一种基于PLC控制的气力输送系统及自动定量输送方法

技术领域

本发明涉及气力输送技术领域，尤其涉及一种基于PLC控制的气力输送系统及自动定量输送方法。

背景技术

气力输送系统是根据固气两相流的原理，以普通空气或惰性气体为载体，利用压缩气体的静压或动压，使干燥粉末和颗粒物料按照指定的路径在管道中进行连续运送的一种物流系统；在气力输送系统中，由于粉体物料组分及粒度配比等参数的不稳定，在输送过程中随时会发生气流扰动，尤其是调整输送工况时，需要对应调整输送气量。

中国专利申请号201620294160.6公开了一种连续定量气力输送系统，它主要包括空压机、一级发送仓泵和二级发送仓泵，在所述一级发送仓泵与二级发送仓泵的排气阀之间通过压力平衡器连接，所述二级发送仓泵的出料口通过助吹阀与发送料管相连；在一级发送仓泵与二级发送仓泵上均设置有料位计、压力变送器和流化组件；该方案从进料到燃烧器实现连续全自动控制，使物料在连续输送工程中波动小，连续输送稳定；通过设置的计量控制元件来解决输送物料的精度问题，用以提升气力输送过程中的混料效率。

但是该技术方案中，一方面由于气力输送系统的自动化程度不高，在系统运行时，往往采用输送机变频控制和提前停机相结合的加料方式，无法保证系统输送效率；另一方面在物料计量的精度控制上，一般采用的是开环的动态测量方式，该方法具有稳态误差大的缺点，无法保证物料称量精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种基于PLC控制的气力输送系统，通过在计量罐上以均布的方式安装有若干个计量元件的称重传感器，使其输出数据采用基于卡尔曼滤波的多传感器融合算法进行处理，并通过控制卸料阀开度对卸料质量进行控制，当重量实际值与目标值相差较大时，开大阀门以实现快速出料，接近目标值时，引入模糊PID技术对阀门进行智能控制，关小阀门，从而满足称重的快速性及精度要求，实现了系统的自动化定量输送控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于PLC控制的气力输送系统，包括机架以及布置于机架上用于装载物料的若干个料罐，料罐包括分别用于对粉料进行装载、称量以及搅拌的发送罐、计量罐以及搅拌罐；还包括：

输送单元，用于将若干个料罐依次连通的输送单元固设于料罐之间，输送单元在其端部还固设有连通的气体动力源；气体动力源择一或分别布置在输送单元的管路端部；以及

计量单元，用于监测物料量状态的计量单元布置于料罐上；

所述计量单元包括：

活动设于料罐上的计量组件；以及

主动元件，所述主动元件驱动计量组件相对料罐进行移动；

计量元件，若干个计量元件固设于计量组件中。

进一步，计量组件包括：

负载部，所述负载部分别布置于机架和料罐上；

支撑部，所述支撑部分别布置于计量元件的两端，且支撑部的一端活动设于负载部上，另一端固设于负载部上；

其中，固设于支撑部一端的负载部与主动元件传动连接；

料罐通过计量组件与机架活动连接且料罐受其内部装载物料的重心变化变为倾斜姿态。

作为一种优选，若干个所述计量元件均布于料罐的周向上，所述负载部包括沿料罐周向转动的回转件或沿料罐壁面升降的往复件中的一种或多种。

作为一种优选，还包括固设于计量元件上的承载部，所述承载部中的弹性体阻尼小于计量元件中的弹性体阻尼，所述承载部用于缓冲计量元件承受的冲击力。

进一步，输送单元包括：

固设于料罐之间的输料管；以及

变向管件，所述变向管件活动设于输料管的管路上，变向管件用于调整输料管的管路形状。

进一步，所述变向管件包括：

截管，所述截管至少一端的管口截面倾斜于截管的轴向；

从动件，所述从动件固设于截管的端口处；以及

驱动件，与从动件传动连接的驱动件固设于相邻的截管上。

更进一步，还包括活动连接于变向管件与输料管间的换向件，换向件的两端分别固设于变向管件与输料管上，所述换向件包括滑动连接的伸缩部以及转动连接的活动部；

变向管件进行动作变换时，换向件通过其伸缩部和活动部的动作保持输料管与变向管件间的连接状态。

本发明的另一目的是针对现有技术的不足之处，提供一种基于PLC控制的气力输送系统用于自动定量输送的方法，通过计量步骤配合输送步骤中气力输送的物料在管路中被计量元件所检测参数的变化，提高对气力输送过程中物料输送量的掌握，具有提高对气力输送物料定量精度的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于PLC控制的自动定量输送方法，该方法适用于上述基于PLC控制的气力输送系统，包括以下步骤：

S100、输料阶段：气力输送系统在安全气压范围内设定运行参数并启动气体动力源，将发送罐中的物料经输送单元的输料管运输至计量罐中，当计量罐中的物料达到设置值后，关闭气体动力源停止物料的输送；

S200、计量阶段：在完成S100中的输送阶段后，打开计量罐的卸料阀，同时以固定周期例如5s一次读取料罐中若干个计量元件测量值的输出数据，并经经扩展卡尔曼滤波多传感器融合算法处理，将最终处理完成的数据作为卸料质量进行计量；

S300、混合阶段：在装载有不同物料的多个发送罐以及计量罐中重复S100至S200的步骤，并最终通过计量加入至搅拌罐中进行混合，实现气力输送系统中进行定量输送物料的目的。

进一步，在将发送罐中的物料经输料管运输至计量罐的过程中，还包括：

输料管上的计量元件实时监测管路的气压、流量和速度参数，在计量元件的检测值达到报警值后，判断输料管的故障类型，并根据判断的故障类型进行相应处理。

进一步，在将发送罐中的物料卸入至搅拌罐的过程中，还包括：

计量罐中的卸料阀通过PID调节其阀门开度，在完成一次满足称重需求的物料输送后，检测到输送单元中的管路压力恢复至物料输送前的初始状态范围后，再进行下一次的物料输送。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过在计量罐上以均布的方式安装有若干个计量元件的称重传感器，使其输出数据采用基于卡尔曼滤波的多传感器融合算法进行处理，并通过控制卸料阀开度对卸料质量进行控制，配合引入模糊PID技术对阀门进行智能控制，满足称重的快速性及精度要求，实现了系统的自动化定量输送控制。

（2）本发明通过使支撑部采用连接绳将料罐吊装在机架上，使料罐底部抵靠接触机架上固定的计量元件，料罐的绝大部分重力被支撑部的连接绳所承担，使料罐中装载物料重心变化导致料罐周向各处的重量变化被控制在小范围内，以选择高精度的计量元件进行检测。

（3）本发明通过使本实施例布置有计量单元的料罐与机架间通过计量组件活动连接，当料罐在其内部不均衡的装载物料作用下处于倾斜状态时，使得负载部之间活动连接的支撑部处于差异的受力状态并被计量元件的称重传感器所检测到，继而判断出计量罐的重心位置以及装载物料的分布状态，提高计量精度。

（4）本发明通过沿料罐周向转动的回转件如环状构件在主动元件的驱动下携带计量元件对料罐的某处截面进行检测，同样的，升降件如电动推杆携带环状构件改变计量元件相在料罐上的高度位置，进而配合转动的环状构件实现计量元件在料罐的任一位置上进行检测，拓展计量元件的适用性。

（5）本发明通过通过截管上固定的驱动件如电机带动从动件如固定在相邻截管端口上的轮齿，使得单个的截管之间发生转动，实现多个截管组成的变向管件改变其两端的截管朝向，进而通过成对设置的变向管件共同调节其间输料管的姿态，以及输料管位于计量罐内的喷口朝向，确保气力输料过程的稳定进行。

（6）本发明通过故障预警机制提前控制气压、流量和速度等参数在安全范围内，且在报警后快速停机处理，避免出现管路堵塞或爆裂事故后危害的扩大，并利用计量元件监测运行参数提前做出预警措施。

综上所述，本发明具有满足气力输送系统中物料的输送效率，以及实现了系统的自动化定量输送控制精度等优点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明计量单元结构示意图；

图3为本发明计量单元结构的爆炸示意图；

图4为本发明输料管位于计量罐处的结构示意图；

图5为本发明变向管件结构示意图；

图6中(a)(b)(c)为本发明变向管件运行状态示意图；

图7为图2中A处的局部放大示意图；

图8为本发明自动定量输送方法的流程图；

图9为本发明系统运行流程示意图；

图10为本发明系统故障处理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种基于PLC控制的气力输送系统，包括机架1以及布置于机架1上用于装载物料的若干个料罐2，料罐2包括分别用于对粉料进行装载、称量以及搅拌的发送罐21、计量罐22以及搅拌罐23；还包括：

输送单元3，用于将若干个料罐2依次连通的输送单元3固设于料罐2之间，输送单元3在其端部还固设有连通的气体动力源300；气体动力源300择一或分别布置在输送单元3的管路端部；以及

计量单元4，用于监测物料量状态的计量单元4布置于料罐2上；

所述计量单元4包括：

活动设于料罐2上的计量组件41；以及

主动元件42，所述主动元件42驱动计量组件41相对料罐2进行移动；

计量元件43，若干个计量元件43固设于计量组件41中。

在本实施例中，输送单元3端部的气体动力源300通过气力输送将发送罐21中的物料运输至计量罐22中，计量罐22中装载的物料通过开启其底部的卸料阀，被加入至混合罐中并与其他物料进行搅拌，计量罐22中的物料通过减重称量的方法进行计量，并配合控制卸料阀的开度对加入混合罐中的物料质量进行控制，以实现对混合罐中各物料量的精确配比；

需要说明的是，在输送单元3的管路中发生物料堵塞后，使管路上的计量元件43如压力传感器检测到压差变化并触发相应报警信号，通过固定时间与安全气压范围内的气体动力源300如空压机或真空泵，以多次正、逆双向输送方式向管路的堵塞段增大注吹流量，将堵塞段物料流化进行疏导处理；若在规定时间内无法安全解决，则故障报警后进行人工在线处理或安全停机处理；针对输送管道爆裂故障，则通过故障预警机制提前控制气压、流量和速度等参数在安全范围内，且在报警后快速停机处理；

需要说明的是，计量组件41中布置的若干个计量元件43如称重传感器，同时对计量罐22中的物料质量检测，使其输出的数据采用基于卡尔曼滤波的多传感器融合算法进行处理，当计量的重量实际值与目标值相差较大时，开大卸料阀以实现快速出料，接近目标值时，引入模糊PID技术处理若干个计量元件43的称重传感器输出的数据，以对卸料阀进行智能控制，并关小卸料阀，满足称重的快速性及精度要求；

值得注意的是，计量组件41例如转动安装在料罐2中的环状构件410，在与传动连接的主动元件42如回转电机的驱动下进行转动，使得固设于计量组件41上的若干个计量元件43的称重传感器改变相对于计量罐22的位置，进一步增加对计量罐22中物料进行称重的位置，避免计量罐22内的物料分布差异影响计量元件43对物料的称重精度，从而使系统的控制精度得到进一步提升。

如图2-3、7所示，计量组件41包括：

负载部411，所述负载部411分别布置于机架1和料罐2上；

支撑部412，所述支撑部412分别布置于计量元件43的两端，且支撑部412的一端活动设于负载部411上，另一端固设于负载部411上；

其中，固设于支撑部412一端的负载部411与主动元件42传动连接；

料罐2通过计量组件41与机架1活动连接且料罐2受其内部装载物料的重心变化变为倾斜姿态。

本实施例中，例如负载部411采用环状构件410以及支撑部412采用支撑杆承托在计量罐22的底部，当计量罐22中的物料处于偏载状态时，计量罐22倾斜趋势的作用力传递到支撑部412中的计量元件43上并被检测到；同样的，还可使支撑部412采用连接绳将料罐2吊装在机架1上，使料罐2底部抵靠接触机架1上固定的计量元件43，在此状态下，料罐2的绝大部分重力被支撑部412的连接绳所承担，使料罐2中装载物料重心变化导致料罐2周向各处的重量变化被控制在小范围内，继而选择高精度的计量元件43进行检测；

需要说明的是，还可使本实施例布置有计量单元4的料罐2与机架1间通过计量组件41活动连接，当料罐2在其内部不均衡的装载物料作用下处于倾斜状态时，使得负载部411之间活动连接的支撑部412处于差异的受力状态并被计量元件43的称重传感器所检测到，继而判断出计量罐22的重心位置以及装载物料的分布状态，提高计量精度。

如图1-3、7所示，若干个所述计量元件43均布于料罐2的周向上，所述负载部411包括沿料罐2周向转动的回转件4111或沿料罐2壁面升降的往复件4112中的一种或多种。

本实施例中，通过均布方式将计量元件43的称重传感器安装至料罐2周向的负载部411上，确保计量元件43输出的数据能够反映计量罐22内物料分布的整体状况，避免计量罐22内的物料堆积于一侧时导致计量元件43的称重传感器的检测误差；同时沿料罐2周向转动的回转件4111如环状构件410在主动元件42的驱动下携带计量元件43对料罐2的某处截面进行检测，同样的，在计量罐22外壁的不同位置上设置有凸出的负载点221以及在环状构件410朝向计量罐22的内侧设置供负载点221穿过的容置口4101，通过转动调整环状构件410中容置口4101与负载点221的位置关系，使往复件4112如电动推杆携带环状构件410改变计量元件43相在料罐2上的高度位置，实现环状构件410相对于计量罐22高度位置的调整以及环状构件410承托计量罐22的重量，进而配合转动的环状构件410实现计量元件43在料罐2的任一位置上进行检测，拓展计量元件43在适用的测量点。

如图7所示，还包括固设于计量元件43上的承载部431，所述承载部431中的弹性体阻尼小于计量元件43中的弹性体阻尼，所述承载部431用于缓冲计量元件43承受的冲击力。

本实施例中，选用低阻尼的橡胶作为承载部431固定于计量单元4的称重传感器上，在对计量罐22进行动态称重的过程中，避免用于称重的普通压力传感器由于其弹性体的阻尼过小，振荡严重，导致其动态响应过程到达稳态的时间较长，不能满足快速测量的要求，因此本实施例利用承载部431更小的弹性体阻尼来降低称重传感器在动态称重过程中承受的振荡冲击，从而提升计量元件43中称重传感器的测量精度；

易于想到的，例如还可采用托利多的MultiMount称重模块作为计量元件43，来替代普通计量元件43中弹性体阻尼过小的称重传感器，在此状态下即可避免使用承载部431作为缓冲，并同样实现快速动态响应过程到达稳态的时间。

实施例二

如图1、4-6所示，其中与实施例一中相同或相应的部件采用与实施例一相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例一的区别点。该实施例二与实施例一的不同之处在于：

输送单元3包括：

固设于料罐2之间的输料管30；以及

变向管件31，所述变向管件31活动设于输料管30的管路上，变向管件31用于调整输料管30的管路形状。

本实施例中，气力输送过程中输料管30内的处于物料间歇式的送料状态，当出现物料堵塞状况后，使管路上的压力传感器检测到压差变化，继而触发变向管件31相对于输料管30的管路进行活动变化，使成组设置的变向管件31之间的管路进行姿态变化，继而改变输料管30的管路形状，对堵塞在输料管30中的物料起到疏导作用，并配合气体动力源300对输料管30内进行多次的正、逆双向注吹，解决管路中的物料堵塞问题；

需要说明的是，还包括设置在输料管30位于计量罐22内的喷口处，由于从输料管30输送至计量罐22内的物料处于变化的送料状态，使得输送至计量罐22内堆积的物料处于不规则的分布状态，造成若干个称重传感器测量数据的差异，继而降低了输出数据的原始精度，通过设置在喷口处的变向管件31，使变向管件31在送料过程中持续转动，使得进入计量罐22内的物料被抛洒在各处，降低计量罐22内物料分布的不均衡程度，从而提升了称重传感器测量数据的原始精度。

如图4-6所示，所述变向管件31包括：

截管311，所述截管311至少一端的管口截面倾斜于截管311的轴向；

从动件312，所述从动件312固设于截管311的端口处；以及

驱动件313，与从动件312传动连接的驱动件313固设于相邻的截管311上。

在本实施例中，将若干个相互转动连接的截管311组成变向管件31，并使变向管件31两端的截管311朝向输料管30端口处的截面垂直于截管311的轴向，变向管件31两端之间的截管311两端的端口截面倾斜于截管311的轴向，通过截管311上固定的驱动件313如电机带动从动件312如固定在相邻截管311端口上的轮齿，使得单个的截管311之间发生转动，实现多个截管311组成的变向管件31改变其两端的截管311朝向，进而通过设置的变向管件31共同调节输料管30的管路形状，以及输料管30位于计量罐22内的喷口朝向，通过使输料管30的管路处于动态变化状态下，防止其中气力输送的物料产生堵塞，确保气力输料过程的稳定进行。

如图5-6所示，还包括活动连接于变向管件31与输料管30间的换向件32，换向件32的两端分别固设于变向管件31与输料管30上，所述换向件32包括滑动连接的伸缩部321以及转动连接的活动部322；

变向管件31进行动作变换时，换向件32通过其伸缩部321和活动部322的动作保持输料管30与变向管件31间的连接状态。

本实施例中，采用的截管311以及轮齿实现活动变换，可以选用刚性材料制成变向管件31以及输料管30，配合换向件32中的伸缩部321如滑动连接的套管以及活动部322如万向节套头，使变向管件31与换向件32之间输料管30的管路在动作过程保持连接状态的稳定，同时利用变向管件31及输料管30的刚性材质，增强输送单元3承受气力输送中物料冲击的耐磨性，同时利用轮齿传导，提高了变向管件31的调节精度。

实施例三

如图8-10所示，本实施例提供一种基于PLC控制的气力输送系统用于自动定量输送的方法，通过计量步骤配合输送步骤中气力输送的物料在管路中被计量元件43所检测参数的变化，提高对气力输送过程中物料输送量的掌握，具有提高对气力输送物料定量精度的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于PLC控制的自动定量输送方法，该方法适用于上述基于PLC控制的气力输送系统，包括以下步骤：

S100、输料阶段：气力输送系统在安全气压范围内设定运行参数并启动气体动力源300，将发送罐21中的物料经输送单元3的输料管30运输至计量罐22中，当计量罐22中的物料达到设置值后，关闭气体动力源300停止物料的输送；

S200、计量阶段：在完成S100中的输送阶段后，打开计量罐22的卸料阀，同时以固定周期例如5s一次读取料罐2中若干个计量元件43测量值的输出数据，并经经扩展卡尔曼滤波多传感器融合算法处理，将最终处理完成的数据作为卸料质量进行计量；

S300、混合阶段：在装载有不同物料的多个发送罐21以及计量罐22中重复S100至S200的步骤，并最终通过计量加入至搅拌罐23中进行混合，实现气力输送系统中进行定量输送物料的目的。

如图9所示，在将发送罐21中的物料经输料管30运输至计量罐22的过程中，还包括：

输料管30上的计量元件43实时监测管路的气压、流量和速度参数，在计量元件43的检测值达到报警值后，判断输料管30的故障类型，并根据判断的故障类型进行相应处理。

本实施例中，输料管30上的计量元件43例如气压计、流量计和流速计，例如当检测到气压增加、流量以及流速降低后的各参数符合预警值范围时，判定为输料管30发生堵塞，此时触发相应报警信号，PLC执行中断程序，通过固定时间与安全气压范围内多次正、逆双向输送方式向堵塞段增大注吹流量，将堵塞段物料流化进行疏导处理，若在规定时间内无法安全解决，则故障报警后进行人工在线处理或安全停机处理；

同样的，例如在检测到气压降低、流量增加以及流速降低后的各参数符合预警值范围时，判定为输料管30发生爆裂，通过故障预警机制提前控制气压、流量和速度等参数在安全范围内，且在报警后快速停机处理。

如图10所示，在将发送罐21中的物料卸入至搅拌罐23的过程中，还包括：

计量罐22中的卸料阀通过PID调节其阀门开度，在完成一次满足称重需求的物料输送后，检测到输送单元3中的管路压力恢复至物料输送前的初始状态范围后，再进行下一次的物料输送。

本实施例中，由计量罐22投料至发送罐21，当计量罐22中的输送质量接近设定目标值时，将计量元件43输出至PID的数据通过气力输送系统的模拟量扩展模块输出至变频器，并通过变频器控制卸料阀的电机，从而控制阀门开度，以提高物料输送精度；

同样的，在停止物料的输送并关闭卸料阀后，配合发送罐21中开启的进气阀，以及朝向气体动力源300管路中的排气阀，当管路压力恢复至初始状态的范围后，方才进行下一次的物料输送，用于消除计量元件43的初始误差，保持重复气力输送过程中物料的定量输送精度。

工作步骤

步骤一、输送单元3端部的气体动力源300通过气力输送将发送罐21中的物料运输至计量罐22中，计量罐22中装载的物料通过开启其底部的卸料阀，被加入至混合罐中并与其他物料进行搅拌，计量罐22中的物料通过减重称量的方法进行计量；

步骤二、输料管30上的计量元件43例如气压计、流量计和流速计，例如当检测到气压增加、流量以及流速降低后的各参数符合预警值范围时，判定为输料管30发生堵塞，此时触发相应报警信号，PLC执行中断程序，通过固定时间与安全气压范围内多次正、逆双向输送方式向堵塞段增大注吹流量，将堵塞段物料流化进行疏导处理，若在规定时间内无法安全解决，则故障报警后进行人工在线处理或安全停机处理；

步骤三、在检测到气压降低、流量增加以及流速降低后的各参数符合预警值范围时，判定为输料管30发生爆裂，通过故障预警机制提前控制气压、流量和速度等参数在安全范围内，且在报警后快速停机处理；

步骤四、计量组件41中布置的若干个计量元件43如称重传感器，同时对计量罐22中的物料质量检测，使其输出的数据采用基于卡尔曼滤波的多传感器融合算法进行处理，当计量的重量实际值与目标值相差较大时，开大卸料阀以实现快速出料，接近目标值时，引入模糊PID技术处理若干个计量元件43的称重传感器输出的数据，以对卸料阀进行智能控制，并关小卸料阀；

步骤五、计量组件41例如转动安装在料罐2中的环状构件410，在与传动连接的主动元件42如回转电机的驱动下进行转动，使得固设于计量组件41上的若干个计量元件43的称重传感器改变相对于计量罐22的位置，增加对计量罐22中物料进行称重的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。