巴圖，孟兆新，王猛，崔立松

摘要：刮板運輸機是一種用于生產(chǎn)運輸?shù)某Ｓ醚b備。針對刮板運輸機運輸木粉精準(zhǔn)度不高的問題，設(shè)計可編程控制器（Programmable logic Controller，PLC）控制木粉送料的計量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)公斤級木粉喂料。通過對裝置進行改造，分為2部分，粗送料過程利用傳送帶進行，細送料過程由定量喂料機構(gòu)完成。通過開放性生產(chǎn)控制和統(tǒng)一架構(gòu)（OPC Unified Architecture，OPC UA）實現(xiàn)控制過程中的數(shù)據(jù)交互和人機交互過程。通過仿真驗證可行性，試驗得到的誤差小于2%，實現(xiàn)裝載過程中對木粉的自動準(zhǔn)確計量。該計量裝置所產(chǎn)生的誤差較小，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時顯示，這對于實現(xiàn)定量木粉運輸，加強物料定量運輸作業(yè)管理有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：刮板運輸機；定量喂料；流體力學(xué)；計量裝置；分段控制

中圖分類號：S773.9文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2024）03-0135-07

Research on Small-scale Metering Feeding Device for Wood?Powder Based on Scraper Conveyor

BA Tu， MENG Zhaoxin*， WANG Meng， CUI Lisong

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：Scraper conveyor is a commonly used equipment for production and transportation. In response to the problem of low accuracy in transporting wood powder using a scraper conveyor， a programmable logic controller （PLC）-controlled wood powder feeding metering device was designed， which can achieve kilogram-level wood powder feeding. By modifying the device， it was divided into two parts： the coarse feeding process was carried out using a conveyor belt， and the fine feeding process was completed by a quantitative feeding mechanism. Data interaction and human-machine interaction in the control process were realized through OPC unified architecture （OPC UA）. Feasibility was confirmed through simulation， and the error obtained from the experiment was less than 2%， achieving automatic and accurate metering of wood powder during loading. The metering device generates small errors and can also achieve real-time display of data， which is of great significance for achieving quantitative transportation of wood powder and strengthening the management of material quantitative transportation operations.

Keywords：Scraper conveyor; quantitative feeding; fluid mechanics; metering device; segmented control

0引言

木材作為一種可再生資源，被應(yīng)用于很多環(huán)境。木粉在材料科學(xué)中作為填充劑或增強劑添加到塑料或與合成樹脂結(jié)合后可形成木質(zhì)復(fù)合材料，提高產(chǎn)品的強度、硬度和耐磨性[1]；可以直接進行壓制，作為家具等木制品原材料[2]；在炸藥制作等方面也發(fā)揮著巨大作用[3]。但是由于木粉材質(zhì)較輕，不易通過傳感器計量，所以在使用過程中采用體積計量的方法。但是采用刮板運輸機或鼓風(fēng)機的方法都不能對木粉用量進行精確控制，且在加工過程中造成物料浪費。為能夠滿足送料準(zhǔn)確，兼顧效率、可移動、成本低的木粉主動計量喂料要求，本研究設(shè)計一種可移動的刮板運輸機與小劑量喂料結(jié)合的裝置，實現(xiàn)木粉傳輸精確可控，滿足企業(yè)銷售主動控制喂料與統(tǒng)計需求[4]。這種成本低、主動喂料、可移動的稱重系統(tǒng)，實現(xiàn)在裝載過程中安裝靈活、較準(zhǔn)確計量的木粉運輸加工的需求，對于保障木粉用料準(zhǔn)確，提高木粉利用率有重要意義。

1木粉給料計量系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要由刮板運輸機[5]、分料板、定量給料裝置和移動式矯正地秤組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中支撐機構(gòu)與輪系省略。刮板輸送機除作為運輸裝置之外，每一層分料板作為初始計量裝置，通過2個刮板之間的空間粗略估計木粉計量[6]。第二部分由備料箱和定量喂料機構(gòu)組成，定量喂料機構(gòu)上有氣孔進行控制，如圖2所示。為檢測物料計量情況，加入地秤來檢測模具中的木粉質(zhì)量[7]。

現(xiàn)在市面上常見的動態(tài)稱重機構(gòu)主要是皮帶秤和核子秤，本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，改進主要分為以下幾個方面。

1）采用2 m左右高的刮板運輸機，確保運輸高度，并通過刮板限制運輸物料流量，用速度傳感器穩(wěn)定粉料傳輸速度。

2）使用小計量喂料機構(gòu)，直徑為150 mm×610 mm的圓柱體，并在其表面開槽，使木粉能儲存其中。因為木粉質(zhì)輕，不易測量重量，所以以體積作為單位計量。

3）使用真空泵建立真空腔，加速粉料在喂料機構(gòu)中的裝填，并能使粉料壓縮，達到可容納上限質(zhì)量。

設(shè)備測量喂料運行過程如下。刮板運輸機啟動運輸，通過刮板粗略確定運輸木粉體積，備料箱通過刮板運輸機進行填料，為防止定量喂料機構(gòu)不能裝滿，需要將刮板容量略大于定量喂料機構(gòu)體積，再啟動定量喂料機構(gòu)；喂料機構(gòu)通過真空與氣孔保證木粉之間的間隙較小并能緊緊吸附在空腔中，之后定量喂料機構(gòu)開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)填充木粉的空腔到達排料口，控制真空設(shè)備排料。下方的模具為移動模具，通過喂料機構(gòu)的工作速率確定需要裝填的次數(shù)，當(dāng)填滿木粉后地秤稱重記錄實際值并計算誤差，替換為新的模具。如圖3所示。

2測控系統(tǒng)的建立

2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

送料系統(tǒng)核心主要由臺達可編程控制器（Programmable logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)搭建，分為3部分。第1部分是在傳送帶上安裝的刮板，其主要作用是在前期粗送料時對木粉的量進行估計；第2部分則為定量喂料機構(gòu)部分，在精確檢測時進行測量，保證精確進料時檢測的精度；第3部分為地秤，主要作用是校驗實際木粉總重和定量喂料機構(gòu)之間存在的誤差大小[8]。PLC負責(zé)與轉(zhuǎn)換器建立通信鏈接，通過電機信號，計算喂料機構(gòu)的喂料次數(shù)，可以通過對喂料機構(gòu)的單位喂料情況進行木粉總重計算，得出實際質(zhì)量。通過控制真空部分的吸氣和排氣來控制木粉的填料和排料過程。在不同的狀態(tài)下，控制傳送帶的開關(guān)、定量喂料機構(gòu)開關(guān)以及真空部分開關(guān)等按照相關(guān)執(zhí)行設(shè)備運行。

因為系統(tǒng)整體工作在粉塵較大的環(huán)境中且需顯示實時數(shù)據(jù)，所以在硬件選型上需要采用密封性能好的器件。經(jīng)過選擇，采用S7 1200 PLC控制器進行整體控制；采用梅特勒 托利多稱重傳感器（METTLER TOLEDO，MTB）稱重傳感器作為刮板運輸機和地磅的稱重核心；H25型光電測速傳感器檢測刮板運輸機的傳輸速率；SINAMICS G120變頻器對電機進行速度平滑調(diào)節(jié)；使用單機旋片真空泵LV0025與真空腔連接，構(gòu)建真空吸氣部分。

由圖4可知，將光電速度傳感器安裝在刮板運輸機下方的水平位置，檢測刮板運輸機的速度；動態(tài)稱重傳感器安裝在刮板運輸機上方水平位置，檢測每對刮板之間的木粉質(zhì)量；在木粉壓制模具下安裝地秤作為最終的質(zhì)量檢測裝置，對小計量喂料裝置進行校正。圖5為控制原理框圖，介紹控制系統(tǒng)各部分間的信息流向。

2.2程序整體設(shè)計

PLC控制的程序分為幾個部分，包括通信模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、人機交互以及質(zhì)量轉(zhuǎn)換等。其中通信模塊需要確定通信協(xié)議，建立端口參數(shù)保證各機構(gòu)之間數(shù)據(jù)交換的可靠性，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊控制模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換。人機交互模塊主要是為了實時監(jiān)測、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，保證機器的正常運行，在特殊情況下可以手動停止整個系統(tǒng)。圖6為系統(tǒng)整體的控制方法。

2.3通信單元

在系統(tǒng)運行過程中通信單元包含了系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)傳輸。需要實現(xiàn)傳送帶電機運行狀況以及喂料機構(gòu)電機運行狀況兩者信息的整合。因為要保證在喂料機構(gòu)運行時刮板運輸機處于暫停狀態(tài)，

并在喂料機構(gòu)達到進料口時刮板運輸機啟動。程序?qū)崿F(xiàn)主要通過EM AM06模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將輸入的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再采用模擬量轉(zhuǎn)換庫中S_ITR指令對喂料機構(gòu)運行次數(shù)進行一定的系統(tǒng)計算，獲取此時排出木粉的質(zhì)量將該數(shù)據(jù)計入寄存器的同時，通過計數(shù)器進行判斷要采用哪一種傳輸計量方式，通過OPC UA通訊方式傳輸控制信號到電機、開關(guān)等器件[9]。

OPC UA通信協(xié)議是國際電工委員會（Imperial Economic Committee，IEC）標(biāo)準(zhǔn)化的中間件通信協(xié)議，該協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議棧，主要用于自動化金字塔的較高級別，用于語義數(shù)據(jù)集成。OPC UA在OPC UA標(biāo)準(zhǔn)中不存在確定性的概念[10]。OPC UA的open62541開源實現(xiàn)比MQTT、ROS和DDS等其他開源協(xié)議實現(xiàn)性能更好。

2.4質(zhì)量檢測

因為木粉的質(zhì)量較輕，所以直接檢測不能達到一定的精確度，所以采用間接測量的方式[11]。在粗檢測部分是通過刮板機的間隙來估計運輸木粉的體積，進而估計木粉的質(zhì)量。為防止喂料機構(gòu)不能被填滿而導(dǎo)致較大誤差，所以將刮板間隙設(shè)計略大于喂料機構(gòu)，保證喂料機構(gòu)的精確性[12]。喂料機構(gòu)則需要通過試驗來判斷每次送料的木粉質(zhì)量，取均值作為單位木粉的質(zhì)量進而計算總質(zhì)量。

為使定量喂料裝置的精度達到較高的水平，需要對真空部分進行分段控制。通過計算氣體流量和進料質(zhì)量進行模型構(gòu)建，影響系統(tǒng)的因素可以分為4個，分別是木粉的懸浮速度、在填料中使用的真空氣體流速、粉料的空氣的體積占比以及真空吸力[13]。整體進料的過程用氣固流體力學(xué)進行計算。

2.5人機交互系統(tǒng)

為進一步提高系統(tǒng)的控制精度，設(shè)計人機交互模塊，該模塊主要負責(zé)實時顯示木粉的質(zhì)量值、運行時間以及設(shè)備的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)的顯示主要依靠量化數(shù)值顯示模塊和監(jiān)控顯示模塊。當(dāng)前載荷量、總載荷量以及總運行時間能夠以數(shù)值的形式表示，將量化后的數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示出來，具體圖像繪制以載荷量為縱軸，時間作為橫軸。該模塊充分發(fā)揮了監(jiān)控系統(tǒng)運行的作用，在數(shù)據(jù)處理方面，使得用戶對當(dāng)前計量以及以往計量有著充分的了解[14-16]。

在調(diào)節(jié)木粉質(zhì)量設(shè)定數(shù)值時，可通過控制系統(tǒng)的鍵盤完成參數(shù)的輸入，包括目標(biāo)質(zhì)量值以及監(jiān)控圖像等都會最終顯示在顯示屏上。

通過設(shè)備的運行時間和工作狀態(tài)等信息確定設(shè)備處于安全工作范圍內(nèi)，如果發(fā)生異常，則需要通過人工緊急制動按鈕對整個系統(tǒng)進行停止，防止重大事故發(fā)生。

3數(shù)據(jù)處理與試驗結(jié)果

3.1仿真驗證

通過機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems， ADAMS）和PLC的聯(lián)合仿真驗證該送料機構(gòu)的可行性。使用ADAMS的建模工具繪制傳送帶等相關(guān)物體，然后將其定義為可控制模型。在PLC編程中調(diào)用ADAMS API函數(shù)。ADAMS提供了一系列API函數(shù)，可用于與PLC進行通信。使用 ADAMS_GetState（） 函數(shù)讀取機械系統(tǒng)的狀態(tài)，包括各個物體的位移、速度和加速度等信息；在PLC編程中引入ADAMS的庫文件，并根據(jù)需要調(diào)用API函數(shù)[17]。

在PLC編程中添加控制邏輯?？梢允褂肞ID控制器來控制傳送帶的運動方式，使用狀態(tài)機來管理不同的加工階段。同時需要將控制信號發(fā)送給機械模型，以便更新狀態(tài)。

在人機接口（Human Machine Interface， HMI）界面中添加顯示控件。為方便操作和觀察仿真過程，可以在HMI界面中添加相應(yīng)的控件，如按鈕、文本框和圖表等，用于顯示模擬結(jié)果或手動干預(yù)仿真過程。這些控件可以通過PLC編程和ADAMS API函數(shù)進行交互[18]。

由圖7可知，通過仿真對系統(tǒng)實現(xiàn)控制并完成整個送料過程[19]，但只能進行機械結(jié)構(gòu)運行仿真，無法進行運料仿真，具體能否達到誤差范圍需要進行試驗。

3.2試驗結(jié)果

通過搭建刮板運輸機、喂料機構(gòu)等模型，實現(xiàn)系統(tǒng)整體送料過程。完成全部的硬件連接后，開始運行刮板運輸機送料系統(tǒng)，在監(jiān)測總重過程中，需要對系統(tǒng)的計量精度進行測試，以保證計量的準(zhǔn)確性。在刮板運輸機正常工作一段時間后，將系統(tǒng)的數(shù)值恢復(fù)為設(shè)定值，在該系統(tǒng)中，采用不同設(shè)定閾值情況來測量不同質(zhì)量的木粉，計算系統(tǒng)正常工作過程中的計量精度。使用不同尺寸的定量喂料機構(gòu)對精確運輸閾值進行設(shè)定。

為比較小計量喂料裝置檢測的總質(zhì)量與地秤的檢測標(biāo)準(zhǔn)，可以將地秤作為檢測標(biāo)準(zhǔn)，然后分別將小計量喂料裝置檢測到的總質(zhì)量與地秤的檢測結(jié)果進行比較。通過比較這兩者，可以評估小計量喂料裝置的準(zhǔn)確性和精度，并做出相應(yīng)的調(diào)整和改進。

將質(zhì)量分別設(shè)置為500、400、300 kg，并且在3個質(zhì)量中用1、1.5、2 kg的轉(zhuǎn)輪進行喂料，分別檢測40次可以得到以下數(shù)據(jù)，其中表1為每次檢測的最大誤差質(zhì)量，圖8為12次稱重質(zhì)量分布。

圖8中共有12種不同顏色的線形，分別表示在總質(zhì)量不同和轉(zhuǎn)輪不同的情況下的試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以計算得到最大誤差分別為-4.84、-4.28、-3.84、-2.68；-3.67、-3.29、-2.82、-1.87；-2.63、-2.36、-1.89、-1.42 kg，最大誤差都保持在負值，刮板運輸機的誤差是由于運輸時木粉處于運動狀態(tài)，所以檢測到的質(zhì)量比實際質(zhì)量小。由圖8可以看出，300 kg稱重部分的分布帶較低，而500 kg稱重部分的分布帶較寬，經(jīng)過計算可得分布方差分別為2.080 8、0.924 8、0.369 8，誤差分布隨著檢測質(zhì)量的下降逐漸減小。

而且每次運輸?shù)奈锪腺|(zhì)量差別較大，所以檢測誤差較大。小計量喂料裝置的誤差則主要來源于負壓真空泵產(chǎn)生的吸力分布不均導(dǎo)致的，由圖9可知，在轉(zhuǎn)輪容器中的兩側(cè)吸附粉料較少，不能達到標(biāo)準(zhǔn)密度，所以最終的質(zhì)量都處于欠缺狀態(tài)。

由圖10可知，隨著單次喂料質(zhì)量的下降，誤差也下降，但是隨著小計量喂料裝置的調(diào)換，誤差大小會有一定的波動。分析整體誤差可以得到，隨著整體物料質(zhì)量的上升，誤差也會逐漸增大。這是由于誤差的累加效應(yīng)，后續(xù)研究可以在轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的誤差方面進行一定的補償。

根據(jù)多次試驗，刮板運輸機的速度可以得到很好的控制，能夠使物料運輸保持在3 m/s左右的大小，不會出現(xiàn)物料外泄的情況。

4結(jié)論

本研究設(shè)計一種木粉精細計量裝置，闡述計量裝置能夠連續(xù)檢測的結(jié)構(gòu)、檢測原理，并且通過PLC進行控制，通過聯(lián)動仿真驗證其可行性。通過試驗證明，通過對系統(tǒng)整體的精細化設(shè)計和分段控制方法的實施，能夠解決木粉分配過程中的精度控制問題。該計量裝置的實現(xiàn)對于各種木粉制品的原料裝載作業(yè)管理，防止木粉使用過多或過少，提高粉料作業(yè)效率和效益，保證產(chǎn)品質(zhì)量有著顯著的作用。

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