高精度称重技术在饲料配料过程中的运用

随着市场竞争的日益激烈, 饲料生产企业越来越多地关注产品的品质。为了适应不断变化的市场需求, 饲料加工行业呈现小批量、多品种的生产特点。因此优众力科技以精量投料、生产过程计量、配料、定量包装机为代表的率称重技术在饲料生产中的应用将日益广泛。

1 称重技术的发展
1.1 模拟式称重传感器和A/D 转换技术
 电阻应变片式称重传感器（ 亦即模拟式称重传感器） 是基于这样一个原理: 弹性体在外力作用下产生弹性变形, 使粘贴在其表面的电阻应变片（ 转换元件） 也随同产生变形, 电阻应变片变形后, 它的阻值将发生增大或减小的变化, 再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号, 从而完成了将外力变换为电信号的过程。模拟式称重传感器的基本参数包括输出灵敏度、综合误差和阻抗。输出灵敏度: 在满负荷（ 载荷） 的情况下, 称重传感器的直流激励电压每增加1 V, 其输出的增加量被定义为称重传感器的输出灵敏度, 称重传感器输出灵敏度的单位是mV·V- 1。综合误差: 称重传感器的误差由非线性、滞后、蠕变、温度漂移等组成。称重传感器的综合误差（ FS） 一般为0.03%, 也就是传感器满量程的万分之三左右。
 阻抗: 称重传感器的输入阻抗一般在450 Ω左右, 输出阻抗一般在350 Ω左右。随着微电子技术的飞速发展, 称重技术中的A/D（ 模拟量/数字量） 转换技术发生了日新月异的变化, 从双积分到逐次逼近, 从并行口输出到串行口输出, 从分离元件前置放大到高度集成数字放大,微电子技术的进步为称重技术的高速发展奠定了坚实的基础。
 目前, 在称重控制领域中广泛使用ΣΔ（ Sigma-Delta） 技术的高精度A/D 转换器件, 该器件将数字可编程增益放大器（ PGA） 、增益及零点校正电路、数字滤波电路和A/D 转换电路封装在一颗高性能集成电路中, 由于采用串行的I2C 总线输出,器件的体积变得非常小巧。A/D 转换可以高达24位, 同时其采样速度也可以达到4 000 次·s- 1, A/D数据输出速度达到100 次·s- 1 或更高, 线性误差为FS 的百万分之七。
1.2 整体式数字称重传感器
 整体式数字传感器在原模拟传感器的基础上,增加了数字转换甚至数字修正、数字滤波和数字补偿等功能。由于用数字信号输出替代原来的模拟信号输出, 从而克服了传统传感器的模拟信号容易受到干扰和衰减等诸多缺欠, 大大提高了称重系统的可靠性。数字传感器的分辨率可达到百万分之一[ 1 ]。数字称重传感器使用方便, 易于构成称重控制系统。但是数字传感器的高成本成为它的大缺点。
1.3 分体式数字传感器
 近年来, 分体式数字传感器也得到了快速发展。分体式数字传感器是将原先在数字传感器内部的A/D转换电路移至接线盒内, 通常将具有A/D 转换模块的接线盒称为数字接线盒, 再将数字接线盒输出的数字信号传递给显示控制器, 与整体式数字称重传感器相比, 分体式数字传感器具有成本低,便于由多个传感器构成称重单元和易于维护等明显优点。
1.4 重量变送器
 重量变送器常用的有模拟式和数字式两种。模拟重量变送器是将称重传感器重量信号转换为统一的标准信号, 如: 4～20 mA、0～5 V（ 直流） 、0～10V（ 直流） 。
 数字重量变送器在分体式数字传感器的基础上, 增加了校准、皮重处理等功能, 数字重量变送器的输出可以是称重系统的净重, 同时数字重量变送器还具备一定的远程控制功能。
2 投料和生产过程中间计量
 投料是指运用高精度称重设备, 对生产中的投料过程进行控制, 使饲料产品的单批次产量满足生产计划的需求, 避免人为因素造成的投料误差。生产过程中的中间计量是对饲料生产中的工艺过程进行控制, 以提高产品质量和生产效率,使得生产中的工艺调整更有的放矢。
2.1 投料秤结构及工作原理
 投料秤可以分为粗、细（ 大、小） 给料装置, 称重部件和下料部件。其结构形式如图1 所示。系统工作时, 粗、细给料装置向秤斗（ 称重部件） 加料, 稳定称重后得到每秤的真实重量并进行累加, 当下料（ 斗） 部件上的料位器检测到斗内物料已经排空后, 电脑称重控制器将秤斗中的物料排进下料斗, 完成一个称重循环。投料秤采用的称重控制软件, 按预先设定的目标重量进行投料, 当累计投料重量达到预先设定的重量值时, 系统自动停止工作并提示操作人员。
2.2 中间计量秤（ 流量秤） 结构及工作原理
 中间流量秤结构与投料秤结构基本相同,由于无需考虑给料性问题, 所以中间流量秤只需要一级给料就可以满足使用要求。中间流量秤结构同样为给料装置、称重部件和下料部件。其结构形式与投料秤相近。系统工作时, 给料装置向秤斗（ 称重部件） 加料, 稳定称重后得到每秤的真实重量并进行累加,当下料（ 斗） 部件上的料位器检测到斗内物料已经排空后, 电脑称重控制器控制将秤斗中的物料排进下料斗, 完成一个称重循环。投料秤和中间流量秤都可以通过标准的RS 485 接口将累加重量等信息向上位计算机系统传输, 以便对生产过程进行集中控制。
3 称重配料的实现方法
3.1 减重（ 量） 法实现配料
 减重（ 或者叫申克Schenck） 秤因早由德国工程师发明而得名。减重配料系统的结构如图2 所示。由于减量配料秤是“通过控制称重料斗内的重量输出来确定装料质量的自动装料衡器”。相关标准应该参照QB/ T 2501—2000《重力式自动装料衡器》行业标准和国家鉴定规程JJG564—2002《重力式自动装料衡器》或法制计量组织OIML R61执行。
 由图2 可见, 减量秤出料装置连接在称重单元上, 省掉了计量斗, 结构相对简单。特别适合用做粉状等有黏性的特殊物料配料。由于减重秤的结构特点, 相对于每次装料称重单元的量程要大得多（ 一般为5 倍或更高） , 因而减重秤的定量精度相对较低。
3.2 增量法实现配料
 累加式配料系统的基本结构如图3 所示, 设置多个给料装置向同一个称重单元供料, 由多个称重周期构成一个配料过程。由于满足“有一个称重单元, 通过多个称重周期, 控制每次输出的装料质量的重力式自动装料衡器”的定义, 因此, 累加式配料系统属于重力式自动装料衡器的范畴, 相关标准应该参照QB / T2501—2000《重力式自动装料衡器》行业标准和国家鉴定规程JJG 564—2002《重力式自动装料衡器》或法制计量组织OIML R61 执行。为了保证系统的配料精度, 一般要限制系统配料的比例。各个成分间重量比例越高, 相应的配比中比份小的物料的配料精度就会越低。
3.3 配料系统控制方法及人机交互技术
 称重配料控制系统主要由储料仓、给料装置、称重装置、输送装置、电控柜、微机控制系统构成, 可完成多种物料不同配方配料的自动供料配料。
3.3.1 由模拟传感器和配料控制器构成控制系统
 配料控制器除具有一般称重显示仪表的功能外, 还具有配方输入、配方存储、给料顺序设定、放料控制、自动补偿等功能。工作时只要在配料控制器上输入工艺配方, 配料控制器即对各料仓给料顺序、给料方式、称重、卸料等进行控制。该系统适用于物料品种少（ 一般在4 种以下） , 常用配方数量不多, 不需对配方数据进行管理的场合应用。其人机交互性较差,但其结构简单、系统造价低、维护方便。
3.3.2 由数字变送器、PLC 和触摸屏构成控制系统
 配料控制系统自从采用了PLC 控制后, 系统的各项性能指示均有了明显的提高, 充分体现了可靠、快速、灵活的控制特点, 满足了较为复杂的工艺要求, 实现了以往难以做到的多种复杂控制和故障保护, 使系统具备了小型化、操作维护简单化和控制智能化的特点。
 在PLC 硬件设计上, 仅保留直接面向人和设备的输入和输出的接口, 省去了一切中间环节, 大大节约了系统的投资。在PLC 的软件设计上, 采用灵活的编程方式, 使程序更加简洁易读、易修改, 也使得系统在控制功能上有着更大的灵活性和适应性。采用触摸屏进行监控, 可靠性高, 监控实现容易, 触摸屏与PLC 之间的通信问题生产厂商已处理好, 用户不用考虑通信问题, 可以大大缩短工程周期。但灵活性一般, 功能有限, 不能满足复杂控制系统的监控要求, 而且价格高。在系统可靠性要求高、工期短的情况下可以采用此方法。
3.3.3 由数字变送器、PLC 和工控机（ 组态软件） 构成控制系统
PLC 组成的控制系统进行监控一般有3 种方法: 触摸屏监控、组态软件监控、第三方软件编制的监控软件监控。用第三方软件编制的监控软件实现监控, 灵活性好, 系统投资低, 能适用于各种系统。但开发系统工作量大、可靠性难保证, 对技术人员的经验和技术水平要求高, 还必须购买通信协议软件。在系统资金投资有限、技术人员水平较高的情况下可以采用此方法。
 并用组态软件实现监控, 功能强大, 灵活性好, 可靠性高。但软件价格高, 需要解决组态软件与PLC 的通信问题。在复杂控制系统中可以采用此方法。组态软件是运行于PC 平台的一个通用工具软件, 和PC 机或工控机一起也可以组成HMI 产品。通用的组态软件支持的设备种类多一些, 而且由于其硬件平台的性能强大（ 在速度和存储容量上） , 通用组态软件的功能也强很多[ 2 ]。由数字变送器、PLC 和工控机（ 组态软件） 构成的配料控制系统如图4 所示。大中型塑胶自动化控制系统的构成以“ 工控机+PLC”的配置较为常见。
PLC 作为塑胶配料测控系统的现场控制器, 工控机用作上位机, 可通过多种通信方式与PLC 通讯,接收PLC 传送来的数据信息, 利用组态软件, 可以很方便的进行实时和历史数据的存储、查询、统计、计算、显示、打印等功能。
4 饲料及添加剂的定量包装
 由于饲料、添加剂以及预混料的比重、流动性等物理特性的差异, 所选用的相应包装设备结构也将有所不同。电脑定量秤可以采用法制计量组织（ OIMLR61） 建议或等效的国家计量鉴定规程JJG 564—2002《重力式自动装料衡器》标准, 其精度等级用X（ x） 表示, 比如: 0.2 级和0.5 级分别表示为X（ 0.2） 和X（ 0.5） [ 3 ]。设计优良的称重控制软件具有良好的用户界面, 同时可以优化大给料点、小给料点等系统工作参数, 经过优化的系统参数可以在掉电的情况下保存十年之久。
 电脑定量秤都可以通过RS485 接口将每包重量等信息向上位计算机系统传输, 以便对累计重量、累计计量误差等进行统计, 产生日报表、周报表、月报表等, 方便管理。
4.1 颗粒物料的定量包装
 颗粒状物料（ 比如水产饲料） 的流动性非常好。因此, 电脑定量秤基本利用物料流动性好的特点,采用活门自落料的给料方式。对于要求定量精度高或较小秤量量程的场合, 也可以使用振动给料的结构形式。
4.1.1 颗粒物料的大袋定量包装
20~50 kg 的电脑定量秤采用3 只称重传感器悬挂秤斗, 气缸驱动大、小活门方式给料。具有秤斗稳定性好、定量速度快、精度高的特点。
4.1.2 颗粒物料的小袋定量包装
1.0~5.0 kg 的颗粒小包装电脑定量秤, 采用具有两个独立称重单元的双秤结构, 使用单只悬臂梁式称重传感器连接秤斗。由气缸驱动的活门和振幅可以调整的振动给料器分别构成大、小给料系统,这样的给料系统充分利用了活门给料快速和振动给料的特点, 电脑定量秤包装速度快, 精度高。
4.2 颗粒、粉状混合物料的定量包装
 颗粒、粉状混合物料（ 畜禽饲料） 多采用皮带输送式给料装置, 亦即采用小型皮带机供送物料, 可采用变频技术改变皮带机的带速, 进行给料速度的调节, 也可以使用控制物料厚度的插板和截料门控制形成两极给料模式。由于使用截料门、皮带上物料厚度调节挡板、
 变频电机等一系列技术措施, 保证了给料电脑定量秤高速、高精度、稳定的工作。
4.3 粉状物料的定量包装
 粉状物料使用螺旋（ 绞笼） 推进式给料装置给料, 由于定量包装的重量不同, 电脑定量秤的结构也有变化。
4.3.1 粉状物料的大袋定量包装
 粉状物料的大袋定量包装一般使用大绞笼和小绞笼构成两级给料系统。两只绞笼均呈水平布置。为提高系统的计量精度, 在绞笼出口处设有截料门。
 秤斗采用圆柱形内开门结构, 3 只称重传感器呈120°分布悬挂秤斗。称重系统具有稳定、密封性好的特点。
4.3.2 粉状物料（ 添加剂） 的小袋定量包装
 粉状物料的小袋包装（ 0.1~5.0 kg） 一直是电脑定量包装中的难题, 其难度主要表现在两个方面。一方面由于粉料大多具有黏性, 这使得给料变得很困难, 同时物料也容易粘到所接触的地方; 另一方面在包装的过程中容易扬尘, 如果使用塑料袋包装, 由于静电的作用, 粉料容易粘到包装袋上, 使热合封口非常困难。
 市场上设计的粉状物料小包装电脑定量秤, 采用全新的系统结构, 很好地解决了粉料小包装电脑计量中的技术难题。如图5 所示, 系统采用锥形料斗储存物料, 竖绞笼给料的工作方式; 竖绞笼采用步进电机驱动。夹袋机构和秤台一体作为承重部件安装到称重传感
 器上。系统进入自动工作状态后, 首先步进电机高速转动, 快速向口袋（ 罐） 中加入物料, 当接近包装重量时, 步进电机驱动竖绞笼慢速向口袋（ 罐） 中加入物料, 当重量达到目标包装重量时, 步进电机停止转动, 完成一个称重周期。
 由以上的工作过程可以看出, 由于没有传统定量包装秤的计量斗, 绞笼排的物料直接进入包装容器中, 从而从根本上避免了由于黏料带来的计量误差; 同时罐装的过程是一个渐进的相对平稳的过程, 避免了传统电脑定量秤开秤斗门集中罐装时带来的粉料流量过大、包装容器中的空气由于不能在瞬间排出而与粉料亲和造成大量扬尘的问题。该型粉状料电脑定量秤由于机械结构合理, 运行可靠, 可以满足高速度、高精度粉状物料定量包装的需求。
5 结束语
 从投料到中间计量, 从系统配料到后成品的定量包装, 现代称重控制技术在饲料生产行业中的应用十分广泛。随着技术的不断进步和生产管理水平的不断提高,称重技术在包括饲料行业在内的很多生产行业中的应用前景将十分广阔。