料塔智能称重系统介绍及选型分析

刘 聪 樊士冉 张志勇 任学明 于 奇 陈麒麟

（新希望六和股份有限公司，山东青岛 266001）

当前,国内养猪设备的自动化和智能化水平相对较低,缺乏有效的科学化饲养管理,饲料浪费现象严重[1]。而料塔智能称重系统的出现则有效地缓解了饲料浪费和经济效益之间的问题。料塔智能称重系统可以实时监控饲料重量的变化,通过终端传感器转换成数据信息汇总到中央处理器中,从数据层面上记录各类生猪不同阶段的饲料消耗量。以料塔称重数据为基础,结合生猪的生长曲线,可以优化出更加科学的养殖方法,不断提高生猪的饲料转化率,提升整个产业的产出比,从根本上实现对养猪产业的数据化提升,实现饲料方面的节本增效。因此,熟悉料塔称重系统的组成,并掌握系统的选型方法,对于智能化、科学化的养猪至关重要。

1 料塔智能称重系统介绍

料塔智能称重系统主要由称重模块、传感器接线盒、称重显示仪表等部分组成(图1)。

图1 料塔智能称重系统图

1.1 称重模块

1.1.1 称重模块的结构

称重模块是把高精度传感器、载荷传递装置以及安装联接装置等结合在一起形成的新型称重单元,这种装置不受安装条件和环境的影响,在确保传感器稳定性和精度的同时,又能避免因安装的原因而造成称重产生误差的风险[2]。称重模块主要由顶板、底板、称重传感器、传感器承压头及支撑螺栓等组成,具备结构紧凑、设计合理简单的特点,所有部件均不需要焊接,也没有其他附加的配件,便于快速安装调试。因此像料塔这种大吨位的称重系统建议使用称重模块。

根据称重模块在实际应用中的受力特点,将其分为静载称重模块和动载称重模块[3]。静载称重模块适用于只受垂直作用力的场合。静态载荷几乎或根本不会对称重模块产生剪切力,如反应釜、槽罐、储料斗的重量检测。动载称重模块适用于作用力较明显的场合。使用动态载荷,在将产品放在秤上或进行加工的过程中会将水平剪切力传输至称重模块,如平台、生产线、传送带的重量检测。

由于猪场料塔相对于传感器是垂直方向的力,因此,在称重系统中,应该选择静载模块作为称重系统的基础模块。图2中支撑螺栓的主要作用是抵御上抬力和倾覆力,此外,还可以防止传感器在运输和安装过程中受力,需要注意的是,在称重模块安转完毕后,应松开螺栓上部的螺母,确保容器的作用力传递到传感器上。

图2 静载称重模块构成图

称重模块根据顶板的不同,分为固定式、半浮动式和全浮动式3种结构。在一个称重系统中,通常使用一支固定模块、一支半浮动模块、其余全为全浮动模块[4]的布局形式。这样的结构组合使得称重系统在受到热胀冷缩影响产生位移时,既能确保称重模块上传感器的受力点不变,还能保证称重传感器的高精度、长期稳定性好的特点,同时又可以防止因安装不当而造成的测量误差。

固定式模块通过一个固定点连接传感器和顶板,使传感器不能平移,但却可以围绕固定点旋转。半浮动模块阻止秤体围绕固定式模块转动,但允许秤体因热胀冷缩而产生径向移动,减少称量误差。其顶板在切线方向受限位以防止秤体转动。浮动式模块的顶板允许做任意方向的移动,移动幅度受支撑螺栓头与沉孔间隙的限制。图3、图4、图5。

图3 固定式模块

图4 半浮动式模块

图5 全浮动式模块

称重模块安装时,半浮动模块须安装在固定模块的对角；固定模块的安装支点不会产生水平位移,因此,在系统设计过程中,管道和电气连接部分应靠近该点；半浮动和浮动模块使系统能围绕固定点移动,消除容器变形对称重产生的影响。若由于地基下陷造成的传感器发生变化误差,传感器的输出信号差异过大,导致校称后效果仍不理想,就需要重新进行地基加固处理。

1.1.2 称重传感器的参数性能

称重传感器是称重模块的心脏部件,称重传感器的误差和准确度直接关系到称重系统的准确度。选择一个高质量的称重传感器是称重控制器获取称量精度的重要步骤,称重传感器的质量就是由其各种参数决定的[5]。称重系统的精确度取决于所采用称重传感器的质量,从称重系统获得的最佳状态是达到称重传感器的性能额定值。称重传感器标准性能的额定值见表1。

表1 称重传感器技术参数表

非线性误差是表示此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度参数。

重复性误差则是指传感器在同一负荷、同样条件下反复施压时,其输出值是否能重复一致,这项特性更能反映传感器的品质。

灵敏度(额定输出)指输出增量与所加的负荷增量之比。通常每输入1 V电压时额定输出的mV值。

滞后误差指当逐级施加负荷再依次卸下负荷时,对应每一级负荷,理想情况下应有相同的读数,但事实上会存在不一致,不一致的程度用滞后误差表示。国际标准中滞后误差为同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术平均值与3次上行程实际输出信号值的算术平均值之间的最大差值。

综合误差是由非线性误差和滞后误差联合作用产生的误差,即从零负载到额定量程之间的误差带。

IP等级是由2位数字组成,第1位数字表示壳体离尘、防止外物侵入的等级,第2位数字表示壳体防湿气、防水侵入的密闭程度,数字越大表示其防护等级越高,两位标示数字所表示的防护等级见表2。

表2 由IEC 制定的IP 防护等级

1.1.3 称重传感器量程选择

称重传感器量程选择可依据称重系统的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。但在实际使用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多因素,保证传感器的安全和寿命[6]。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后,经过大量的试验而确定的,具体公式如下：

式中：C——单个传感器的额定量程；W——承载体自重；Wmax——被称物体净重的最大值；N——承载体所采用支撑点的数量；K0——保险系数,一般取1.2～1.3之间；K1——冲击系数；K2——承载体的重心偏移系数；K3——风压系数。

如果上述公式中的参数无法确定,可依据下述依据经验给出简易公式计算：

a值的大小,依据下述使用条件给定：

①当N个传感器均匀受载,且在无振动、无冲击条件下工作时,a＝1.1～1.3；②当偶尔有冲击振动时,a＝1.3～1.5；③当在有重复性的冲击振动条件下进行动态称重时,a＝1.7～2.0。当N个传感器不均匀受载时,则根据偏载可能形成的最大载荷乘以上述系数即可[7]。

根据经验,一般应使称重传感器工作在其30%～70%量程内,使传感器的称量储备量增大,以保证称重传感器的安全和使用寿命。

1.1.4 外力因素对称重模块的影响

⑴撞击载荷对称重模块的影响[8]

为了消除掉落物体产生的冲击荷载,必须清楚掉落物体的重量、掉落的垂直距离、空秤结构的重量、称重传感器的数量以及称重传感器的额定量程和弯曲度。掉落载荷公式：

为了消除降落物体(特别是吊车荷载应用)产生的撞击荷载,必须清楚降落物体的重量、降落速度、空秤结构的重量、称重传感器的数量以及称重传感器的额定量程和挠曲度。降落载荷公式：

式中：MMAX——掉落或降落载荷在最差的称重传感器上产生的最大负载(单位：kg)；M1——最差的称重传感器所承载的掉落或降落载荷部分[单位：kg]；M2——最差的称重传感器所承载的秤的固定负载部分(单位：kg)；H——物体掉落的高度(单位：mm)；R.C——称重传感器的额定量程(单位：kg])。可以将其他单位换算成b或kg；△——额定量程下,称重传感器的倾斜度(单位：mm)；V——物体降落的速度(单位：mm/s)；g——重力加速度＝9 810 mm/s2；MMAX——应小于称重传感器或称重模块额定量程(单位：kg)。如果需要采取其他措施消除撞击载荷,指定较大量程的称重传感器或称重模块是一种可行的解决方案。

⑵环境因素对称重模块的影响

由于环境因素会影响称重模块系统的精确度和安全性,因此在选择阶段一定要考虑环境因素。粉尘、潮湿对传感器造成短路影响。在潮湿或扬尘环境下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式不同,应根据实际使用情况选择合适的IP防护等级。

电磁场会导致传感器输出紊乱信号[9]。在此情况下,应对传感器的屏蔽性进行严格检查,看其是否具有良好的抗电磁能力。若要得到准确的重量读数,秤必须能够区分电压存在百万分之一差别的电子信号。噪音会导致称重误差,噪音常见来源为电源线、输电线、电机或者移动电话产生的无线电率(RF)和电磁(EM)辐射。以下3种方法有助于防止电磁干扰：①要降低无线电频率和电磁干扰,在仪表信号线缆上安装一个磁环。磁环置于防尘罩内部,或尽量靠近面板安装结构上的接头。将信号线缆导线和屏蔽地线在磁环上缠绕4圈。保证磁环尽量靠近电缆进入防尘罩的位置。②电缆安装位置距离电源线至少300 mm。③将电缆彻底绝缘并接地,防止其接收不必要的噪音。④避雷,安装避雷防护设备,防止称重系统遭到雷电袭击。使用专业的设备,防止闪电产生的电流通过接地传至称重传感器。因此设备应在每个称重模块附近设置备用的低阻接地路径。

1.1.5 称重模块的校准

称重模块系统安装完毕后必须进行校准,以便仪表上的读数能准确反映秤上物体的重量。现在常用的调试校准方法有标准砝码法、替代法和标准信号模拟标定法[10]。

⑴标准砝码法

标准砝码法是将标准砝码从零开始逐步加载到最大量程,再逐步卸载至空秤来进行校准,用这种方法加载的结果是最精确的,但要求料塔称重系统上装有放置砝码的平台支架或挂钩等装置。

⑵替代法

替代法相对简单,指只有少量砝码时,用其他替代物来校准,从空秤零点起用标准砝码与其他替代物重复比对进行校准。不能使用标准砝码校准时,在另外的高精度秤上称量出替代物的质量,再将替代物放进料塔称重配料系统中进行校准。替代法是目前料塔称重系统校准中常用方法之一。

⑶标准信号模拟标定法

标准信号模拟标定法指用标准信号源替代称重模块的信号输出,模拟称重系统的空秤值和满量程值,通过调整标准信号源的输出进行量程的校准,这种方法对料塔称重配料系统的精度有一定的影响,一般不采用。

根据料塔称重的特点及性能需求,建议选择静载称重模块。综合考虑称重传感器的各项性能参数、外界环境因素影响以及实际使用需求,按照公式⑴和公式⑵计算得出最合适的称重传感器量程。经过比较分析,推荐使用的传感器防护等级不低于IP65。C3精度对应的C3的分度值,目前所有畜牧行业都采用的C3标准。

1.2 接线盒

接线盒是称重系统中连接称重传感器与称重仪表的中间部件,具有连接称重仪表和传输称重数据信号的重要职能[11]。根据称重传感器和称重仪表原理与结构的不同分为模拟式接线盒和数字式接线盒。

1.2.1 模拟式接线盒

模拟式接线盒也称“接线盒(J-BOX)”,用于连接模拟式称重传感器和模拟式称重仪表。由于传感器中的关键材料应变和弹性体各有差异及制造工艺的差异,造成各个传感器的参数有差别,主要是灵敏度不一致,这种不一致称为角差。接线盒的作用是接入传感器的输出信号,将其传输到仪表上,在这个过程中通过调节接线盒里的电位器来调整角差,使各个传感器的灵敏度接近一致,从而保证整个秤体的平衡[12]。

1.2.2 数字式接线盒

数字式接线盒(Digital J-BOX)是数字称重系统与数字称重传感器和数字称重仪表连接的专用接线盒。数字接线盒是将多个数字式称重传感器并联接入总线的一种接线装置,只起连接作用。基于数字接线盒使用条件的局限性及对大部分称重仪的调研结果,推荐使用模拟式接线盒连接各称重模块。

1.3 称重显示控制器的选用建议

1.3.1 称重显示控制器的原理

称重变送控制器集称量显示、控制和重量信号变送于一体[13],广泛应用于各种称重、测力、配料和称量数据采集的场合。它以一体化单片微电脑为核心,标定、设定等工作参数采用EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)保存。由传感器输出的重量信号经数据放大器放大,二阶低通有源滤波器处理后,送高精度A/D转换器转换成数字,微电脑将该转换值读入处理器后经标定运算分4路进行输出和控制。

1.3.2 称重显示控制器的参数

调研英孚克斯、中电科、宁波柯力、天津丽景等公司的称重显示仪表结果显示市场上的大部分产品参数基本与表3参数相同。同时,调试模拟滤波器、数字滤波器及移动平均等多种处理,可以消除因机械振动、外部冲击等对计量精度及速度的影响,确保了秤的高精度、高速度计量工程。

考虑到国内不少猪场料塔称重系统因称重显示控制器没有滤波功能造成称量不准确,结合实际情况,使之能够符合猪场的应用规范,且更便捷应用,建议选用的控制显示仪表应具有以下特性：①仪表可使用以太网接口支持http协议,仪表可设置为服务器与手机APP进行数据的交互；②具备良好的滤波功能,保证读数稳定；③记录料塔每次进料和出料的重量、开始时间、结束时间及实时重量等,并可以对采集的数据进行处理,形成日报表、月报表和操作员报表等信息；④仪表可以对采集的数据进行保存,并支持查询,包括称量记录(时间、名称、规格及数据备注字段)、累计量和累计次数等；⑤网络出现故障时可通过仪表查询数据,确保正常工作,断网时产生并记录的数据会保存到仪表本地数据库内,掉电不丢失,联网后再进行数据交互,确保数据不

表3 称重显示控制器的相关参数丢失。

表3 称重显示控制器的相关参数

2 选型建议及注意事项

对料塔智能称重系统中静载称重模块、接线盒、显示控制仪表的原理及应用进行简要概述,通过对比英孚克斯、中电科、宁波柯力、天津丽景、上海耀华等公司称重系统的参数及性能,旨在增进用户对料塔智能称重系统各个组成部分的了解,为后续系统配置提供参考建议。

综上所述,在料塔智能称重系统使用中,建议使用模块参数和注意事项总结见表4。(注：对于配套设施,既可以采用全套设施,也可按照技术要求自行搭配)。

表4 称重系统选型建议及注意事项