CN109240148B

CN109240148B - 一种共振式混合机的控制系统

Info

Publication number: CN109240148B
Application number: CN201710560052.8A
Authority: CN
Inventors: 曾庆林; 王爽; 张仁杰; 陆志猛; 王晨; 李延林; 孙涛; 王青松
Original assignee: Beijing Aerospace Innovation Patent Investment Center (limited Partnership); Hubei Hangpeng Chemical Power Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Innovation Patent Investment Center (limited Partnership); Hubei Hangpeng Chemical Power Technology Co Ltd
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: CN109240148A

Abstract

本申请提供了一种共振式混合机的控制系统，包括：控制器、运算板卡、伺服电机驱动单元和加速度传感器，伺服电机驱动单元与共振式混合机的伺服电机相连，加速度传感器置于共振式混合机的负载端；伺服电机驱动单元用于向控制器发送各伺服电机的状态和角度值，并根据控制器反馈的控制信号控制各伺服电机旋转；控制器用于将伺服电机驱动单元发送的各伺服电机的状态和角度值、以及加速度传感器测得的负载加速度发送给运算板卡，并根据运算板卡计算得到的电机角度和加速度生成控制信号发送给伺服电机驱动单元。本申请能够通过自动控制和保持整个负载容器内的物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，达到高效、快速混合均匀的目的。

Description

一种共振式混合机的控制系统

技术领域

本申请涉及物料混合技术领域，尤其涉及一种共振式混合机的控制系统。

背景技术

混合装置广泛应用于化工、医药、电池、化妆品、陶瓷、军工等行业，用于将两种或者多种物料相互分散而达到一定均匀程度。传统的混合方法包括：掺和、捏合、混炼、搅拌、射流混合、管道混合等。

对于高粘度物料、大分子量材料、高价值粉末等物料的混合而言，目前普遍使用捏合、混炼或者搅拌装置，这类混合装置存在以下缺点和弊端：混合时间长、效率低、能耗高、混合死角大、桨叶清理时间长等。某些大分子量材料的混合因为混合时间长、剪切力大等原因，还会造成材料特性变化，最终产品质量降低等不利影响。

发明内容

本申请实施例提出了一种共振式混合机的控制系统，以解决现有技术中混合时间长、效率低等技术问题。

本申请实施例提供了一种共振式混合机的控制系统，包括：控制器、运算板卡、伺服电机驱动单元和加速度传感器，所述伺服电机驱动单元与所述共振式混合机的伺服电机相连，所述加速度传感器置于所述共振式混合机的负载端；其中，

所述伺服电机驱动单元用于向所述控制器发送各伺服电机的状态和角度值，并根据所述控制器反馈的控制信号控制各伺服电机旋转；

所述控制器用于将所述伺服电机驱动单元发送的各伺服电机的状态和角度值、以及加速度传感器测得的负载加速度发送给所述运算板卡，并根据所述运算板卡计算得到的电机角度和加速度生成控制信号发送给所述伺服电机驱动单元。

有益效果如下：

由于本申请实施例所提供的控制系统，能够通过自动控制和保持整个负载容器内的物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到高效、快速混合均匀的目的。

附图说明

下面将参照附图描述本申请的具体实施例，其中：

图1示出了本申请实施例中共振式混合机的控制系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中共振式混合机的整体结构示意图；

图3示出了本申请实施例中激振组件的放大示意图；

图4示出了本申请实施例中马达组件的放大示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的共振式混合机的控制系统的实例示意图；

图6示出了本申请实施例中双闭环控制回路的示意图；

图7示出了本申请实施例中控制系统的操作界面示意图；

图8示出了本申请实施例中所述共振式混合机的受力示意图。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

针对现有技术的不足，本申请实施例提出了一种共振式混合机的控制系统，下面进行说明。

图1示出了本申请实施例中共振式混合机的控制系统的结构示意图，如图所示，所述控制系统可以包括：控制器、运算板卡、伺服电机驱动单元和加速度传感器，所述伺服电机驱动单元与所述共振式混合机的伺服电机相连，所述加速度传感器置于所述共振式混合机的负载端；其中，

具体实施时，所述控制系统通过引发和维持负载物料的共振，实现负载物料的高效混合，可混合的物料体系可以包括：液-液、液-固、气-液、固-固等。

所述控制系统具备自适应能力，能够自动适应一定范围内的不同重量的负载物料，并在振动过程中自动克服负载物料运动和状态变化带来的种种影响，控制共振式混合机迅速达到并持续工作在共振状态。

由于本申请实施例所提供的控制系统，能够通过自动控制和保持整个负载容器内的物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到高效、快速混合均匀的目的。同时，该控制系统还具备多个辅助功能，包括混合过程中的工艺环境温度控制功能、真空度控制功能、保护控制功能等，适用于多种体系物料的高效混合，包括：液-液、液-固、气-液、固-固物料。

实施中，所述系统可以进一步包括：

扩展模块，与所述控制器通过总线连接，用于扩展I/O通道，连接各传感器、急停按钮、电机线圈及阀门控制回路。

实施中，所述系统可以进一步包括：

热电阻传感器，所述热电阻传感器从所述共振式混合机的负载容器顶端插入物料中，用于测量所述物料的温度；在所述温度超过预设报警温度范围时，由所述控制器启动保护。

实施中，所述预设报警温度范围可以为常温～100℃。

实施中，所述系统可以进一步包括：

绝压传感器，安装于所述共振式混合机的负载容器的顶端，用于监控所述负载容器内空气的绝对压力值；所述控制器根据所述绝对压力值对所述共振式混合机的真空泵和真空管路控制，将所述负载容器内空气的绝对压力值控制在预设压力区间。

实施中，所述预设压力区间可以为0～当地大气压的绝对压力值。

具体实施时，所述控制系统能够控制共振式混合机混合过程中负载物料的工艺环境温度和真空度值，工艺环境温度和真空度的控制都具备区间控制功能，工艺环境温度的控制范围可以设置为常温～75℃，真空的控制范围可以设置为0～当地的大气压的绝对压力值。

实施中，所述系统可以进一步包括：

夹套热水温度控制装置，所述夹套热水温度控制装置的出水口、回水口分别与所述共振式混合机的负载容器的夹套进水口、出水口相连，用于控制负载物料混合时的工艺环境温度。

实施中，所述控制系统可以接收混合物料种类信息，并根据所述混合物料种类信息切换相关的共振控制参数。

所述控制系统能够通过输入或者选择混合物料种类，快速切换各个共振控制参数，以达到更快速和更稳定的共振控制效果。

实施中，所述控制系统可以根据确定的共振混合时间控制共振混合达到所述共振混合时间后退出共振状态。

所述控制系统具备定时控制功能，可以设定共振混合的时间，当共振混合到达设定时间时，控制系统自动控制共振式混合机快速退出共振状态，直到完全停止振动。

其中，所述共振混合时间可以为用户设定的。

实施中，所述控制器与所述运算板卡可以通过RJ45接口相连。

实施中，所述加速度的控制范围达到0～100g。

实施中，所述控制器在接收到所述运算板卡反馈的数据后，内部同时运行伺服电机旋转速度r和相位差θ双闭环控制回路，控制所述共振式混合机共振时的加速度达到设定值；

所述双闭环控制回路为：

根据设定相位差θ和运算板卡计算得到的实际相位差确定伺服电机旋转速度r、以及根据设定加速度a和运算板卡计算得到的实际加速度确定伺服电机角差

在所述共振式混合机按照伺服电机旋转速度r和伺服电机角差共振预设时间后，所述控制器将预设数量等时间间隔的角度和加速度值发送给所述运算板卡；所述运算板卡分别计算出相位差和加速度值作为下一次的实际相位差和实际加速度。

实施中，所述伺服电机为偶数个，在控制信号的控制下两两一组以相同的旋转速度r带动与所述伺服电机连接的偏心块做反向位置同步运动。

实施中，在速度同步运动和位置同步运动的同时，每两组伺服电机之间保持有预设的角差

所述角差

由所述控制器确定。

具体实施时，所述角差

可以由所述控制器的双闭环控制回路确定。

图2示出了本申请实施例中共振式混合机的整体结构示意图，如图所示，所述共振式混合机可以包括：负载组件1(包括负载容器)、驱动组件2、机架3、激振组件4、马达组件5、底座6、弹簧7、8、9，所述激振组件4与所述马达组件5相连，所述激振组件4位于所述机架3的下方，在所述马达组件5的驱动下产生共振。

图3示出了本申请实施例中激振组件的放大示意图，如图所示，所述激振组件4可以包括座板10、轴11、偏心块12、外罩13，所述偏心块套设于轴11外表面并位于所述底座10与外罩13形成的空间内；

图4示出了本申请实施例中马达组件的放大示意图，如图所示，所述马达组件可以包括联轴器14、伺服电机15、电机支座16，所述联轴器一端与所述伺服电机相连、另一端与所述轴11相连，所述伺服电机15旋转带动所述偏心块12旋转产生激振力、形成共振。

所述控制系统的伺服电机驱动单元，可以分别与所述共振式混合机的伺服电机15相连接，根据所述控制器反馈的控制信号控制各个伺服电机旋转。

所述机架3、马达组件5固定于所述底座6上。

所述控制系统的热电阻传感器，可以从所述共振式混合机的负载组件1的顶端插入物料中，用于测量所述物料的温度；在所述温度超过预设报警温度范围时，由所述控制器启动保护。

所述控制系统的绝压传感器，可以安装于所述共振式混合机的负载组件1的顶端，用于监控所述负载容器内空气的绝对压力值；所述控制器根据所述绝对压力值对所述共振式混合机的真空泵和真空管路控制，将所述负载容器内空气的绝对压力值控制在预设压力区间。

所述控制系统的夹套热水温度控制装置的出水口、回水口可以分别与所述共振式混合机的负载组件1的夹套进水口、出水口相连，用于控制负载物料混合时的工艺环境温度。

具体实施时，所述负载组件1可以包括负载连接板和负载(或称负载容器)，所述负载连接板固定于负载下方；

所述驱动组件2可以包括驱动上板和与所述驱动上板连接的驱动下板；驱动上板与驱动下板通过弹簧一7夹紧机架板，通过弹簧三9夹紧负载连接板；

所述机架3可以包括弹簧上支座、机架板、弹簧下支座和减振支腿；所述弹簧上支座固定在机架板上方，弹簧下支座固定在机架板下方，减振支腿固定在弹簧下支座下方，弹簧上支座与弹簧下支座通过弹簧二8夹紧负载连接板；

所述驱动组件可以进一步包括：驱动连接杆；所述驱动上板通过所述驱动连接杆与所述驱动下板相连接。

所述负载连接板可以设有供驱动连接杆穿过的孔，所述驱动连接杆穿过所述负载连接板上的通孔。

为了便于本申请的实施，下面以实例进行说明。

图5示出了本申请实施例所提供的共振式混合机的控制系统的实例示意图，如图所示，所述控制系统可以包括：

用于精确调节振动激励力的激振力伺服调节单元；

用于测量负载物料加速度的一套IEPE加速度传感器(一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器)及其配套的恒流源模块；

用于测量负载物料温度的Pt100热电阻传感器；

用于测量负载容器内绝对压力值的绝压传感器；

用于控制负载物料混合工艺环境温度的夹套热水温度控制装置；

可以采用的一套西门子SIMOTION-D控制器作为控制核心；

用于扩展数字量输入DI通道、数字量输出DO通道，模拟量输入AI通道的西门子TM31端子扩展模块；

用于驱动激振力伺服调节单元内的四台伺服电机的伺服电机驱动单元；

用于共振算法运算的运算板卡CP_2；

用于人机交互的计算机或者触摸屏。

所述控制系统可以采用西门子TM31端子扩展模块扩展数字量输入DI通道、数字量输出DO通道，模拟量输入AI通道，TM31端子扩展模块与SIMOTION-D控制器通过DRIVER-CLIQ接口相连。

所述IEPE加速度传感器安装在共振式混合机的负载端，实时测量共振式混合机负载的加速度，IEPE加速度传感器通过配套的恒流源模块向TM31端子扩展模块内的模拟量输入AI通道实时输出-10V到+10V的模拟量信号。IEPE加速度传感器量程可以为0～166g。

所述Pt100热电阻传感器从负载容器顶端插入负载物料之中，与物料充分接触，实时监控负载物料的温升情况，一旦温升过高，立即启动相应保护程序。

所述绝压传感器安装在负载容器顶端，实时监控负载容器内空气的绝对压力值，通过对绝压传感器、真空泵、真空管路的监视和控制，控制系统能够将负载容器内空气的绝对压力值始终控制在某一区间内。绝压传感器量程可以为0～160KPa。

所述夹套热水温度控制装置的出水口、回水口分别与负载容器的夹套进水口、出水口相连，控制负载混合时的工艺环境温度。

所述控制系统可以采用自制的算法运算板卡CP_2完成共振算法运算，CP_2板卡的CPU可以使用TMS320F28X系列DSP芯片。

自制的算法运算板卡CP_2与SIMOTION-D控制器通过RJ45接口相连，通过UDP协议双向定时交换数据(例如：每3ms完成一次数据收发)，SIMOTION-D控制器向CP_2运算板卡传输一定数量(例如：64组)的等时间间隔(例如：1μs)的伺服电机角度数值和同时刻的加速度数值，CP_2运算板卡根据这些数据计算得出加速度值a及激励和负载振动运动之间的相位差θ，并将这两个数据传输给SIMOTION-D控制器。CP_2板卡的作用是完成复杂的振动算法计算，从而节省SIMOTION-D控制器的运算空间，提升SIMOTION-D控制器运行主程序的速度。

其中，CP_2板卡的CPU芯片可以选用TMS320F28X系列DSP芯片。

所述SIMOTION-D控制器与所述自制的算法运算板卡CP_2通过RJ45接口相连，通过UDP协议双向定时交换数据，SIMOTION-D控制器向CP_2运算板卡传输一定数量的等时间间隔的伺服电机角度数值和同时刻的加速度数值，CP_2运算板卡根据这些数据计算得出加速度a及激励和负载振动运动之间的相位差θ，并将这两个数据传输给SIMOTION-D控制器。

为了同时满足共振式混合机始终工作在共振状态且共振加速度可调，所述SIMOTION-D控制器在接收所述自制的算法运算板卡CP_2的数据后，内部可以同时运行伺服电机旋转速度r和相位差θ双闭环控制回路。

图6示出了本申请实施例中双闭环控制回路的示意图，如图所示，所述双闭环控制回路可以为：

根据设定相位差θ和运算板卡计算得到的实际相位差确定伺服电机旋转速度r、根据设定加速度a和运算板卡计算得到的实际加速度确定伺服电机角差

所述双闭环控制回路中的任意一个停止工作，共振式混合机将迅速脱离共振状态，加速度数值也将随之迅速降低。

所述SIMOTION-D控制器是整个控制系统的核心，具体型号选用D425-2DP/PN控制器，其内部固化了初始化程序、主程序、同步控制子程序、共振控制子程序、数据记录与通讯交换子程序、报警与处理子程序、急停处理子程序、保护控制子程序等。

保护控制子程序可以包括：发生同步控制失效、物料温升过快、通讯中断、设备故障等情况后的自动调用，其中同步控制失效是指同步控制误差大于3度时，控制系统自动控制混合机停止振动，通讯中断是指任意一个已组态的DRIVER-CLIQ接口设备通讯异常或者CP_2算法运算板卡通讯异常时，控制系统自动控制混合机停止振动，设备故障是指初始化程序自检时或者初始化后的运行过程中，某一受监控的重要设备出现故障，控制系统禁止振动。

所述控制系统具备急停和保护控制功能，保护控制功能可以包括：同步控制失效保护、物料温升过快保护、通讯中断保护、设备故障保护等。

所述控制系统的激振力伺服调节单元可以由四台带偏心质量块的伺服电机组成，伺服电机通过联轴器与偏心质量块相连。激振力的调节由各个伺服电机的相对运动完成，以电机a、b、c、d命名为例，四台伺服电机的旋转速度r相同，一起做速度同步运动，且旋转速度r由控制系统实时调节；四台伺服电机两两一组，带动偏心质量块做反向位置同步运动，即a、d一组，b、c一组，每组里的两台伺服电机带动偏心质量块做反向位置同步运动，从而相互抵消横向激振力；在速度同步运动和位置同步运动的同时，两组伺服电机之间保持有一定角度的角差

角差

由控制系统实时调节，即控制系统实时调节a、d与b、c之间的角差

所述伺服电机驱动单元由四台伺服电机驱动器组成，分别连接激振力伺服调节单元内的四台伺服电机，同时，伺服电机驱动单元与SIMOTION-D控制器通过DRIVER-CLIQ接口相连，接收SIMOTION-D控制器的控制信号，并向SIMOTION-D控制器反馈各个伺服电机的状态信号和角度值信号。

所述SIMOTION-D控制器与所述伺服驱动单元通过DRIVER-CLIQ总线相连，伺服电机的同步运动由SIMOTION-D控制器控制。

所述控制系统通过精确控制和实时调节激振力伺服调节单元内部安装的四台伺服电机的旋转速度r和同步运动时的角差

来实现共振式混合机始终工作在共振状态，同时负载加速度可调。

所述计算机或者触摸屏用于人机交互，包括：开关“使能”、“复位”、“振动”等虚拟按钮，显示和设定混合物料种类、振动时间、加速度值趋势、混合容器内真空的控制范围等。所述计算机或者触摸屏与D425-2DP/PN控制器可以通过TCP_IP协议相连，计算机或者触摸屏上运行共振式混合机控制系统的操作界面。

其中，PID为比例-积分-微分控制器。

图7示出了本申请实施例中控制系统的操作界面示意图，如图所示，操作员可以通过操作界面实现如下操作功能：用户登录，实时监控混合物料的加速度值、温度值、物料容器内空气的绝对压力值，选择混合物料种类，设定共振混合时间、共振时的加速度目标值、真空的控制范围，操作“使能”、“复位”、“振动”等虚拟按钮，故障显示等。

所述控制系统的具体控制流程可以如下：

1、系统初始化，并自动检测各个通讯及设备是否正常；

2、操作员设定混合物料种类、振动时间、加速度值，如果工艺需要，需同时设定混合工艺环境温度和真空的控制范围；

3、根据工艺需要，开启夹套热水温度控制装置；

4、使能伺服电机驱动单元和伺服电机；

5、开启“振动”虚拟按钮后，系统自动控制伺服电机回零位；

6、系统自动控制伺服电机到初始位，此时角差

为180度，激励力为零；

7、系统自动给定伺服电机初始旋转速度r和初始角差

激振力伺服调节单元开始工作；

8、SIMOTION-D控制器与算法运算板卡CP_2自动建立通讯，定时相互发送数据；

9、SIMOTION-D控制器根据算法运算板卡CP_2传输过来的数据，同时运行伺服电机旋转速度r闭环控制回路和相位差θ双闭环控制回路，控制共振式混合机逐渐工作到共振状态，同时控制共振时的加速度a到达设定值附近；

10、根据工艺需要，开启和关闭真空泵和真空管路；

11、共振时间到达设定值时，系统自动关闭“振动”按钮，并自动调节角差

到180度，激励力重新回到零；

12、系统自动控制伺服电机减速到低速；

13、系统自动控制伺服电机停止旋转。

14、关闭伺服电机驱动单元和伺服电机，关闭夹套热水温度控制装置。

图8示出了本申请实施例中所述共振式混合机的受力示意图，根据振动理论，单个质体有阻尼受迫振动方程ma+cv+kx＝F，其中，F为激振力，m_i、c_i、k_i分别为各单元的质量、阻尼系数、刚度；从而得到本申请实施例中共振式混合机在外加简谐激振力作用下的强迫振动运动方程为：

式中：

m_i为各单元的质量；

C_i为各单元的阻尼系数；

k_i为各组弹簧的刚度；

x_i为各单元的位移；

v_i为各单元的速度；

a_i为各单元的加速度；

{F}为系统的激振力。

从共振式混合机运行时的受力分析可以看出，实质上是两个质量块做反向运动，并相互抵消作用力，使得对地面的作用力为零，从而降低设备对地面和地基的要求。

与现有技术相比：本申请实施例的优点在于：

1)利用共振时效率最高、振幅最大的特点，通过自动控制和保持整个负载容器内物料达到共振状态的方式，以最小的功耗，使物料剧烈振动，从而达到将物料高效、快速混合均匀的目的。试验证明，混合同等质量的物料，功耗降低到现有设备的1/2～1/10，混合时间缩短到1/6～1/10，综合效率的改善非常明显。

2)适用面广，适用于多种体系物料的高效混合，包括：液-液、液-固、气-液、固-固物料。

3)能够在不破坏分子结构和材料特性的情况下，用于某些大分子材料的混合，目前现有的设备无法达到此效果。

4)能够用于某些军用高附加值化工原材料的合成，目前这些原材料使用现有设备难以大规模生产。

5)缩短清洁时间。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

Claims

1.一种共振式混合机的控制系统，其特征在于，包括：控制器、运算板卡、伺服电机驱动单元和加速度传感器，所述伺服电机驱动单元与所述共振式混合机的伺服电机相连，所述加速度传感器置于所述共振式混合机的负载端；其中，

所述控制器用于将所述伺服电机驱动单元发送的各伺服电机的状态和角度值、以及加速度传感器测得的负载加速度发送给所述运算板卡，并根据所述运算板卡计算得到的电机角度和加速度生成控制信号发送给所述伺服电机驱动单元；

所述控制器在接收到所述运算板卡反馈的数据后，内部同时运行伺服电机旋转速度r和相位差θ双闭环控制回路，控制所述共振式混合机共振时的加速度达到设定值；

所述双闭环控制回路为：

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

扩展模块，所述扩展模块与所述控制器通过总线连接，用于扩展I/O通道，连接各传感器、急停按钮、电机线圈及阀门控制回路。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述预设报警温度范围为常温～100℃。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

绝压传感器，安装于所述共振式混合机的负载容器的顶端，用于监控所述负载容器内空气的绝对压力值；

所述控制器根据所述绝对压力值对所述共振式混合机的真空泵和真空管路控制，将所述负载容器内空气的绝对压力值控制在预设压力区间。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设压力区间为0～当地大气压的绝对压力值。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器与所述运算板卡通过RJ45接口相连。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加速度的控制范围达到0～100g。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述伺服电机为偶数个，在控制信号的控制下两两一组以相同的旋转速度r带动与所述伺服电机连接的偏心块做反向位置同步运动。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，在速度同步运动和位置同步运动的同时，每两组伺服电机之间保持有预设的角差

所述角差

由所述控制器确定。