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饲料配料系统的配料精确度分析
本帖最后由 zhouqq3 于
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在生产过程中，饲料配料精确度是一项非常重要的控制指标，会直接影响产品质量，还会对企业的经济效益造成深远影响。饲料企业要控制好配料精确度，首先要对配料精确度的概念、影响配料精确度的因素有一个深刻的了解，在此基础上，通过对配方设计、原料使用、生产排序、设备维护、配料次序、控制精度和配料系统应用，等各个环节的系统把握，将配料精确度控制并稳定在标准之内，促进企业的发展。在饲料的生产制程中，配料工序是一个关键环节。什么叫配料？所谓配料，是采用特定的配料设备与生产工具，按照的要求，对多种不同品种的饲料原料进行准确称量及混合的过程。配料工序一般包括两个部分：一是大宗原料的配制，二是等添加量较小的原料配制。目前，许多饲料企业为了实现生产自动化，追求配料精确度、避免人为配料事故，已基本放弃人工配制大宗原料的作业方式，而小料添加由于品种多、添加量小、原料腐蚀性大、机械配料精确度低、原料易结块、易粘仓、易发生化学反应等原因，仍然采用手工配料方式。在原料的配制过程中，配料精确度是最重要的控制指标，它不仅会直接影响产品质量，还会对企业的经济效益造成深远影响，因此，如何有效保证并持续提升配料精确度始终是制造厂家与饲料企业要面对的课题。本文重点讨论在现存的各种配料工艺及设备状况下影响配料精确度的原因，以及在生产工艺与设备固定的情况下，如何有效提升生产现场的配料精确度。 1 什么是配料精确度配料精确度就是要将配料误差控制在一定范围之内。配料精确度分为静态精度与动态精度。静态精度是指在静止状态下（即配料完成后），实际配料量与设计配料量之间的误差值。动态精度是指在动态状态下（即配料过程中），实际配料量与设计配料量之间的误差值。在现阶段，国家标准为静态0.1% FS，动态0.3% FS（FS = Full Scale，满量程）。 2控制配料精确度的意义2.1 配料误差对成本造成的批次效应表1 浓缩配方 file:///C:/Documents%20and%20Settings/周家全/Application%20Data/Tencent/Users//QQ/WinTemp/RichOle/BX$FXAEP]OE}5($@5LZ1_HG.jpg
表1是一个猪浓缩饲料配方。这个配方由18种原料组成，其中大（CP43%）的含量为58.67%。在生产过程中，如果其配料精确度是0.1%FS，那么就会造成2.22946元/t的成本误差，这种隐性误差基本会因为生产习惯而随着产量的提升成正比扩大。在实际生产过程中，配料误差要远远大于0.1%FS，尤其是对于人工配料、手动机械配料或管理不完善的企业来说，因配料误差不能控制在标准范围之内而给企业带来的隐性成本差异是无法估量的，对于规模化饲料企业来说，控制配料误差更是具有深远的意义。2.2 配料误差对单批产品质量的影响按表1配方可得出，该配方粗蛋白质设计含量是38.5%。如果各种蛋白质原料的配料精确度都能够达到0.1%FS，那么其粗蛋白质差异就会在38.5×0.001=0.0385，这是一种理想状态。在实际生产过程中，由于各种原因导致的配料误差，常常会造成产品粗蛋白质含量呈不规则变化，给产品质量造成隐患。3 影响配料精确度的因素分析从产品研发到生产制造，有许多环节影响并制约着配料精确度。一般来说，以下因素对配料误差的产生起着决定性作用。3.1 配方设计与原料使用在表1的配方设计中，需要在配料秤上添加的原料品种一共有8个，除粕外，其他原料都会因添加量过少而达不到配料精确度；而且需要人工配料与添加的原料品种达10个之多，大大影响了生产速度。其中，蛋氨酸钙（DL-Met）的添加比例为0.101%。如果使用1 000kg的混合机生产，那么其批次添加量为1.01kg，这就要求所使用的配料秤精度必须在10g以下，而且在进入混合机之前必须经过预混合。显然，这样的配方设计不仅增加了配料精确度超出允许值的机率，而且降低了生产效率。因此，在进行配方设计时，必须要依据生产工艺与设备状况来考虑各种原料的添加量是否便于生产的实际操作、是否符合本厂的生产方式。在现代化的规模饲料厂中，一般都采用了集控制、管理于一体的智能型电脑配料系统，这种配料系统以工业计算机作为配料主机，与操作台、模拟屏、出仓机、秤体等组合成完善的全套控制系统。在配料系统中，影响配料精确度的主要因素有配料绞龙的精度、配料秤的精度、称量仪表的精度、传感器的分辨率、程序运行速度、信号反馈速度、出仓机型号、变频器调控参数等。其中，配料秤的精度一般由以下因素决定： 3.2.1 秤斗形状设计：圆形代替方形是为了减少秤内残留 3.2.2 秤斗和传感器的安装：要求均衡和对称 3.2.3 传感器的安装和调整：受力均衡 3.2.5 传感器防止受干扰 3.2.6 原料进秤口的设计 这些设备的选用与参数的确定决定于产品结构、配方组成与原料使用。例如在选用出仓机（设备）时，要充分考虑原料特性（密度、体积、流动性能等）与添加量等因素；在设定配料主机的各项参数时，也要充分考虑原料的各项特性与添加量，在动态的调整过程中，保持配料精确度。 此外，工艺设计与设备运行状态也是影响配料精确度的因素。如图1所示：混合机上安装的回流风管会大大降低配料过程中空气波动对电子秤的影响，保持电子秤上疏风孔的通透性会降低配料过程中电子秤内的空气负压，有利于精确反应实际配料重量。3.3 料仓分布与配料次序在规模饲料厂中，常常采用多秤配料系统。受上料线路的影响，适合每个配料仓的原料种类都是固定的，这就要求在原料选用与配方设计时要充分考虑生产工艺能否满足多品种原料配方的要求，避免因涨秤、配料量过少、配料时间过长等现象对配料精确度产生影响。在实际配料过程中，除了要采用先大后小、先轻后重的配料次序外，还要依据原料流动性与黏稠度来灵活调节配料次序。例如：如果先添加一些酶解羽毛粉、、肉骨粉之类的原料，再添加其他的原料，在放料时会出现秤斗上料放不尽的现象。3.4 配料方式与控制精度以上3个方面的因素决定了配料方式与能够达到的配料精确度。在目前存在的3种配料方式中，人工配料是精度最难保证的一种。3.4.1 人工配料在生产规模较小的饲料厂（低于500kg混合机）或原料流动性能非常差的特种饲料厂中，常采用人工方式完成配料作业。这时，人员的经验与责任心成为决定配料精确度的重要因素。尤其是对于一些饲料企业为了追求配料速度，常常采用配料容器进行经验式配料，由于每批原料间都会存在差异、每个人的操作都会存在差异，这样的配料误差是无法控制的。3.4.2 手动配料是指人工操作出仓机（配料绞笼）完成配料作业的模式，操作人员的经验、责任心与配料秤、出仓机的精度决定着配料精确度。在这样的配料方式下，配料误差是无法控制的，产品质量的波动也是没有规律的。3.4.3 自动配料是指由配料计算机指挥出仓机完成配料作业的模式。在这种模式下，完全实现了自动化配料，人为出错率降至最低，对以工业计算机系统为核心的硬件设备保持正常运行提出了很高的要求。4 配料精确度的现场管理与预防措施在实际生产过程中，尽管工艺设备、产品结构、配方与原料使用、配料方式等都已经确定，但还需要对影响配料精确度的程控工段与小料添加工段实施精细化的动态管理才能达到工艺设计的配料精确度。4.1 程控工段 4.1.1 原料比重不同，下料速度不同，在配料时必须设置适当的提前量，才可以有效提高配料精确度。在正常生产时，、石粉、磷钙、石粒等比重大的原料常常会多加，而细麸、粗麸等比重小的原料常常会少加。4.1.2 原料在不同配方中的配比不同，就要采用不同的配料方式。例如：石粉添加量在20kg以下时，最好在小料工段人工添加，采用出仓机配料很难控制精度，常常会造成饲料中钙的含量超出设定标准。 4.1.3 在生产工艺确定与设备选型时，都要依据原料特性与使用量来确定每个配料仓的出仓机型号。因此生产人员必须依据出仓机的下料速度和精度，合理使用料仓，以确保配料精确度。4.1.4 生产过程中，原料空仓或供应不上（即边上料边粉碎状态）时，自动配料系统常会因添加量不够而停止喂料，使添加量减少，影响配料精确度。因此，要保证配料精确度，配料之前，料仓内必须备有充足的原料供配料使用。4.1.5 在自动配料状态下，配料秤快加料、慢加料的时间设置要因原料品种及用量差异而有所不同。尤其是慢加料的时间设定对配料精确度有很大影响。4.1.6 手动配料时，要避免配方计算错误、提前量估计不足、按错仓位等失误的发生。4.1.7 配料秤放料后，配料秤有时出现负值。必须在配料秤稳定后归零，否则影响配料精确度。4.2 影响小料添加工段配料精确度的主要因素是计量精度与添加准确性生产人员在配料前必须要进行校秤，以保证电子秤的精确性；在添加时，避免多加、少加、错加、漏加等失误的发生；在自动配料系统中，小料秤常常设有配料最大量，以检验小料计量与添加的准确性。综上所述，有效调控配料精确度是一个系统工程，从配方设计到原料使用、从工艺确定到设备选型，从配料次序到控制精度，哪一环工作的缺失都会造成系统配料精确度的不足，因此，对于生产工艺与配料设备已经固定的企业来说，不断强化生产现场的配料管理，有针对性地设计配方与使用原料，才可能最大限度地保证配料精确度。
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自动配料系统是对粉粒或液体物料进行“单秤称重”并按所选配方混合这一工业过程进行实时监控管理的自动化系统，已广泛应用于冶金、建材、化工、医药、粮食及饲料等行业&
一般的工业自动配料系统由以下几部分组成。
给料部分：给料部分是从料仓（或储罐）向称重设备中加料的执行机构。根据物料的不同特性，可以选用不同的给料设备，如电磁振动给料机、螺旋给料机、单(双)速电磁阀等。
(2) 称量部分：称量部分由传感器、标准连接件、接线盒和称量斗组成，与称量仪表一起进行物料的称量以及误差的检测。
排料设备：排料可以是称重设备（减量法）或排放设备（增量法、零位法）。通常由排空阀门、电磁振动给料机、螺旋给料机、电（气）动阀门等组成。所有设备均应根据现场的工艺条件和物料的性质等进行设计和选择。
&&&&&&&(4)
配料控制系统:配料控制系统由称量仪表、可编程控制器、上位工控机及其它控制器件等组成。
&(5) 校秤系统:配料系统传感器应进行定期调校，以保证系统配料精度。
&本文就各有关部分对精度的影响作如下分析：
2 称重方式对系统精度的影响
在工业配料过程中，常用称重方式有两种，即进料式称量和卸料式称量。
进料式称量有两种实现方法：
&&&&&&&第一种：称量料斗接收、称量好一种物料后，不“排空”料斗，而是只将电子秤内部计数值清零，再接收另一物料，这种方式称为增量法。
第二种：在称量开始时通过给料设备向称量料斗内给料，在称量值达到设定值时停止给料，然后打开闸门将物料卸出，再从零位重新称量下一物料，这种方式称为零位法。
显而易见，零位法的称量精度比增量法的称量精度高。
在进料式称量时，当给料设备停止给料后，还将有一部分物料在空中以自由落体的方式落入称量料斗，这些余料称为落差。由于有落差的影响，所称物料重量的设定值应为要配制的物料标准重量减去落差值。
卸料式称量是首先向料斗内装入始终多于配方要求的物料，然后自料斗内向外卸料来进行称量，落下的物料的重量就是要配制的物料的重量，因此这种方法又称减量法。减量法称量还可以进一步省去料斗，直接将传感器安装在原料仓上，料仓中物料总重量减少的数值就是要配制的物料的重量值，但这样由于精度太低而较少采用。
为保证称量速度和称量精度，在进料式称量时一般采用给料设备双速给料的方法，即先快速给料至设定值的90%~95%，以保证称量速度，然后慢速给料，以保证称量精度。对于减量法则采取双速卸料，即先快速卸料，到达设定值的90%~95%时改为慢速卸料。
采用双速给料（卸料）的增量法、零位法、减量法称量方式下的时间与重量关系分别如图1-a)、1-b)和1-c)所示。
图1 不同称重方式下的时间与重量关系图
在进料式称量中，由于物料本身特性及料斗原因可能造成卸料不净，从而产生称量误差。“卸料式称量”只称量从料斗中取走的物料量并显示其重量，不存在卸料干净与否的问题，因而该方式特别适合于称量难称的物料，比如易粘附的物料等，其缺点是设备比较复杂，需要同时有给料装置和卸料装置，并且由于称量料斗内的物料重量值总是高于需要配制的物料的重量值，从而导致传感器量程增大，并直接影响到系统的精度。一般而言，卸料式称量的精度比进料式称量的精度略低。
3 生产线结构形式对系统精度的影响
在工程中，常用的称重配料生产线一般有以下几种结构：
采用固定式单组份料斗秤的结构：每个原料仓对应一台“料斗秤”，各组份原料在称量后由溜槽、集料皮带或集料小车收集并导入后续工序。
采用固定式多组份料斗秤的结构：几个原料仓对应一台料斗秤，各组份原料在同一台“料斗秤”内累加称量后由集料皮带或集料小车收集并导入后续工序。
&&&&&&&(3)
采用移动式料斗秤的结构:通过移动带有称量料斗的集料小车进行各种物料的累加式称量。
采用称重皮带机式的多组份秤的结构：原料仓的出料机构就是多组份秤的给料机构，各种物料在移动的配料皮带上由“皮带秤”进行累加称重。
&&&&&&&对于以上这几种结构的生产线，采用固定式单组份料斗秤的结构的生产线的配料精度最高，但由于每种物料都要有一台称量仪表和一套传感器，因而成本也最高。采用固定式单组份料斗秤结构并采用集料小车收集配制完毕的物料的配料生产线结构原理如图2所示。&
1—料仓 2—给料机 3—称量料斗 4—集料小车 5—卸料机
图2 采用固定式单组份“料斗秤”结构的配料生产线结构
4 配料控制系统对精度的影响
&&&&&&&工业自动配料系统一般采用集散控制系统结构或基于现场总线的控制结构，对于一些比较简单的称重配料系统，也可以采用工业计算机（IPC）加数据采集板卡的形式进行配料过程的控制。一种典型的基于PROFIBUS现场总线的配料控制系统如图3所示。
图3 基于现场总线的配料控制系统
&&&&&&&配料控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要是称重传感器、称量仪表、可编程控制器、上位工控计算机等；软件部分则主要包括可编程控制器的控制算法和上位工控计算机的监控程序。
配料控制系统中影响配料精度的因素主要有称重传感器、称量仪表、控制元件的响应时间和执行机构行程时间以及PLC的控制算法等。
4.1 称重传感器
电阻应变式传感器是目前称重配料系统中最常用的的称重传感器，影响其测量精度的主要因素有以下几个方面。
受力形式与安装方式的选择：称重传感器有受拉和受压两种形式，其安装形式有一点式安装、三点式安装、四点式安装三种。拉力传感器一般采用悬吊安装，因给料冲击和闸门开启等使称量料斗晃动会影响传感器的计量性能。压力传感器采用固定安装，只能承受垂直作用力来进行测量，水平力有可能导致传感器弹性梁的损坏。无论哪种传感器，在多传感器安装时，都会有各传感器受力不均的现象，从而对系统精度产生影响。
密封方式的选择：称重传感器安装在工业现场，环境比较恶劣，若不加可靠密封，就会受到工作现场潮气、腐蚀性气体、灰尘等的损害，从而使系统精度受到影响，因此必须选择合适的密封方式，以保证传感器长期可靠稳定工作。
量程选择：确定传感器的量程要综合考虑各种因素，主要包括被称物料和料斗的最大重量、传感器的数量、可能产生的偏载、动载、冲击及其它附加产生的干扰力等。
从系统的可靠性来考虑，应选择较大量程的传感器，但从称量精度来看，传感器应选择较小量程，因此,必须根据具体情况合理选择传感器的量程，一般应使传感器工作于其满量程的30%~70%之间。
传感器性能指标：主要是指非线性误差、迟滞、重复性、零漂和蠕变等指标，这些误差将对传感器的合成误差产生影响。
传感器的桥路连接：在工业应用中一般采用多传感器串联或并联方式，以获得较大信号输入并减小单个传感器的量程。目前一般采用并联“组秤”的方式。
4.2 称重仪表
影响称重仪表测量精度的主要因素有内部ADC的A/D转换方式、A/D采样速度及转换精度等。
4.3 控制元件的响应时间和执行机构行程时间
控制元件的响应时间和执行机构行程时间都会影响配料系统的精度。而这两个时间与器件的性能和使用时间的长短等因素有关系。
4.4 称重控制算法的设计
采用进料式称量时，由于落差的影响，当停止给料后，还有一部分物料在空中以自由落体方式落入称量料斗。因此，要为了保证配料精度，必须设计一个终止给料提前量的控制算法，对终止给料提前量进行控制，以减小落差对配料精度产生的影响，使实际配料值保持在误差范围内。
可以参考一下一种配料控制算法，该算法利用了配料系统生产过程为多次重复称量的特性，利用当次称量的结果对下次配料时的终止给料提前量进行修正。经过有限几次的试配制后，就可以使所配制物料的静态称量值保持在误差范围内。
5 影响配料系统精度的其他主要因素
在工业自动配料系统中，还有一些因素会影响到系统的配料精度，这些因素主要包括以下几个方面。
5.1 物料特性
主要是指物料的流动性、物料的粘度、吸潮性以及物料形状的均匀程度等。这些因素会直接影响到物料在配制过程中的流动情况，从而影响到配料的精度。
5.2 给料量的控制
给料速度：给料速度指标与给料精度指标是矛盾的，加快给料速度，可以降低配料时间，而要求提高配料的精度，就必须延长给料时间。
&&&&&&&(2)
原料仓中“料位”的影响：原料仓中“料位”过低或者缺料有可能引起给料无法达到设定值。
给料机出料口至称量料斗的高度：切断给料机电源，停止给料后，自给料机至称量料斗中间的空中落料（落差）是影响配料精度的主要误差来源之一。给料机出料口至称量料斗的高度越大，落差值也越大，精度越不易控制。
5.3 称量料斗
如果系统中每次配制的物料都较少，称量料斗的重量会影响到称重传感器量程的选择。另外，称量料斗的刚度也会影响传感器的受力情况。
5.4 系统校准精度的影响
系统必须在静态砝码校准及动态实物校准后才能投入生产,并需要定期调校。
自动配料系统是一个复杂的自动控制系统，要保证配料的精度，必须根据工艺要求、所需配制物料的特性等因素进行综合分析，首先选择合理的称量方式和生产线的结构形式，然后正确选择传感器、称量仪表以及设计合理的控制算法并综合考虑其他相关因素，这样才能设计出精度高、成本低、符合要求的自动配料系统。
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