CN115783658B - 一种螺旋输送计量设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺旋称重技术领域，具体涉及一种螺旋输送计量设备及系统，包括机架，所述机架上设置有电机，所述机架上设置有托架，所述托架上设置有用于输送物料的输送部，所述输送部的输出端设置有速度单元，所述输送部远离所述速度单元的一端与所述电机的输出端连接，所述托架的下方设置有重量单元，所述重量单元包括用于测算重量的测重组件与用于动态平衡所述测重组件的平衡组件，所述计量设备还包括搭载的控制单元，本发明通过将螺旋输送过程中的动态称量过程转化为光电的信号变化，进而提高了计量的精准度，极大程度地降低了物料动态输送下对计量的不利影响，减小了输送计量过程中的动态偏振对计量控制系统造成的影响。

Description

一种螺旋输送计量设备及系统

技术领域

本发明涉及螺旋称重技术领域，具体涉及一种螺旋输送计量设备及系统。

背景技术

螺旋输送设备，作为一种粉料输送设备，被广泛应用于水泥、矿山等建材行业，烧结、造球等都需要将矿粉、辅料等按一定比例进行配料，因此，物料的下料及计量必不可少。此目前市面上的螺旋输送设备大多是采用容积式计量法，即采用螺旋输送机对其进行计量和输送，通过改变驱动电机的转速来调整粉料的输送量，确实直观的显示，其输送量的设定和调整非常麻烦，只能依靠经验和现场称量进行校定，对施工人员的要求较高，且有时计量精度不稳定，物料浪费严重。

传统系统主要依靠人工读取仪表读数，手动控制电磁阀及皮带给料，这种方式效率低下，计量的准确性和产品质量的控制具有很大的波动。随着科技的发展，要求系统具有更高的计量精度及效率。同时，由于物料自身特性，容易受环境因素的影响致使计量结果出现较大偏差，其动态误差普遍高于5％。

发明内容

本发明目的在于提供一种螺旋输送计量设备，用于减小输送计量过程中的动态偏振对计量控制系统造成的影响；提供一种计量系统，用于减小输送过程中的计量的动态误差。

本发明通过下述技术方案实现：

一种螺旋输送计量设备，包括机架，所述机架上设置有电机，所述机架上设置有托架，所述托架上设置有用于输送物料的输送部，所述输送部的输出端设置有速度单元，所述输送部远离所述速度单元的一端与所述电机的输出端连接，所述托架的下方设置有重量单元，所述重量单元包括用于测算重量的测重组件与用于动态平衡所述测重组件的平衡组件，所述计量设备还包括搭载的控制单元。需要说明的是，现有技术中，主要依靠人工读取仪表读数，手动控制电磁阀及皮带给料，这种方式效率低下，计量的准确性和产品质量的控制具有很大的波动。随着科技的发展，要求系统具有更高的计量精度及效率。同时，由于物料自身特性，容易受环境因素的影响致使计量结果出现较大偏差，其动态误差普遍高于5％。

针对上述情况，提出了一种螺旋输送计量设备，通过重量单元来对输送的物料进行计量，具体地，重量单元的工作原理基于安培力实现，初始状态时，吊杆在托架以及自身重力的作用下具有向下的移动趋势，而动圈与磁钢能够施加电磁力，二者相互平衡，即吊杆在初始状态处于平衡状态，当输送部运输有物料时，托架及吊杆受到的压力增加，吊杆向下移动，平衡状态被打破，横梁上的光栏与光电槽发生偏移，光电检测进而检测到光电信号变化，最终再通过单片机得到电信号对应的物料质量。基于上述过程，将螺旋输送过程中的动态称量过程转化为光电的信号变化，进而提高了计量的精准度，极大程度地降低了物料动态输送下对计量的不利影响。

进一步地，所述测重组件包括：置于所述机架上的壳体、吊杆、横梁以及联接杆，所述吊杆活动设置在所述壳体内且上端与所述托架的下端面抵接，所述横梁的中部设有支点且通过所述支点与所述壳体连接，所述横梁的一端通过所述联接杆与所述吊杆的中部连接，另一端设有光栏，所述壳体内设有光电槽，所述光电槽内设有光电检测器，所述光栏置于所述光电检测器之间，所述横梁靠近所述光栏的一端还设有能够产生电磁力的动圈，所述壳体内还设有磁钢且置于所述动圈内。基于上述结构，结合搭载的系统能够将物料的质量转化为时间的函数关系，进而减小了物料质量的动态范围。

进一步地，所述平衡组件包括若干伸缩杆，若干所述伸缩杆呈圆周阵列设置在所述吊杆的外周，且所述伸缩杆的一端与所述壳体球接，另一端设置有滚珠，所述滚珠与所述吊杆的外周面抵接。需要说明的是，由于输送部的输送过程是一个持续的过程，对吊杆的作业力使得吊杆发生持续的上下移动，但是这种上下移动还同步伴随着周向的移动，这种周向的移动将进一步对称量的质量造成不利影响，基于上述结构能够对吊杆的周向位移进行平衡，最终辅助提高计量精度。

进一步地，所述控制单元包括单片机，所述单片机与所述光电检测器信号连接，所述磁钢内设置有用于监测温度的三极管，且所述三极管与所述单片机信号连接，所述速度单元与所述单片机信号连接。需要说明的是，使用过程中，当环境变化和流过动圈的电流过大引起的温度变化，当温度升高时，磁感应强度减小，温度降低，磁感应强度增加，并且这种温度变化是非线性的，随温度变化后，不能完全随着温度的回复而回复，虽然这种温度的影响量较小，但是同样需要设置三极管来对温度的变化进行监测，并在单片机内引入温度补偿量，用于减小温度变化的影响。

一种计量系统，所述系统包括前置放大器与PID调节器，所述前置放大器与所述光电检测器、PID调节器信号连接，用于放大所述光电检测器检测到的与物料质量对应的电信号，所述PID调节器与所述单片机信号连接，用于调节放大后的电信号。需要说明的是，在动态计量过程中，测量精度和测量效率是衡量一个动态计量系统是否合格的重要指标。考虑到物料的体积通常差距较大，并且对设备运行过程中各种参数的监控要求又较为严格，因此，需要一个合适的控制系统来减小输送过程中的计量的动态误差，基于上述系统，具体通过前置放大器进行信号放大，并通过PID调节器来进行PID模糊调节，工作过程为：当物料经由输送部输送至托架上时，使得吊杆间接受力，吊杆通过横梁与动圈联接，吊杆与横梁发生位置变化并带动光栏移动，此时，光电检测器输出与物料质量对应的电信号，该电信号经过前置放大器、PID调节器、单片机后给动圈施加电流，并经由磁钢产生对应的电磁力。

进一步地，所述系统还加入有用于提高精度的闭环控制。在提高精度方面，尽系统中加入闭环控制可进一步提高平衡控制系统的精度，通过降低误差的干扰来提髙系统的测量精度。

进一步地，所述闭环控制包括锯齿波发生器与比较器，所述锯齿波发生器与所述PID调节器信号连接，用于产生锯齿波，所述比较器与所述单片机信号连接，所述PID调节器调节后的电信号与所述锯齿波在所述比较器内比较后输出补偿信号，所述单片机还与所述磁钢信号连接，所述磁钢接收到补偿信号后通过调节电流来动态调节所述横梁。需要说明的是，光电检测器输出的信号经过放大、PID调节之后与固定的锯齿波进行比较，得到补偿信号，使动圈电流增大，电磁力也增大并与物料重力相等而达到新的平衡状态，这个闭环的控制过程是一个动态的过程，只要通上电，整个系统就一直处在不断调整、不断达到平衡的过程。

进一步地，所述伸缩杆与所述单片机信号连接，所述单片机搭载有校正模型，所述校正模型通过迭代的方式整定和优化吊杆的位移量，并输出校正信号来控制所述伸缩杆对吊杆的校正量。

作为优选，迭代整定和优化过程中，将单片机的执行结果作为下一次进行辨识的参考值。需要说明的是，校正模型的工作过程为：先对系统进行参数辨识，根据测量误差通过迭代的方式整定和优化模型参数，再将执行结果作为下一次进行辨识的参考值，如此循环直至误差达到目标值允许的范围。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过将螺旋输送过程中的动态称量过程转化为光电的信号变化，进而提高了计量的精准度，极大程度地降低了物料动态输送下对计量的不利影响，减小了输送计量过程中的动态偏振对计量控制系统造成的影响；

2、本发明通过光电检测器输出的信号经过放大、PID调节之后与固定的锯齿波进行比较，得到补偿信号，使动圈电流增大，电磁力也增大并与物料重力相等而达到新的平衡状态，这个闭环的控制过程是一个动态的过程，只要通上电，整个系统就一直处在不断调整、不断达到平衡的过程；

3、本发明在单片机内引入温度补偿量，用于减小温度变化的影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为重量单元的剖视结构示意图；

图3为图2中A的放大结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-机架，2-电机，3-托架，4-输送部，5-速度单元，6-重量单元，61-测重组件，611-壳体，612-吊杆，613-横梁，614-联接杆，615-支点，616-光栏，617-光电槽，618-光电检测器，619-动圈，620-磁钢，62-平衡组件，621-伸缩杆，622-滚珠。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

实施例1：

请一并参考附图1至图3，一种螺旋输送计量设备，包括机架1，所述机架1上设置有电机2，所述机架1上设置有托架3，所述托架3上设置有用于输送物料的输送部4，所述输送部4的输出端设置有速度单元5，所述输送部4远离所述速度单元5的一端与所述电机2的输出端连接，所述托架3的下方设置有重量单元6，所述重量单元6包括用于测算重量的测重组件61与用于动态平衡所述测重组件61的平衡组件62，所述计量设备还包括搭载的控制单元。需要说明的是，现有技术中，主要依靠人工读取仪表读数，手动控制电磁阀及皮带给料，这种方式效率低下，计量的准确性和产品质量的控制具有很大的波动。随着科技的发展，要求系统具有更高的计量精度及效率。同时，由于物料自身特性，容易受环境因素的影响致使计量结果出现较大偏差，其动态误差普遍高于5％。此外，现有螺旋输送计量系统的输送特性包括静态特性与动态特性，由于螺旋输送计量设备是在输送的过程中对物料进行计量，对于静态特性便不再赘述，对于动态特性，一般是指随时间变化的输入量的相应特性，与静态特性的区别是：动态特性中输入量与输出量的关系不是一个定值，而是时间的函数，最直观的体现为动态特性持续发生变化。因此，动态特性下的计量误差较大，主要来源有：空中溅射余料的影响、物料冲击震动的影响、数据采集误差以及物料的输送稳定性等，基于上述误差来源的分析不难发现，这些误差主要受到控制系统软件算法本身的影响，受硬件设备本身的测量影响较小。在此，主要针对系统层面来提高计量精度。

针对上述情况，提出了一种螺旋输送计量设备，通过重量单元6来对输送的物料进行计量，具体地，重量单元6的工作原理基于安培力实现，初始状态时，吊杆612在托架3以及自身重力的作用下具有向下的移动趋势，而动圈619与磁钢620能够施加电磁力，二者相互平衡，即吊杆612在初始状态处于平衡状态，当输送部4运输有物料时，托架3及吊杆612受到的压力增加，吊杆612向下移动，平衡状态被打破，横梁613上的光栏616与光电槽617发生偏移，光电检测进而检测到光电信号变化，最终再通过单片机得到电信号对应的物料质量。基于上述过程，将螺旋输送过程中的动态称量过程转化为光电的信号变化，进而提高了计量的精准度，极大程度地降低了物料动态输送下对计量的不利影响。

需要说明的是，所述测重组件61包括：置于所述机架1上的壳体611、吊杆612、横梁613以及联接杆614，所述吊杆612活动设置在所述壳体611内且上端与所述托架3的下端面抵接，所述横梁613的中部设有支点615且通过所述支点615与所述壳体611连接，所述横梁613的一端通过所述联接杆614与所述吊杆612的中部连接，另一端设有光栏616，所述壳体611内设有光电槽617，所述光电槽617内设有光电检测器618，所述光栏616置于所述光电检测器618之间，所述横梁613靠近所述光栏616的一端还设有能够产生电磁力的动圈619，所述壳体611内还设有磁钢620且置于所述动圈619内。基于上述结构，结合搭载的系统能够将物料的质量转化为时间的函数关系，进而减小了物料质量的动态范围。还需要说明的是，吊杆612连接有复位组件，如通过簧片等连接。

需要说明的是，所述平衡组件62包括若干伸缩杆621，若干所述伸缩杆621呈圆周阵列设置在所述吊杆612的外周，且所述伸缩杆621的一端与所述壳体611球接，另一端设置有滚珠622，所述滚珠622与所述吊杆612的外周面抵接。需要说明的是，由于输送部4的输送过程是一个持续的过程，对吊杆612的作业力使得吊杆612发生持续的上下移动，但是这种上下移动还同步伴随着周向的移动，这种周向的移动将进一步对称量的质量造成不利影响，基于上述结构能够对吊杆612的周向位移进行平衡，最终辅助提高计量精度。还需要说明的是，伸缩杆621优选为微型可控气弹簧。

需要说明的是，所述控制单元包括单片机，所述单片机与所述光电检测器618信号连接，所述磁钢620内设置有用于监测温度的三极管，且所述三极管与所述单片机信号连接，所述速度单元5与所述单片机信号连接。需要说明的是，使用过程中，当环境变化和流过动圈619的电流过大引起的温度变化，当温度升高时，磁感应强度减小，温度降低，磁感应强度增加，并且这种温度变化是非线性的，随温度变化后，不能完全随着温度的回复而回复，虽然这种温度的影响量较小，但是同样需要设置三极管来对温度的变化进行监测，并在单片机内引入温度补偿量，用于减小温度变化的影响。还需要说明的是，在系统实际运行时，可以借助于Matlab提供的system identification APP，实现对系统参数的高精度辨识。

一种计量系统，所述系统包括前置放大器与PID调节器，所述前置放大器与所述光电检测器618、PID调节器信号连接，用于放大所述光电检测器618检测到的与物料质量对应的电信号，所述PID调节器与所述单片机信号连接，用于调节放大后的电信号。需要说明的是，在动态计量过程中，测量精度和测量效率是衡量一个动态计量系统是否合格的重要指标。考虑到物料的体积通常差距较大，并且对设备运行过程中各种参数的监控要求又较为严格，因此，需要一个合适的控制系统来减小输送过程中的计量的动态误差，基于上述系统，具体通过前置放大器进行信号放大，并通过PID调节器来进行PID模糊调节，工作过程为：当物料经由输送部4输送至托架3上时，使得吊杆612间接受力，吊杆612通过横梁613与动圈619联接，吊杆612与横梁613发生位置变化并带动光栏616移动，此时，光电检测器618输出与物料质量对应的电信号，该电信号经过前置放大器、PID调节器、单片机后给动圈619施加电流，并经由磁钢620产生对应的电磁力。

需要说明的是，所述系统还加入有用于提高精度的闭环控制。在提高精度方面，尽系统中加入闭环控制可进一步提高平衡控制系统的精度，通过降低误差的干扰来提髙系统的测量精度。

需要说明的是，所述闭环控制包括锯齿波发生器与比较器，所述锯齿波发生器与所述PID调节器信号连接，用于产生锯齿波，所述比较器与所述单片机信号连接，所述PID调节器调节后的电信号与所述锯齿波在所述比较器内比较后输出补偿信号，所述单片机还与所述磁钢620信号连接，所述磁钢620接收到补偿信号后通过调节电流来动态调节所述横梁613。需要说明的是，光电检测器618输出的信号经过放大、PID调节之后与固定的锯齿波进行比较，得到补偿信号，使动圈619电流增大，电磁力也增大并与物料重力相等而达到新的平衡状态，这个闭环的控制过程是一个动态的过程，只要通上电，整个系统就一直处在不断调整、不断达到平衡的过程。

需要说明的是，所述伸缩杆621与所述单片机信号连接，所述单片机搭载有校正模型，所述校正模型通过迭代的方式整定和优化吊杆612的位移量，并输出校正信号来控制所述伸缩杆621对吊杆612的校正量。

本实施例中较为优选的是，迭代整定和优化过程中，将单片机的执行结果作为下一次进行辨识的参考值。需要说明的是，校正模型的工作过程为：先对系统进行参数辨识，根据测量误差通过迭代的方式整定和优化模型参数，再将执行结果作为下一次进行辨识的参考值，如此循环直至误差达到目标值允许的范围。

实施例2：

本实施例仅记述区别于实施例1的部分，具体为：

对于迭代整定和优化过程：

通过对输入量与输出量之间的偏差进行控制，实现输出量与对输入量的跟踪，在物料输送计量系统中，给定重量为实际重量为/>，二者之间存在质量偏差/>，并满足：

。

通过对质量偏差进行按比例P、积分I、微分D进行叠加控制，就能时效件对偏差较好的调节，从而控制整个系统，控制算法的理想控制规律公式为：

其中，为比例环节系数；

为积分环节系数；

为微分环节系数；

为输出信号；

为输入信号。

基于上述，由初始设定的目标质量和实际质量/>相减得到偏差值/>，并将偏差值/>作为PID环节的控制量，经过调节参与系统输出量的控制，循环至被减小到系统允许的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计量系统，包括螺旋输送计量设备，其特征在于：

所述螺旋输送计量设备包括机架（1），所述机架（1）上设置有电机（2）；

所述机架（1）上设置有托架（3），所述托架（3）上设置有用于输送物料的输送部（4），所述输送部（4）的输出端设置有速度单元（5），所述输送部（4）远离所述速度单元（5）的一端与所述电机（2）的输出端连接，所述托架（3）的下方设置有重量单元（6），所述重量单元（6）包括用于测算重量的测重组件（61）与用于动态平衡所述测重组件（61）的平衡组件（62），所述螺旋输送计量设备还包括搭载的控制单元，控制过程中，所述测重组件（61）处于动态平衡；

所述测重组件（61）包括：置于所述机架（1）上的壳体（611）、吊杆（612）、横梁（613）以及联接杆（614），所述吊杆（612）活动设置在所述壳体（611）内且上端与所述托架（3）的下端面抵接，所述横梁（613）的中部设有支点（615）且通过所述支点（615）与所述壳体（611）连接，所述横梁（613）的一端通过所述联接杆（614）与所述吊杆（612）的中部连接，另一端设有光栏（616），所述壳体（611）内设有光电槽（617），所述光电槽（617）内设有光电检测器（618），所述光栏（616）置于所述光电检测器（618）之间，所述横梁（613）靠近所述光栏（616）的一端还设有能够产生电磁力的动圈（619），所述壳体（611）内还设有磁钢（620）且置于所述动圈（619）内；

所述平衡组件（62）包括若干伸缩杆（621），若干所述伸缩杆（621）呈圆周阵列设置在所述吊杆（612）的外周，且所述伸缩杆（621）的一端与所述壳体（611）球接，另一端设置有滚珠（622），所述滚珠（622）与所述吊杆（612）的外周面抵接；

所述控制单元包括单片机，所述单片机与所述光电检测器（618）信号连接，所述磁钢（620）内设置有用于监测温度的三极管，且所述三极管与所述单片机信号连接，所述速度单元（5）与所述单片机信号连接；

所述计量系统包括前置放大器与PID调节器，所述前置放大器与所述光电检测器（618）、PID调节器信号连接，用于放大所述光电检测器（618）检测到的与物料质量对应的电信号，所述PID调节器与所述单片机信号连接，用于调节放大后的电信号；

所述伸缩杆（621）与所述单片机信号连接，所述单片机搭载有校正模型，所述校正模型通过迭代的方式整定和优化吊杆（612）的位移量，并输出校正信号来控制所述伸缩杆（621）对吊杆（612）的校正量。

2.根据权利要求1所述的一种计量系统，其特征在于：所述计量系统还加入有用于提高精度的闭环控制。

3.根据权利要求2所述的一种计量系统，其特征在于：所述闭环控制包括锯齿波发生器与比较器，所述锯齿波发生器与所述PID调节器信号连接，用于产生锯齿波，所述比较器与所述单片机信号连接，所述PID调节器调节后的电信号与所述锯齿波在所述比较器内比较后输出补偿信号，所述单片机还与所述磁钢（620）信号连接，所述磁钢（620）接收到补偿信号后通过调节电流来动态调节所述横梁（613）。

4.根据权利要求3所述的一种计量系统，其特征在于：迭代整定和优化过程中，将单片机的执行结果作为下一次进行辨识的参考值。