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摘 要： 全自动混料系统目前在化工和食品行业已大量使用，已从国际全套引进发展到国内设计制造，但仍存在一定的差异，主要是运行稳定性和称量精度。在实际运用和大量调研的基础上，对影响称量精度的各种因数进行客观的分析和总结。
关键词： 全自动混料系统；称量系统；误差分析；称量进度
中图分类号：U415.522 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220143－02
称量系统的误差分析是全自动混料系统控制中的关键点，它设计的好坏将直接决定系统的好坏。系统误差涉及到许多因素，例如传感元气件的精度、原材料的成份、程序的设计、参数的设定，环境等因素。称量系统的系统精度包括静态称量精度和加料精度；加料精度又可分为称量精度和系统影响；称量精度又可细分为计量精度、下料精度和环境影响，以上因素是影响自动称量系统产生误差的主要因素。
1 静态称量精度（Static Scale Accuracy）
称量的静态精度主要取决于传感器的精度及其布点、连接等因素，有以下几方面：
1.1 测量误差（mec.scale error）
主要指秤体的设计是否与所要称量的重量相匹配，为了称量系统的经济性和称量的稳定性，一般设计的原则是要称量的重量为秤体最大称量范围的80-90%。
1.2 传感器选择错误（load cell error）
称量系统中所用的称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号装置。用传感器首先要考虑传感器所处的工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个秤体的可靠性和安全性；其次要考虑秤体所用传感器的数量和量程，传感器数量的选择是根据秤体的用途，秤体需要支撑的点数而定，传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动态因数综合评价来确定，可利用经验公式即
C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N
如某系统中的小料秤的皮重W=196kg，Wmax=60kg，由于物料在下落过程中是靠自身的重力作自由落体运动，且在室内，在软连接内流动，所以可令风压系数K-3=1；采用3个称重传感器，互成1200的布点，所以可令秤体的重心偏移系数K-2=1.02；由于下料口与秤体间的距离只有20～100cm，且所称物料是粉料，即冲击力很小，取冲击系数K-1=1.03；取保险系数K-0=1.1则
C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N
＝1.1×1.03×1.02×1×(60＋196)/3
＝98.6kg
由于一个称量系统一旦设计完，所称的物料是比较固定的，称量的范围不会有大的波动，所以为了提高称量精度，实际选取传感器的量程应接近理论计算上的C值，即小料秤SH13选用三个量程为100kg的称重传感器是比较经济使用的。
再次要考虑各种类型传感器的适用范围。
1.3 信号传递错误（signal transm error）主要指
1）传感器在把质量信号转换成弱电信号（电压或电流）后，在传输过程中可能受到干扰，可能使原来的信号失真，不能还原，这首先要求在选用电缆及布线连接时要特别小心，要选用好的屏蔽电缆，连接电缆不能和其他电缆混放等。
2）对传感器等级的选择必须满足下列条件：
① 满足仪表输入的要求。称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大，A/D转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入信号大小，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式，计算结果必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。
传感器和仪表的匹配公式：
（传感器输出灵敏度×激励电源电压×秤的最大称量量程）／（秤的分度数×传感器的个数×传感器量程）
例如小料秤的称量量程为60kg，最大分度数为1000个分度，秤体采用3个HBM26FC3型传感器，传感器的量程为100kg，灵敏度为2.0±0.05mV/V传感器的激励电源为10V，系统采用的A/D转换器的的输入灵敏度为0.6μV/d。因此根据传感器和仪表的匹配公式得仪表的实际输入信号为：
（0.002×10×60）/（1000×3×100）=4μV/d＞0.6μV/d
所以采用的传感器满足仪表输入灵敏度的要求，能够与所选仪表相匹配。
② 满足整台电子秤准确度的要求，一台电子秤主要有秤体、传感器、仪表三部分组成，在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算值，因为理论往往受到客观条件的限制。
1.4 连接错误（connection error）
连接错误主要指三个称重传感器相同信号线间并联错误及连接不好，接触电阻过大；传感器安装面不光滑平整；接地线连接不好；A/D转换器入口接线要符合相应接线要求且与传感器相应信号线保持一致；所用电缆要符合要求。
2 计量精度（Dosing Accuracy）
称量的静态精度取决于传感器的精度，但最终有影响的是系统精度，而系统精度取决于加料和称量系统的整体设计。加料精度涉及参数的设定及物料的变化。主要有以下几方面：
2.1 分切点设定错误（switch off error）
在目前国内外自动称量系统应用中，物料的称量过程中绝大多数都采用粗加料（快速加料）和精加料（慢速加料）。小料称量采用螺杆送料，由PLC通过变频器控制螺杆的高低速；主料称量有正压或负压输送称量，由PLC通过变频器控下料阀的高低速，负压输送主要采用外部补气控制物料的流量达到控制称量精度。所有方式的称量都涉及粗加料和精加料的优化分切点问题，其原理简图如下图1所示。
上图中set-weight设置的重量就是粗加料和精加料的分切点，重量的具体数值通过在PC机上预先输入。粗加料即高速加料是为了减少整个称量时间而快速下料，精加料即低速称量，采用慢速下料达到控制精度。上图中说明在一个称量过程中时间、速度、重量间的相互关系。实际系统应用中速度（包括高低速）及分切点的具体设置不仅与螺杆或风机、秤体、工作环境、原材料有关，还要考虑一个秤体不是独立的，还要与整个系统相匹配，即要考虑速度、精度、生产能力三者间的综合关系。通过在某系统上进行大量的实验和优化，优化后的具体参数如下表：
另外，有些公司为了提高称量精度，在低速段不采用均速下料，而采用渐减的速度接近称量值，这种方法操作起来不方便，还未得到大量的应用，其原理简图如下图2所示：
2.2 物料飞行量（in-flight material）
飞行量有的地方又称预关门值，小料称量过程中该值指螺杆停止送料，下料阀关闭后，下料阀与秤体间的悬浮物料；正压（负压）输送称量过程中该值指高速旋转阀停止工作或停止抽料，管道中的余料。不同物料，不同输送方式的物料飞行量存在较大的区别，在对小料秤和大料秤飞行量进行统计，得出其具体参数是在一个变化的范围内，如下表：
总之，物料输送称量的飞行量值与下列因素有关：
1）物料的种类（粉状和片状）及输送方式（螺杆、正压、负压）是影响飞行量值的主要因素。
2）不同螺杆（长短不同）对同样的物料其值也不同。
3）同样的螺杆对同样的物料不同转速，其值也不同。
4）同样的螺杆同样的物料但物料的性能（流动性、水分变化、密度、形状等）不同其值也有变化。
因每次称量都可能有不同的飞行量值，程序设计中要能自动记录该值，并优化。
2.3 关断阀的关闭时间（closing time shut-off device）
在称量快要结束时，螺杆送料称量一旦所称量的重量达到设定值，螺杆及其出口的蝶阀要同时停止工作和关闭，要避免延时关断和惯性给称量带来的误差；正压输送称量一旦所称量的重量达到设定值，其下料阀要立即停转，避免惯性和延时带来的误差；负压输送称量一旦所称量的重量达到设定值，补气阀立即打开补气，料罐停止下料。
2.4 物料流动变化（material flow variation）
物料流动变化主要指物料的流动密度不均匀，可能原因是物料水分大，在输送过程中挤压成团，这不仅影响设备的正常运行（电流波动），也影响称量过程中的均匀下料和计量，更影响飞行量的大变化，影响称量精度，所以生产中要选用各方面性能均稳定的原材料。
3 下料精度（Discharge Accuracy）
下料精度主要指下料过程中和下料后，相关设备上面残留料引起的称量误差，主要有：
3.1 剩余料（residual material）
主要指物料称量完成后，当料秤向下游设备（混料机）卸料后，由于秤体内壁附料未下完，而引起本次称量的误差，指下到混料机的物料总量减少，可能引起配方比的小失常和挤出工艺的波动，以及下次称量的偏差。
3.2 剩余粉尘（remaining dust）
主要指由于各种软连接和设备的密封不严在称量过程中物料出现外泄现象，一方面严重影响工作环境，另一方面影响称量精度。
4 环境影响（Environmental Influence）
4.1 振动（vibrations）
振动主要指振动器的震动及上、下游设备的震动，为确保秤体称量的稳定性，要做以下设计：
1）秤体的钢支架独立性，即支撑秤体的支架尽量不与其它支架有接触。
2）秤体周围不应有震动源（秤体自身除外），四周要留有一定的空余地。
3）秤体与上下游设备的连接要用有一定弹性的软连接。
4）秤体自身的震动器只在下料时工作。
4.2 温度（temperature）
温度一般对称量误差不会产生大的影响，这里主要指温度变化大和湿度大时，物料的流动性、水分会受到一定的影响，从而影响称量误差。
4.3 气流（drafts）
主要指系统自身产生的气流和外界产生的气流，注意以下几种：
1）带有硫化床（Fluiding system）的秤体，硫化床只能在称体下料时工作。
2）带有硫化床的小料罐，硫化床只能在螺杆高速运行时工作，防止物料架桥，这要求设定高低速分切点时要特别注意。
3）所有的秤体要有良好的泄压装置，尤其是主料称量一般采用风送称量，要注意泄压装置的设计。
4）注意上下游设备工作时产生的气流对秤体的影响。
5 系统影响（System Influence）
1）管道和料斗内的残留料（residual in down pipes,hoppers）
2）阀体上的残留料（residuals on diverters,valves）
参考文献：
[1]REIMELT: RWA-A/D DMS Digitizer Operating Manual and Technical Description,1998.
[2]Optimizing the Compounding Process for PVC Window Profile Formulation, Wolfen Kunststoffe,Febrary,1999.
[3]郑骊，检测与转换技术，化学工业出版社，2009.
关键词： 全自动混料系统；称量系统；误差分析；称量进度
中图分类号：U415.522 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220143－02
称量系统的误差分析是全自动混料系统控制中的关键点，它设计的好坏将直接决定系统的好坏。系统误差涉及到许多因素，例如传感元气件的精度、原材料的成份、程序的设计、参数的设定，环境等因素。称量系统的系统精度包括静态称量精度和加料精度；加料精度又可分为称量精度和系统影响；称量精度又可细分为计量精度、下料精度和环境影响，以上因素是影响自动称量系统产生误差的主要因素。
1 静态称量精度（Static Scale Accuracy）
称量的静态精度主要取决于传感器的精度及其布点、连接等因素，有以下几方面：
1.1 测量误差（mec.scale error）
主要指秤体的设计是否与所要称量的重量相匹配，为了称量系统的经济性和称量的稳定性，一般设计的原则是要称量的重量为秤体最大称量范围的80-90%。
1.2 传感器选择错误（load cell error）
称量系统中所用的称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号装置。用传感器首先要考虑传感器所处的工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个秤体的可靠性和安全性；其次要考虑秤体所用传感器的数量和量程，传感器数量的选择是根据秤体的用途，秤体需要支撑的点数而定，传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动态因数综合评价来确定，可利用经验公式即
C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N
如某系统中的小料秤的皮重W=196kg，Wmax=60kg，由于物料在下落过程中是靠自身的重力作自由落体运动，且在室内，在软连接内流动，所以可令风压系数K-3=1；采用3个称重传感器，互成1200的布点，所以可令秤体的重心偏移系数K-2=1.02；由于下料口与秤体间的距离只有20～100cm，且所称物料是粉料，即冲击力很小，取冲击系数K-1=1.03；取保险系数K-0=1.1则
C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N
＝1.1×1.03×1.02×1×(60＋196)/3
＝98.6kg
由于一个称量系统一旦设计完，所称的物料是比较固定的，称量的范围不会有大的波动，所以为了提高称量精度，实际选取传感器的量程应接近理论计算上的C值，即小料秤SH13选用三个量程为100kg的称重传感器是比较经济使用的。
再次要考虑各种类型传感器的适用范围。
1.3 信号传递错误（signal transm error）主要指
1）传感器在把质量信号转换成弱电信号（电压或电流）后，在传输过程中可能受到干扰，可能使原来的信号失真，不能还原，这首先要求在选用电缆及布线连接时要特别小心，要选用好的屏蔽电缆，连接电缆不能和其他电缆混放等。
2）对传感器等级的选择必须满足下列条件：
① 满足仪表输入的要求。称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大，A/D转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入信号大小，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式，计算结果必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。
传感器和仪表的匹配公式：
（传感器输出灵敏度×激励电源电压×秤的最大称量量程）／（秤的分度数×传感器的个数×传感器量程）
例如小料秤的称量量程为60kg，最大分度数为1000个分度，秤体采用3个HBM26FC3型传感器，传感器的量程为100kg，灵敏度为2.0±0.05mV/V传感器的激励电源为10V，系统采用的A/D转换器的的输入灵敏度为0.6μV/d。因此根据传感器和仪表的匹配公式得仪表的实际输入信号为：
（0.002×10×60）/（1000×3×100）=4μV/d＞0.6μV/d
所以采用的传感器满足仪表输入灵敏度的要求，能够与所选仪表相匹配。
② 满足整台电子秤准确度的要求，一台电子秤主要有秤体、传感器、仪表三部分组成，在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算值，因为理论往往受到客观条件的限制。
1.4 连接错误（connection error）
连接错误主要指三个称重传感器相同信号线间并联错误及连接不好，接触电阻过大；传感器安装面不光滑平整；接地线连接不好；A/D转换器入口接线要符合相应接线要求且与传感器相应信号线保持一致；所用电缆要符合要求。
2 计量精度（Dosing Accuracy）
称量的静态精度取决于传感器的精度，但最终有影响的是系统精度，而系统精度取决于加料和称量系统的整体设计。加料精度涉及参数的设定及物料的变化。主要有以下几方面：
2.1 分切点设定错误（switch off error）
在目前国内外自动称量系统应用中，物料的称量过程中绝大多数都采用粗加料（快速加料）和精加料（慢速加料）。小料称量采用螺杆送料，由PLC通过变频器控制螺杆的高低速；主料称量有正压或负压输送称量，由PLC通过变频器控下料阀的高低速，负压输送主要采用外部补气控制物料的流量达到控制称量精度。所有方式的称量都涉及粗加料和精加料的优化分切点问题，其原理简图如下图1所示。
上图中set-weight设置的重量就是粗加料和精加料的分切点，重量的具体数值通过在PC机上预先输入。粗加料即高速加料是为了减少整个称量时间而快速下料，精加料即低速称量，采用慢速下料达到控制精度。上图中说明在一个称量过程中时间、速度、重量间的相互关系。实际系统应用中速度（包括高低速）及分切点的具体设置不仅与螺杆或风机、秤体、工作环境、原材料有关，还要考虑一个秤体不是独立的，还要与整个系统相匹配，即要考虑速度、精度、生产能力三者间的综合关系。通过在某系统上进行大量的实验和优化，优化后的具体参数如下表：
另外，有些公司为了提高称量精度，在低速段不采用均速下料，而采用渐减的速度接近称量值，这种方法操作起来不方便，还未得到大量的应用，其原理简图如下图2所示：
2.2 物料飞行量（in-flight material）
飞行量有的地方又称预关门值，小料称量过程中该值指螺杆停止送料，下料阀关闭后，下料阀与秤体间的悬浮物料；正压（负压）输送称量过程中该值指高速旋转阀停止工作或停止抽料，管道中的余料。不同物料，不同输送方式的物料飞行量存在较大的区别，在对小料秤和大料秤飞行量进行统计，得出其具体参数是在一个变化的范围内，如下表：
总之，物料输送称量的飞行量值与下列因素有关：
1）物料的种类（粉状和片状）及输送方式（螺杆、正压、负压）是影响飞行量值的主要因素。
2）不同螺杆（长短不同）对同样的物料其值也不同。
3）同样的螺杆对同样的物料不同转速，其值也不同。
4）同样的螺杆同样的物料但物料的性能（流动性、水分变化、密度、形状等）不同其值也有变化。
因每次称量都可能有不同的飞行量值，程序设计中要能自动记录该值，并优化。
2.3 关断阀的关闭时间（closing time shut-off device）
在称量快要结束时，螺杆送料称量一旦所称量的重量达到设定值，螺杆及其出口的蝶阀要同时停止工作和关闭，要避免延时关断和惯性给称量带来的误差；正压输送称量一旦所称量的重量达到设定值，其下料阀要立即停转，避免惯性和延时带来的误差；负压输送称量一旦所称量的重量达到设定值，补气阀立即打开补气，料罐停止下料。
2.4 物料流动变化（material flow variation）
物料流动变化主要指物料的流动密度不均匀，可能原因是物料水分大，在输送过程中挤压成团，这不仅影响设备的正常运行（电流波动），也影响称量过程中的均匀下料和计量，更影响飞行量的大变化，影响称量精度，所以生产中要选用各方面性能均稳定的原材料。
3 下料精度（Discharge Accuracy）
下料精度主要指下料过程中和下料后，相关设备上面残留料引起的称量误差，主要有：
3.1 剩余料（residual material）
主要指物料称量完成后，当料秤向下游设备（混料机）卸料后，由于秤体内壁附料未下完，而引起本次称量的误差，指下到混料机的物料总量减少，可能引起配方比的小失常和挤出工艺的波动，以及下次称量的偏差。
3.2 剩余粉尘（remaining dust）
主要指由于各种软连接和设备的密封不严在称量过程中物料出现外泄现象，一方面严重影响工作环境，另一方面影响称量精度。
4 环境影响（Environmental Influence）
4.1 振动（vibrations）
振动主要指振动器的震动及上、下游设备的震动，为确保秤体称量的稳定性，要做以下设计：
1）秤体的钢支架独立性，即支撑秤体的支架尽量不与其它支架有接触。
2）秤体周围不应有震动源（秤体自身除外），四周要留有一定的空余地。
3）秤体与上下游设备的连接要用有一定弹性的软连接。
4）秤体自身的震动器只在下料时工作。
4.2 温度（temperature）
温度一般对称量误差不会产生大的影响，这里主要指温度变化大和湿度大时，物料的流动性、水分会受到一定的影响，从而影响称量误差。
4.3 气流（drafts）
主要指系统自身产生的气流和外界产生的气流，注意以下几种：
1）带有硫化床（Fluiding system）的秤体，硫化床只能在称体下料时工作。
2）带有硫化床的小料罐，硫化床只能在螺杆高速运行时工作，防止物料架桥，这要求设定高低速分切点时要特别注意。
3）所有的秤体要有良好的泄压装置，尤其是主料称量一般采用风送称量，要注意泄压装置的设计。
4）注意上下游设备工作时产生的气流对秤体的影响。
5 系统影响（System Influence）
1）管道和料斗内的残留料（residual in down pipes,hoppers）
2）阀体上的残留料（residuals on diverters,valves）
参考文献：
[1]REIMELT: RWA-A/D DMS Digitizer Operating Manual and Technical Description,1998.
[2]Optimizing the Compounding Process for PVC Window Profile Formulation, Wolfen Kunststoffe,Febrary,1999.
[3]郑骊，检测与转换技术，化学工业出版社，2009.