Системы дискретной подачи массы охватывают широкий спектр весовых машин. Их уникальность в том, что они взвешивают определенные массы материала в отдельные партии. Каждая партия может быть помещена в отдельные контейнеры или объединена с другими взвешенными массами для создания готовой рецептуры или смеси партии. Многие динамические системы взвешивания попадают в эту категорию от машин, которые готовят предварительно упакованные товары, до предварительно смешанных материалов для промышленных процессов партии. Взвешенные ингредиенты могут быть порошками, гранулами, комками или жидкостями, которые пропорциональны по весу, а не по объему.

Многие промышленные процессы проще осуществлять, если материалы разделены на отдельные партии, где вес и качество смешивания можно строго контролировать. Отрасли, в которых порционное взвешивание наиболее распространено, следующие:

• Корма для животных
• Пищевая промышленность
• Химическая промышленность
• Минеральная промышленность
• Удобрения
• Резина и пластмассы
• Фармацевтическая промышленность
• Стекло

Они варьируются от систем с одним весовым сосудом, часто называемых системами накопительного дозирования, где каждый ингредиент взвешивается последовательно и послойно укладывается в весовой бункер, до сложных систем с несколькими весовыми сосудами, также известных как системы одновременного дозирования, где ингредиенты взвешиваются одновременно отдельными сосудами. Эта последняя группа охватывает широкий спектр гибридов, которые взвешивают как одновременно, так и последовательно. Сосуды, которые должны быть взвешены, поддерживаются тензодатчиками, которые подключены к контроллеру партии, который обычно служит как для подачи питания, так и для кондиционирования сигналов тензодатчика, а также для выполнения логических операций на основе этих сигналов и для предоставления выходных данных другому периферийному оборудованию и оператору. Системы часто включают другие этапы процесса (такие как нагрев или аналитический контроль), вплетенные в общие последовательности управления, но для целей настоящего документа рассматриваемые действия последовательности в основном связаны только с измерением веса и используют специализированные приборы управления порционным взвешиванием. Взвешиваемые сосуды в основном являются статическими весовыми устройствами, которые разделяют влияния и соображения, рассмотренные в других местах.

Динамический элемент в измерении возникает из-за того, что взвешиваемый продукт находится в движении до, возможно, во время и после измерения, и влияние этого движения является фокусом того, что следует в этом разделе. Динамическая природа процесса приводит к двум основным проблемам измерения и контроля, которые требуют рассмотрения. Когда материал добавляется в сосуд или удаляется из него, существует задержка в ответе между наблюдением того, что требуемый целевой вес был достигнут, и прекращением добавления. Эта задержка или время «в полете» является функцией общих задержек измерения и контура управления, а также физического расположения системы. Во время этой задержки будет добавлен (или удален) дополнительный материал, и это приведет к ошибке, которую все системы порционного взвешивания пытаются регулировать и минимизировать. Существует дополнительная ошибка измерения, вызванная изменением импульса текущего материала, когда он входит или выходит из взвешиваемого сосуда, и снова системы порционного взвешивания должны учитывать этот эффект.

Применение

Специализированные системы весового дозирования для процесса выгодно использовать в приложениях, где производственный процесс в основном сосредоточен на измерении веса в сочетании с контролем последовательностей завода вверх и вниз по потоку измерения веса, но с ограниченными другими требованиями к измерению или контролю процесса. В этих приложениях скорость и экспертные знания, встроенные в специализированную систему, могут принести технические преимущества по более низкой цене, чем те, которые предлагаются более общими решениями по управлению процессами.

Системы весового дозирования для процесса могут иметь почти бесконечные возможности конфигурации, но для целей иллюстрации в этом документе они делятся на две широкие категории кумулятивного дозирования и одновременного дозирования, которые можно объединить и полезно назвать комбинированным дозированием.

Кумулятивное дозирование

Этот метод требует минимального пространства и минимального оборудования для обработки и контроля материалов. В результате затраты меньше, чем для эквивалентной системы одновременного дозирования.

Рецепт может быть настроен в контроллере партии, так что целевые желаемые веса будут установлены на:

Заданная точка 1 = Целевой вес, Ингредиент 1 Заданная точка 2 = Целевой вес, Ингредиент 1 + Целевой вес, Ингредиент 2 Заданная точка 3 = Целевой вес, Ингредиент 1 + Целевой вес, Ингредиент 2 + Целевой вес, Ингредиент 3 и т. д.

Чтобы избежать кумулятивных ошибок, в настоящее время практикуется установка независимых целевых весов и введение операции тарирования контроллером для обнуления показаний веса. После взвешивания всех ингредиентов партия выгружается на следующий этап процесса, например, в смеситель. Использование одной системы взвешивания с фиксированным диапазоном взвешивания может означать, что приемлемая точность может быть невозможна при добавлении очень малых количеств ингредиентов.

Одновременное дозирование

Этот тип системы достигает наивысшей производительности, поскольку все материалы подаются и взвешиваются одновременно. Кроме того, можно достичь более высокой точности взвешивания, поскольку вместимость каждого весового бункера рассчитана на соответствие требуемому диапазону каждого ингредиента.

В процессе работы контрольные точки устанавливаются для каждого ингредиента. После того, как материал стабилизировался, допуски проверяются автоматически, и материалы выгружаются в заранее определенной последовательности. Метод одновременного дозирования также облегчает предварительное смешивание материалов во время фазы выгрузки, если это необходимо. Например, твердые материалы могут выгружаться на движущийся конвейер. Материал с одного весового дозатора выгружается на конвейер. Когда этот материал достигает второго весового дозатора, взвешенный на этих весах материал начинает выгрузку, наслаивая второй материал поверх первого материала и так далее, пока вся партия не будет завершена. Когда ингредиенты во всех весовых бункерах выгружены, система управления инициирует проверку нулевого допуска на всех весах; если это удовлетворительно, партия выгружается на следующий этап процесса, и система готова к производству другой партии.

Комбинированное дозирование

Автоматические системы дозирования могут быть спроектированы для объединения преимуществ кумулятивного и одновременного дозирования, а именно экономичности и точности. Материалы, требующие взвешивания с максимальной точностью или в большом объеме, могут быть одновременно дозированы. Если точность менее критична и/или приемлемы средние объемы, то кумулятивное дозирование можно объединить с одновременным дозированием. Комбинированное дозирование также может использоваться, когда жидкости и твердые вещества необходимо хранить отдельно до тех пор, пока они не будут переданы на следующий этап процесса или если процесс может быть спроектирован для принятия взвешивания основных и второстепенных ингредиентов по отдельности.

Системы управления могут быть ручными, автоматическими или их комбинацией:

Ручное дозирование

Это самый простой тип взвешивания партии, при котором оператор напрямую управляет запуском и остановкой дозаторов с помощью кнопок. Система является самым дешевым решением. Точность и последовательность дозирования полностью в руках оператора, а сложность и скорость процесса должны учитывать человеческий фактор. Операция часто контролируется путем регистрации данных партии.

Автоматическое дозирование

Там, где требуется автоматизация, используется электронная система для замыкания контура управления. Этот тип системы снимает часть или всю ответственность за качество конечной партии с оператора и может повысить производительность за счет сокращения времени завершения партии. Повышенная точность доставки, меньшее количество испорченных партий и повышенный выход часто помогают компенсировать затраты на такие системы.

Полностью автоматизированная система, использующая выделенный контроллер партии, программируемый логический контроллер (ПЛК) или технологию персонального компьютера (ПК), позволяет создать многокомпонентную систему дозирования, которая может включать:

• Хранение рецептур и последовательности партий
• Точки отсечения с двумя или более скоростными подачами с автоматической компенсацией в полете, все из которых соответствуют характеристикам потока конкретного ингредиента
• Общее использование материала на ингредиент, за смену и за день
• Оптимизация или адаптация рецептов для выбора из имеющихся ингредиентов, имеющих определенную характеристику или стоимость
• Непрерывное вычитание, на ингредиент, из материальных запасов компании; обеспечение тщательного контроля запасов
• Отчеты о неисправностях для весовых и системных компонентов
• Отчеты об управлении эксплуатацией и техническим обслуживанием.

Конструкция

Конструкция весового оборудования должна соответствовать всем критериям, необходимым для установки статического весового бункера. Кроме того, должны быть реализованы передовые методы проектирования, производства и установки оборудования для обработки материалов; ошибки обработки материалов могут быть значительно больше, чем статические ошибки взвешивания. С точки зрения измерения и контроля взвешивания, компоновка и конструкция должны быть такими, чтобы уменьшить величину и изменчивость двух динамических ошибок; Изменение материала и импульса в полете. Диапазон возможных действий для достижения этого будет явно зависеть от физической компоновки завода и характера процесса.

Например, клапаны управления жидкостью должны быть расположены на конце подающих труб, питатели твердых веществ могут потребовать специальных конструкций, включающих специальные механизмы доставки, выпускные отверстия или запорные затворы для повышения повторяемости окончательного отсечения, а влияние удара продукта может быть уменьшено путем отклонения потока материала на входе от оси взвешивания. Изменчивость изменения материала и импульса в полете может быть явно уменьшена путем снижения скорости подачи за счет времени цикла партии. Компромисс, который часто используется, заключается во введении более одной скорости подачи и использовании сниженной скорости или скоростей только на конечных этапах подачи.

Типичная производительность

Статическая система взвешивания может иметь свою точность, выраженную в терминах простых числовых ошибок, причем ошибка представляет собой разницу между значением веса, выдаваемым системой взвешивания, и обычным истинным значением этого веса. Полное представление параметров погрешности статической системы приведено в другом месте. Определение параметров точности для системы порционного взвешивания усложняется из-за динамической природы процесса взвешивания.

Например, если машина настроена на выгрузку большого количества партий фиксированного веса (например, 20 кг), значения результирующих весов партий не будут одинаковыми. Ни одна из них не будет точно равняться 20 кг (хотя разница с 20 кг может быть неизмеримой). Вместо этого значения веса будут находиться в определенном диапазоне от минимального значения до максимального значения. Для машин или систем, которые не подпадают под требования MID, таких как общий диапазон систем порционного взвешивания, рассматриваемых в этом разделе, альтернативный подход к проверке может быть основан на статистических методах. Показатели производительности, основанные на этих определениях, отражают случайный характер процесса и могут привести к более дешевым или более гибким решениям в области инженерных систем, которые, тем не менее, приемлемы для конечного пользователя.

Распределение веса

Для большого количества случайных выборок предполагается, что распределение значений веса в пределах диапазона взвешиваний будет симметричным, с большим количеством значений, близких к центральному среднему значению, чем к краям диапазона. Распределение часто имеет нормальную или гауссовскую форму, и при построении в виде функции вероятности против значения веса дает колоколообразную кривую.

Каждая такая кривая может быть однозначно задана всего двумя числами — средним значением (µ) и стандартным отклонением (σ, квадратный корень из среднего квадрата отклонения от среднего), мерой разброса вокруг этого среднего значения. Оба числа выражены в единицах веса. Можно показать, что в 95 % случаев значение веса будет находиться в пределах 1,96 σ от среднего значения и что в 99 % случаев оно будет находиться в пределах 2,58 σ от среднего значения.

Стандартное отклонение можно рассматривать как «стандартную» неопределенность, связанную с распределением, тогда как эти два значения (1,96 σ и 2,58 σ) известны как расширенные значения неопределенности, поскольку числа 1,96 и 2,58 (известные как коэффициенты покрытия и обозначенные k) расширяют стандартное значение на коэффициенты, чтобы охватить выбранный процент распределения. На практике значение k = 2 обычно используется для оценки 95% доверительного интервала.

Производительность системы

Производительность машины связана с этими двумя значениями — среднее значение показывает, насколько хорошо поставленное количество согласуется с установленным количеством, а стандартное отклонение дает меру изменения количества поставленного продукта. Причина проверки машины заключается в определении оценок этих значений и, следовательно, оценок производительности машины. Если взвешивается достаточно большое количество (более десяти) партий номинально одинакового веса, оценки среднего значения машины (или совокупности) и стандартного отклонения могут быть получены просто — оценка среднего значения совокупности является средним значением выборки, а оценка стандартного отклонения совокупности приближается к стандартному отклонению выборки. Полученные значения являются лишь оценками параметров, для более глубокого анализа статистических вопросов см. «Руководство по выражению неопределенности в измерениях».

Факторы, влияющие на точность

Ниже перечислены основные динамические факторы влияния (если конкретные приложения имеют особые факторы, они будут перечислены в соответствующем подразделе):

Высокая скорость подачи

Сила, создаваемая изменениями импульса из-за воздействия потока материала, может привести к преждевременному срабатыванию точки срабатывания. Ошибки можно уменьшить, уменьшив скорость подачи, что часто достигается путем сохранения грубых сегментов с высокой скоростью подачи цикла взвешивания для минимизации времени цикла, но введения одного или нескольких сегментов тонкой подачи с более низкой скоростью подачи. Кроме того, физическая компоновка впускных каналов может быть спроектирована так, чтобы минимизировать влияние ударных сил на измерение веса. В некоторых приложениях наличие высокой начальной ударной силы может быть преодолено путем включения временной задержки в цикл управления, чтобы позволить системе игнорировать ее, пока она не затухнет.

Задержка реакции на отсечку

Этот эффект характеризуется компенсационным весом, который уменьшает точку отсечки питателя, чтобы учесть материал, который все еще падает. Непостоянный поток материала Это происходит, когда скорость потока материала изменяется, например, когда скорость пульсирует из-за конструкции шнекового питателя, если есть частичное голодание из-за застревания материала в бункере или других проблем с обработкой материала. Компенсация нелегко исправит эту проблему, хотя есть возможность добавить мгновенные корректировки скорости подачи в компенсацию в полете.

Решение обычно заключается в правильном проектировании бункеров, обеспечении постоянного минимального напора материала и, при необходимости, усилителей потока материала. Различные факторы В автоматической операции взвешивания есть ряд переменных, которые могут меняться от одного цикла взвешивания к другому, — к ним относятся: изменение скорости работы механизмов отсечки; изменение плотности материала; и вибрации, передаваемые через опорную конструкцию или исходящие от вибропитателей или другого моторизованного оборудования, установленного на самой взвешиваемой конструкции.

Калибровка/Проверка

Первый этап калибровки аналогичен тому, который используется для статических весовых бункерных систем. Статическая калибровка не учитывает динамические переменные, такие как характеристики материала, реакция отсечки и характеристики оборудования для обработки материалов. На практике серия последовательных тестовых взвешиваний регистрируется после того, как все начальные настройки, включая соответствующие скорости подачи и компенсацию в полете, были правильно применены к системе. По этим результатам можно определить степень соответствия спецификации проекта.