用于皮带秤的变频器及其定量给料控制方法与流程

本发明涉及变频器技术领域，特别是涉及一种用于皮带秤定量给料的变频器及其控制方法。

背景技术：

电子皮带秤是一种对连续输送物料进行称量的装置，涉及散料称重计量领域，其结构组成包括：进料口、称重传感器、速度传感器、支撑部、积算仪、秤体、配重部、皮带、驱动轮、变频器、电机等。其中，积算仪为整个系统的控制核心。电子皮带秤的一般工作流程为：通过称重传感器和速度传感器的反馈信号，经运算获得物料流量和产量等数据进行控制，在环形皮带上实现对散状物料定量输送和高精度计量。

目前市场上电子皮带秤种类繁多，变频器应用到皮带秤定量给料场合仅作为被动执行机构，去控制电机运行，完全没有利用到变频器的运算控制优势和丰富的输入输出端子功能，而皮带秤往往应用于工矿企业定量给料、配料等自动化场合，由属于高精度控制场合。现有变频器的模拟电压采样电路达不到称重信号的采样精度，因此满足不了皮带秤控制要求。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种皮带秤定量给料一体式变频器，充分利用变频器本身具有的资源，发挥变频器的控制运算优势。

一种用于皮带秤的变频器，用于采样物料重量和计算出实际物料流量，并实现定量给料，该变频器包括微控单元和差分采样电路；所述变频器还设有称重差分信号输入端子、速度脉冲输入端子和流量给定输入端子；所述差分采样电路连接所述称重差分信号输入端子以获取称重差分信号、并连接微控单元以将称重差分信号处理后的物料重量信号提供给微控单元；所述速度脉冲输入端子用于输入体现皮带传动电机转速的速度脉冲信号；所述流量给定输入端子用于输入预设物料流量信号；所述微控单元获取物料重量信号和速度脉冲信号，并计算实际物料流量；所述微控单元还用于保持实际物料流量和预设物料流量的平衡，实现对物料的定量输送。

在其中一个实施例中，所述称重差分信号输入端子连接外部的称重传感器；所述称重传感器安装在称体下方，用于实时测量输送皮带上的物料重量，并把重量信号转化为差分电信号；所述差分电信号通过称重差分信号输入端子输入至差分采样电路。

在其中一个实施例中，所述差分采样电路用于将称重差分信号进行差分比例放大，并转换为共模信号输出；所述共模信号输入至模数转换器进行精确采样，并将采样得到的称重信号输入至微控单元。

在其中一个实施例中，所述差分采样电路包括4个运算放大器：第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及第四运算放大器；所述4个运算放大器中，第一运算放大器和第二运算放大器将差分信号第一级放大，所述差分信号经放大后进入下一级第三运算放大器；所述第三运算放大器将上一级差分信号进行差分比例放大，并转化为共模信号；所述共模信号进入最后一级第四运算放大器，并放大输出。

在其中一个实施例中，所述速度脉冲信号输入端子用于连接外部的速度传感器；所述速度传感器安装在主动轮上，并通过速度传感器输出的速度脉冲信号得到主动轮的转速信息；所述速度脉冲信号通过速度脉冲输入端子输入至微控单元。

在其中一个实施例中，所述变频器还设有远程启停端子、报警系统端子和rs485通讯接口；所述报警系统端子用于输出流量超限报警信号、皮带跑偏报警信号和定量给料到达总量报警信号中的一种以上；所述变频器通过rs485通信接口连接上位机远程控制系统，并通过上位机控制系统控制多台皮带秤协同运行。

一种变频器定量给料控制方法，包括：

称重信号采样，并得到物料称重采样值；

速度信号采样，并根据皮带传动电机的转速和物料称重采样值得到物料瞬时流量，将所述物料瞬时流量作为pid反馈值；

根据控制周期控制pid反馈值的输出；

设定pid给定值，且结合pid反馈值进行pid运算，并输出电机频率。

在其中一个实施例中，所述称重信号采样，并得到物料称重采样值之前，包括步骤：

外部情况确认，确保系统配置正常；

称量校零，保证皮带空跑时称重为零；

自动标称，计算称重采样值的累积量与真实重量值的关系，保证定量给料的准确性。

在其中一个实施例中，所述pid反馈值的计算步骤包括：

采样每隔一个周期的速度脉冲信号；

通过速度脉冲信号得到速度脉冲频率；

利用所述速度脉冲频率，并结合当前称重采样值及标称系数得到皮带的瞬时流量，所述瞬时流量即为pid反馈值。

在其中一个实施例中，所述根据控制周期控制pid反馈的输出步骤包括：

根据进料重量做报警处理；

判断是否到达控制周期，若是，则计算皮带瞬时流量作为pid反馈值；否则pid反馈值保持不变；

输出pid反馈值。

上述用于皮带秤的变频器及其定量给料控制方法，利用了变频器的运算控制优势和丰富的输入输出端子功能，并改进了模拟输入端子的采样电路，把变频器pid控制与皮带秤定量给料进行结合，在变频器上集成了皮带秤的定量给料功能，不仅简化了机械结构，降低成本，同时也实现了物料定量输出的高精度控制。

附图说明

图1为一实施例的用于皮带秤定量给料的变频器模块图；

图2为一实施例的高精度差分采样电路图；

图3为一实施例的变频器定量给料控制方法流程图；

图4为图3中步骤s100之前的准备过程流程图；

图5为图3中步骤s300的一种实现方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的内容公开更加透彻全面。

图1为一实施例的用于皮带秤定量给料的变频器模块图。该变频器100用于采样物料重量和计算出实际物料流量，并实现定量给料。该变频器100包括差分采样电路110和微控单元120，且该变频器100还设有称重差分信号输入端子400、速度脉冲输入端子500和远程流量给定输入端子600。其中，差分采样电路110连接称重差分信号输入端子400以获取称重差分信号、并连接微控单元120以将称重差分信号处理后的物料重量信号提供给微控单元120；速度脉冲输入端子500用于输入体现皮带传动电机转速的速度脉冲信号；远程流量给定输入端子600用于输入预设物料流量信号；微控单元120获取物料重量信号和速度脉冲信号，并计算实际物料流量；微控单元120还用于保持实际物料流量和预设物料流量的平衡，并动态的计算皮带秤传输物料的累积量，实现对物料的定量输送。

具体地，称重差分信号输入端子400连接外部的称重传感器200，称重传感器200安装在称体下方，用于实时测量输送皮带上的物料重量，并把重量信号转化为差分电信号，差分电信号通过称重差分信号输入端子400输入至差分采样电路110。

进一步地，差分采样电路110用于将称重差分信号进行差分比例放大，并转换为共模信号输出；所述共模信号输入至模数转换器进行精确采样，并将采样得到的称重信号输入至微控单元120。

例如，如图2所示，差分采样电路110包括4个运算放大器：第一运算放大器111、第二运算放大器112、第三运算放大器113以及第四运算放大器114。在这4个运算放大器中，第一运算放大器111和第二运算放大器112将差分信号第一级放大，差分信号经放大后进入下一级第三运算放大器113；第三运算放大器113将上一级差分信号进行差分比例放大，并转化为共模信号；进一步地，共模信号进入最后一级第四运算放大器114，并放大输出，输出信号即为微控单元120进行采样的信号。

具体地，速度脉冲信号输入端子500用于连接外部的速度传感器300；速度传感器300安装在主动轮上，并通过速度传感器输出的速度脉冲信号得到主动轮的转速信息；速度脉冲信号通过速度脉冲输入端子500输入至微控单元120。

进一步地，微控单元120通过差分采样电路110获取物料称重信号，通过速度脉冲输入端子500获取体现皮带传动电机转速的速度脉冲信号；并根据速度脉冲信号和物料称重信号计算输出皮带瞬时流量，即pid反馈值。微控单元120根据pid反馈值并结合pid给定值(即认为设定的物料流量)做pid控制，使得实际物料流量跟随人为设定的流量变化，直至达到平衡状态，实现对物料的定量输送。

在一个实施例中，变频器100还设有远程启停端子700、报警系统端子800和rs485通讯接口900。其中，报警系统端子800用于输出流量超限报警信号、皮带跑偏报警信号和定量给料到达总量报警信号中的一种以上。变频器通过rs485通信接口900连接上位机远程控制系统，并通过上位机控制系统控制多台皮带秤协同运行。

进一步地，报警系统端子800用于在变频器出现报警时输出指示信息，比如物料流量低于下限或高于上限设定、速度传感器断线无信号以及皮带瞬时负荷超过额定负荷等情况出现时，输出报警提示。

例如，在物料累计重量每到达一个刻度时，设计输出一个脉冲提示；在物料累计重量即将到达物料设定总量时，蜂鸣提示。通过上述的物料累计重量提示，可以不需要人工实时观察，减少人力投入。

进一步地，上位机远程控制系统用于控制多台皮带秤协同运行。当多台皮带秤一起协同运行时，在上位机或者触摸屏上对多台秤同时监控。例如，在上位机设定一个总流量，按照每台秤的百分比分配流量，并根据每台秤地址将流量数据写入到对应的变频器里，变频器按照各自设定的流量控制电机频率，实现定量给料输送。上述控制过程操作方便，稳定。

基于相同的发明构思，提供一种变频器定量给料控制方法。

图3为一实施例的变频器定量给料控制方法流程图。该方法包括以下步骤：s100～s400。

步骤s100：称重信号采样，并得到物料称重采样值。通过称重传感器200，实时测量输送皮带上的物料重量，并把重量信号转化为差分电信号输出。接着，采用高精度差分采样电路110进行采样得到物料称重采样值信息。其中可得到的称重采样信息有单位长度重量和皮值重。单位长度重量为：瞬时重量/称重有效长度；皮值重为：校零过程中单位长度重量的平均值。

步骤s200：速度信号采样，并根据皮带传动电机的转速和物料称重采样值得到物料瞬时流量，将所述物料瞬时流量作为pid反馈值。通过安装在主动轮上的速度传感器300，测量反馈的速度脉冲频率，与传动电机转速呈线性关系，并利用上述的单位长度重量和皮重值计算得到物料瞬时流量((单位长度重量-皮重值)*速度脉冲频率)，物料的瞬时流量即为pid反馈值。

步骤s300：根据控制周期控制pid反馈值的输出。

步骤s400：设定pid给定值，且结合pid反馈值进行pid运算，并输出电机频率。pid给定值是人为设定物料流量，进行pid运算的目的就是控制实际物料流量跟随人为设定的流量变化而变化，直至达到平衡状态，实现对物料的定量输送。

在其中一个实施例中，步骤s100之前，还包括步骤：

步骤s100'：外部情况确认，确保系统配置正常。

步骤s200'：称量校零，保证皮带空跑时称重为零。

步骤s300'：自动标称，计算称重采样值称重采样的累积量与真实重量值的关系，保证定量给料的准确性。

具体地，步骤s100'指：检查称体是否清洁、皮带是否沾料、皮带张力是否合适、皮带有无跑偏、皮带与托辊及称重传感器之间是否卡料、滚筒及每一个托辊是否灵活和运转是否正常。

具体地，步骤s200'指：变频器实现称重校零功能，也即去皮，去除皮带及其他作用在称重传感器上的重量，保证皮带秤空跑时称重为零。校零时间一般设定为皮带运行整圈时间，避免由于皮带质量不均匀而引起的偏差。在皮带运行达到全速稳定状态下，每隔一个周期对速度信号和称重信号进行采样，通过称重信号计算单位长度重量(瞬时重量/称重有效长度)，直到校零时间结束，得到整个校零过程单位长度重量平均值，作为皮重值。

具体地，步骤s300'指：在称重校零完成后，实施变频器自动标称功能。标称在皮带秤给料控制中非常关键，标称就是计算物料称重采样值与真实重量值的关系。

进一步地，标称方式可以分为三种：物料标称、挂码标称、链码标称。

例如，物料标称。原理是把准确已知的定量的物料逐渐加到输送带上，在标称时间结束后，比较物料计算累计值与已知定量值的比值。具体算法是：每隔一个周期对速度信号和称重信号进行采样。一方面，通过速度脉冲信号得到速度脉冲频率；另一方面，通过称重信号计算单位长度重量(瞬时重量/称重有效长度)。进而得到皮带瞬时流量(速度脉冲频率*(单位长度重量-皮重值))。最后对皮带瞬时流量与周期乘积进行积分，积分时间为标称时间，得到的值就是物料累计值。最终计算物料累计值与已知定量值的比值就是标称系数。物料标称是三种标称方式里最准确的一种标称方式。

例如，挂码标称。在标称前，需确定挂码重量、有效称重长度、皮带周长及皮带运行一圈的时间。开始标称时，首先计算挂码随皮带运行一圈的实际重量((砝码重量/称重有效长度)*皮带周长)。其次通过物料标称方法计算得到物料重量。最后对比实际重量和物料重量，得到标称系数。

例如，链码标称。计算方法和挂码标称类似，但是链码标称比砝码标称更准确，链码可以平铺在皮带上，可以最大程度模拟物料平铺在皮带上，两者都是重量间接作用在传感器上，而挂码是直接挂在称体托辊上，其重量直接作用于传感器，所以挂码标称方式效果最差。

在其中一个实施例中，如图4所示，步骤s300包括：

步骤s310：根据进料重量做报警处理。报警处理指的是，利用变频器输出端子的报警系统，在变频器出现报警时输出指示信息。例如，物料流量低于低于下限或高于上限设定、速度传感器断线无信号、皮带瞬时负荷超过额定负荷等情况出现时，输出报警提示。另外，在物料累计重量每到达一个刻度，设计输出一个脉冲提示，即将到达物料设定总量时，蜂鸣提示。

步骤s320：判断是否到达控制周期。当系统的控制时间未达到预设的控制周期时，pid反馈值保持不变；否则，执行步骤s330。

步骤s330：计算皮带瞬时流量作为pid反馈值。

步骤s340：输出pid反馈值。

在其中一个实施例中，所述pid反馈值的计算步骤包括：采样每隔一个周期的速度脉冲信号；通过速度脉冲信号得到速度脉冲频率；利用速度脉冲频率，并结合当前称重采样值及标称系数得到皮带的瞬时流量。其中，瞬时流量即为pid反馈值。可以理解的，pid反馈值的计算公式表示为：皮带瞬时流量＝速度脉冲频率*(单位长度重量-皮重值))。其中，单位长度重量为瞬时重量与有效称重长度的比值，瞬时重量为称重采样值与标称系数的比值；皮重值为皮带秤空跑时的单位长度重量平均值。上述用于皮带秤的变频器及其定量给料控制方法，利用了变频器的运算控制优势和丰富的输入输出端子功能，并改进了模拟输入端子的采样电路，把变频器pid控制与皮带秤定量给料进行结合，在变频器上集成了皮带秤的定量给料功能，不仅简化了机械结构，降低成本，同时也实现了物料定量输出的高精度控制。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。