第3章称重配料过程的分析研究
3．1常用称重计量设备
称重配料系统中典型的称重计量设备主要有以下几种：
1．重力式自动装料秤
重力式自动装料秤又称为料斗秤，它是按照事先设计的称重程序和定量值将
大批散状物料自动分成所需质量的小分额载荷的自动称量装置，由于它是在预先
规定其量值下进行自动称重的，所以又称为“定量自动秤”。混凝土搅拌站就是采
用这种计量方式。
2．连续累计式自动衡器
连续累计式自动衡器主要用于测量输送过程中散料的流量，并对散料流量进
行积分来求得被输送物料的总重量。输送连续物料流的最佳工具是皮带输送机，
所以在连续累计式自动衡器中典型的是重力式电子皮带秤。
3．失重秤
失重秤，也称负秤，采用减法计量。随着被称对象重量的减少，秤的读数增
加，常用于排料时指示排料量，也可称为卸料秤。
以上三种典型的计量控制设备中，由于电子皮带秤存在着严重的零点漂移，
配料精度低，无法满足高精度的配料要求。失重秤要求安装高度较高，使用受到
一定限制。因此，本文主要针对料斗秤的称重配料过程进行研究。
大型混凝土搅拌楼站在总体结构上采用提升上科、自落配料的设计模型，在
计量原理上采用正秤计量，并采用料斗秤作为称重计量系统。
3．2料斗秤的组成及工作原理
料斗秤由秤体、称重传感器和称重配料控制器(本设计中为PLC)组成。其
中，作为称量装置的秤体由储料斗(料仓)、称量料斗(秤斗)和给料装置组成。
料仓储存物料。根据不同物料的要求，可以配置不同的给料装置。粉料如水
泥等可以选择螺旋给料装置，砂和石子可以采用料门给料装置，而水等液料则采
用传给上位机，完成称量过程。然后命令开卸料门气动电磁阀将秤斗的卸料门打
开，进行卸料，卸完料后关闭卸料门进行下一个周期的称量。
3．3称重配料过程的分析
称重配料对称量设备的要求，首先是准确，第二个要求是快速。实际称重配
料过程中，快速和准确是一对矛盾。一般配料系统对称重配料过程的生产率都有
规定，所以在给定的生产率前提下，即称重配料时间周期一定的情况下，同时要
使配料精度达到要求。
称重配料系统的动态称重配料过程控制，关键问题是如何实现高精度的配料，
即配料精度要满足标准要求，又不能影响生产率蚴。
配料误差定义为称量料斗中原料的实际重量与所称量原料的设定重量之间的
差值。动态称重配料过程的控制就是要使配料精度在允许误差范围之内。按照
GBl0172--88混凝土搅拌站(楼)技术条件规定嘲，配料精度应符合表3．1的要 求： 。
表3．1称重配料允许误差
物料名称 称量精度
骨科 ±2％
水泥 ±l％
水 ±l％
掺合料 ±2％
外加剂 ±3％
1．物料下落时给秤斗造成的冲击力；
2．从控制器发出关门指令到给料门完全关闭，由于信号传输延迟和机械装置
动作的滞后，造成给料门关闭的相应滞后；
3．由于料仓到秤斗有一段距离(落差)，导致关门后仍有一部分空中余料(过
冲量)尚未落入秤斗；
4．控制器采样以及模数转换引起的误差．
上述因素中，空中余料的影响最大。产生空中余料一方面是由于从控制装置。
其二，频繁点动易使机械设备损坏。如气缸、电磁气阀、传感器等。
配料的关键是对物料称量过程的控制，由上述配料过程可看出由于料仓出口
与秤斗内物料表面有一段距离，因此传感器检测重量与实际供料量之间有一差值，
造成了进料落差。
同时物料性质的变化、进料的冲击、给料门的滞后等因素也是影响最终物料
配制精确度的直接原因。所以若能准确估计终止给料时刻空中物料量、给科门的
滞后等因素而提前终止给料，就能保证最终称量结果在给定的范围内。
3．4配料过程的数学模型
本设计以科斗秤为倒，以单料门的称量过程建立系统的数学模型。当然，得
出的结论同样适用于粗细双料门的模型。
设给料门在“开时刻开门，由于存在落差，开门后物料在fl时刻落到秤斗。
在t，关时刻关门，关门后在f，时刻空中余料全部落入秤斗。如图3-3所示。
W
图3．3秤斗内物料重量的变化与时间的关系
在rl—t3时间段内，f时刻秤斗内物料重量的增加可用下式表示：
警=础 (3．1)
式中：呻)一秤斗内物料重量(1【g)
p一空中料柱的比重(kg／m3)
S一给料门的横截面积(m?)
，一物料下落到料面的瞬时速率(m／s)
随着物料的不断落入，秤斗内物料的堆积高度上升，它与实际物料重量成正比 无法控制了。
可见这是一个不确定的模型，而且具有非线性，所以传统的控制方法难于对
它进行控制。
3．5数学模型的计算机仿真
3．5．1 MA!rI，AB仿真技术简介
MATLAB是由美国MathWorks公司推出的专门用于科学、工程计算和系统
仿真的高级语言。从1984年推出至今，其功能得到不断扩充和完善，集数值计算、
图形可视化、图像处理及多媒体技术于一体，拥有30多个涵盖各学科、各领域的
专用工具箱，包括信号处理(Singal Proce鸽ing)、通信系统(Communication
System)、电力系统(PowerSystem)、控制系统(ControlSystem)、虚拟现实(V'mual
Reality)、状态流(State Flow)、系统辨识(System Identification)、神经网络(Neural
Network)、模糊逻辑(Fuzzy Logic)和实时空间(Real--Trine Workshop)等，成
为众多领域中计算机仿真、计算机辅助设计与分析、算法研究和应用开发的基本
工具和首选软件。
SIMULINK是MATLAB提供的系统动态仿真工具箱，它由模块库、模型构
造及指令分析和演示程序组成，是一个模块化、模型化的系统动态仿真环境。用
户应用SIMULINK对系统进行建模、仿真和分析时如同堆积积木一样简单方便，
只需要在模型窗口中单击或是拖动鼠标即可。SIMULINK不能脱离MATLAB而
独立运行，但是它借助MATLAB在科学计算上得天独厚的优势及可视化的仿真
模型窗口，弥补了传统软件工具的不足。同时，SIMULINK也是众多仿真软件中
功能最强大、最优秀的一种软件工具。它使得动态系统仿真的实现相当方便，对
系统的非线性因素和随机因素的研究也十分便捷、直观。通过SIMULINK还可以
对电气、机械、通信等的连续、离散或是混合系统进行深入的系统建模、仿真与
分析研究。
3．5．2瓦料模型的计算机仿真
为了验证上节推导出的配料过程的数学模型，我们用MATLAB进行了仿真。
相关参数取为：H=I．8m、S=O．1m2、g=9．$N／坛，选取两组不同的比重
从图中可以看出，重量的增加和时间之间并不成线性关系，开始重量增加较
快，随着时间的增长逐渐变慢。这是由于，随着秤斗内物料的向上堆积，落差距
离逐渐变小，物料到达秤斗物科表面的速度变小的缘故。从式3．1可以看出，物
料增加的速率与速度是成正比的。
从两组曲线的对比可以看出，物料的比重不同，相同时间内的称重量也不相
同。
3．6本章小结
本章首先介绍了几种常用的称重计量设备，重点介绍了料斗秤的组成及其工