检测范围内，测得微粒运动中对光的感应信号，然后该信号再通过光一电转换、模一数转换后进行分析计算，得到所测量的微粒浓度和速度值。目前在对光电检测元件的研究表明，其主要组成结构有以下几种形式：(1)光纤分离式，(2)并列组合式，(3)混合分布式，(4)并列端面错位组合式。在使用光电检测测量方法时，测量结果受光纤检测元件的结构和被测颗粒的直径影响较大。在进行浓度检测中，检测过程是局部进行的，测得的信号是这个局部中微粒的反映状态，一般采用增大光照面的形式为了能够获得良好的信号，因此，在使用光纤检测元件时通常直径都比测速光纤的大很多。通常采用光电检测的形式有反射型和投射型。对于反射型应用，由于气固两相流体的微粒浓度的定义为单位体积内的微粒所占的比例，对粉末浓度测量的光纤采用多股的混合分布式，光纤检测元件的最有效测量区域为元件的前端0.2-2.5mm之间，因此被测物体越接近光纤探头的端面，就越有利于对高浓度气流的测量。这种测量方式在测量时的空隙较大，在测量时光能够照射到微粒的前、后两面并保证其在有效范围内，光的反射信号能够很好的被接收光纤接收，被测范围内的微粒浓度就能由测量信号准确的反映。

3、微波法。目前的利用微波法对粉末浓度测量技术包括：(1)利用微波的相移和衰减来测量粉末浓度；(2)利用微波的多普勒位移来测量流速。

4、电热法。该方法运用热风风速仪的工作原理，将在被测气固两相流中放置电加热的传感探头，不同颗粒直径、浓度和流速的介质会和传感探头发生不同的传热效果，在输送风量确定条件下，可根据测量传感器探头和电加热功率的温度计算出气固两相流体中的固相微粒流量。

总之，本领域技术人员可以采用现有技术中的粉末检测装置来实现本发明的粉末浓度检测。

在粉末破碎输送过程中，由于风机速度一定，所以粉末的浓度变化主要随主轴电机转速的影响。根掘实验了解到，主轴电机转速也高，粉末的浓度将变得越大，但主轴电机转速达到一定时，对粉末浓度变化将不产生影响，也会出现反作用。控制系统依据粉末浓度检测传感器测量的浓度值，经过计算、分析当时状态下的粉末的目数。根据这个浓度值，可以判断是否收集粉末。如果为所要收集的粉末目数，则打开图中管道13上安装的电动阀门，利用收集风机，使粉末进入收集管道并收集在集料器内；如果这个浓度值对应的粉末目数不是所要达到的粉末目数，则对主轴电机进行调速，使粉末更充分的破碎、切削、碰撞，直到得到所要的浓度值时，再打开电动阀门，利用收集风机对粉末进行收集。

在本发明中，所运行的主要设备为主轴电机、循环风机、收集风机、刮板电机、电动阀门、电容式粉末浓度检测装置和主轴温度传感器。

检测参数为：粉末的浓度值、电动阀门的开关状态、主轴电机的转速、风机状态主轴温度。

控制参数为：变频器参数、主轴电机、电动阀门、刮板电机、循环风机、收集风机。

控制结果为：使粉末浓度稳定在所制定的浓度范围内。

本发明的电控柜系统通过采用PLC和工控机的计算机控制系统，对该气力输送装置进行控制、管理。主要内容如：

(1)主轴的控制：系统用一个粉末浓度检测传感器，对管道11内的流通粉末进行浓度检测，安装在管道居中位置，这段位置具有风速较稳定，粉体流过时在管内分布交均匀，便于浓度的检测，准确度高。在输送前，设定额定粉末浓度值范围。当检测到的粉末浓度达到额定粉末浓度值时，则打开电动阀门，启动收集风机对粉末进行收集工作；当测得的粉末浓度值小于额定粉末浓度值时，对主轴电机进行控制，提高转速，直到测得的粉末浓度值达到额定浓度值，进行收集工作。

(2)循环风机的控制：当主轴电机启动时，循环风机同时启动，两电机配合形成循环气流，使粉末循环破碎、切削。在加工过程中，循环风机一直运转。当收集粉末时，传感器测到的粉末浓度为0时，即认为机器内粉末全部收集时，循环风机停止运行。

(3)收集风机与电动阀门的控制：电动阀门安装在管道11和管道13接口处，风机安装在了管道13的尾端。本系统设计的收集风机的启动与电动阀门的开启同步，收集风机的停止与电动阀门的关闭一起进行。当测得的粉末浓度达到额定粉末浓度时，开启电动阀门、启动收集风机进行粉末收集过程；当测得的粉末浓度值为0时，则关闭电动阀门并停止运行收集风机，结束收集过程。

(4)刮板电机的控制：刮板电机主要作用是将悬浮在机器内壁的粉末刮下，进行循环切削或收集。当主轴开启运行后，刮板电机开启；当主轴电机停止运行，刮板电机也停止运行。

同时，在该气力输送装置中设置安全系统控制。由于粉末的不断切削、碰撞，主轴的高速旋转，使加工仓内的温度很高。通过研究发现，粉末在体积不变的环境中，粉末的浓度越大，燃点就变得越低，容易发生爆炸；主轴温度过高也会损坏主轴电机。因此，使用温度传感器对主轴温度以及加工室内进行温度检测。如果发生温度过高的情况，立即停止机器的运行。

在本发明中，电器控制是气力输送装置中的控制系统，在系统中拥有最高的优先级，其是PLC和工控机组成的全自动控制系统的应急系统，肩负着保证连续生产、靠性的主要任务，根据粉末加工的工艺要求，设计其电器控制系统。

电气控制系统主要由主回路和控制回路组成，主回路主要控制主轴电机、收集风机、循环风机以及刮板电机的启动和停止，并且具有过载保护的功能。

本发明采用西门子公司生产的S7-200CN型PLC。S7-200CNPLC是经典产品，针对小型模块化控制系统设计，适用于各种检测、监测及自动化系统，应用领域包括机床机械和电力设施等。其主要优点是可靠性高，指令集丰富，实时性好，扩展模块丰富，通信能力强和内置集成功能丰富等。S7-200CNPLC系统由S7-200CNCPU模块、个人计算机主机、编程器和通信电缆等组成。CPU模块又称为主机，是S7-200CNPLC系统的基本单元，包括中央处理器(CPU)、储存器卡(存放程序和数据)、通信口(RS-485串行通信接口)、电源和数字量输入/输出端子I/O端子)等。

S7-200CNPLC模块关键部件包括：(1)状态LED，显示CPU运行状态，例如系统错误/诊断(SF/DLAG)、RUN(运行)、STOP(停止)。(2)可选卡插槽，可以添加储存卡、时钟卡和电池卡。(3)前盖，内置CPU工作模式选择开关(RUN/STOP)、模拟电位器以及扩展I/O接口(连接主机和扩展I/O模块)。(4)顶部端子盖，内置CPU电池和输出端子。(5)底部端子盖，内置传感器接口电源和输入端子。(6)DIN导轨是可编程控制器的机械安装导轨，可利用PLC或扩展模块上的标准(DIN)导轨夹片将PLC或扩展模块固定在DIN导轨上，实现PLC系统的快速安装。(7)串行通信口，为RS-485通信接口，通过该接口可实现与其他PLC、编程器、打印机、显示器等外部设备的通信。

变频器是应用变频技术与微电子技术，是通过改变电机工作的电源频率的策略来控制交流电机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、整流(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有许多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了广泛的应用。本发明中选用青岛立邦达生产的LBD-G300-4T0015型变频器。

本发明中的控制系统由于要检测粉末浓度，而粉末属于非线性控制对象，很难建立精准的数学模型，高精度、无超调、快速平稳的控制也不容易实现。模糊控制不需要对被控对象进行精准建模，通过检测输入和输出信号，就可以达到对系统的控制要求。因此，本发明的控制系统采用模糊PID控制。模糊控制器的设计关键是制定模糊控制规则，对气力输送装置控制系统的控制主要是对主轴电机转速、各开关的控制，当设定收集粉末浓度后，检测到的粉末浓度与收集粉末浓度比较，当差值很大时，主轴转速加速快一些，当浓度值接近时，主轴转速调整得加速慢一些，逐渐趋于稳定。根据气力输送装置控制系统的运行规律设计相应的模糊控制规则。本发明的主轴控制系统框图如图2所示。

本系统采用的是双输入单输出的控制规则模糊控制器，能够使系统在运行状态下尽快消除误差和减少超调量。模糊控制器的输入信号分别为粉末浓度传感器测量的粉末浓度信号和加速度传感器测量的振动信号，模糊控制器的输出信号电机的脉冲频率信号，调节主轴电机转动加速。

气力输送装置的主轴控制系统所设计的双闭环控制采用模糊控制器对其进行调节和控制。其中设计方式是电流环作为内环，速度环作为外环。内环起到加速系统动态响应过程的作用；外环起到恒流升速后的速度调节作用，气力输送装置的主轴电机能够快速制动，提高运行时的平稳性能和抗扰动能力，并且对系统自适应性、快速性和鲁棒性都有很大的提高。本发明的主轴电机双闭环调速系统结构图如图3所示。在系统运行过程中，根据测量的误差数据，得到输出的控制量，再采用隶属度最大法则，进行解模糊处理，从而得到实际控制量，即主轴电机工作时的频率信号。

本发明在管道上安装粉料浓度检测装置，并且通过检测信号控制主轴电机转速从而控制粉料浓度，即粉料的目数。通过对粉料浓度的判断，区分不同目数的粉料。这样可以减少收集风机的个数，提高了气力输送装置的工作效率，增强了机器的自动化程度。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种气力输送装置主轴的控制系统，其中所述气力输送装置包括底座、料仓、进料口、出料管一、一号风机、进料管一、集料管一、集料器一、出料管二、二号风机、管路、进料管二、集料管二、集料器二、出料管三、三号风机、集料管三、集料器三、刮板系统、过滤网、刀具轮，其中料仓安装在底座上，料仓的上部设有进料口，料仓的内部设有过滤网，料仓的底部安装刀具轮，刀具轮对未打散的块状物料进一步破碎，过滤网制成一壳体形式，过滤网设在料仓的内部并位于刀具轮的上方，刮板系统设置在料仓的外部，刮板系统的刮板形状与料仓的内部形状相匹配，出料管一安装在刀具轮底部，以便对从刀具轮上方漏下的物料进行收集，并通过一号风机输送至集料器一中，料仓的侧部靠下方位置设有出料管二，对料仓内的物料进一步收集，并通过二号风机、管路、进料管二回到进料口中，使得物料能够形成循环，进一步通过刀具轮进行破碎，从而得到更细目数的物料，从而对部分物料进行收集；进料口侧部连接进料管一，进料管一通过一号风机将部分物料输送至集料器一中；料仓的顶部设置出料管三，通过三号风机及集料管三将其余物料输送至集料器三中；在管路上安装浓度检测装置，在刀具轮主轴电机的主轴上安装温度传感器，其中电控装置包括工控机和电动阀门，所述电动阀门安装在管路和集料管二的接口处；其特征在于，所述主轴控制系统采用模糊PID控制，当设定收集粉末浓度后，检测到的粉末浓度与收集粉末浓度比较，当差值很大时，主轴转速加速快一些，当浓度值接近时，主轴转速调整得加速慢一些，逐渐趋于稳定。

2.如权利要求1所述的气力输送装置主轴的控制系统，其特征在于，所述模糊PID控制使用双输入单输出控制规则的模糊控制器，所述模糊控制器的输入信号分别为粉末浓度传感器测量的粉末浓度信号和加速度传感器测量的振动信号，所述模糊控制器的输出信号为电机的脉冲频率信号。

3.如权利要求1所述的气力输送装置主轴的控制系统，其特征在于，所述模糊PID控制使用双闭环控制，其中电流环作为内环，速度环作为外环。