專利名稱：粉末稱重混合裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及了一種粉末稱重方法，更準確地說，是涉及了一種精度高、應用范圍廣和工作時間短的稱重方法，該方法是在稱重設置值和實際稱重值的基礎上，使用模糊推理的方法，改變隨后周期的粉末供料流速來實現的。
本發明還涉及粉末稱重混合機，在將各種粉末稱重后，該混合機將它們混合起來，然后得到新的物質。
傳統的粉末稱重方法是利用主要包括測力傳感器的稱量系統來進行稱重的。
已有的控制系統是靠在上述計算稱重周期中被稱重物質根據所花費時間得出的平均流量和總的出料重量來調整在隨后的稱重周期中所花時間和流量的系統。然后，這些系統在平均流量的基礎上得出與目標重量的偏差，這些控制系統已在日本特許(OPI)公開148019/81號和155412/81號專利中所公開。也可參見日本特許公開(OPI)29114/82號專利。
到目前為止，還沒有能按照在接收容器中稱出的實際重量值來順序地改變流速的閉環稱重控制方法。
而且，在傳統的粉末稱重混合機內，當粉末從幾個送料容器(或幾個罐)中被送到一個接收容器的時候，每臺送料容器都須有一個單獨的稱重設備與之相連。
比如，在
圖1中，兩臺粉末容器就必須使用兩臺稱重設備。對于這些各個單獨設置的稱重設備的閉環控制(本發明的特征之一)，就需要有用于流量預測控制的雙環路控制功能。
這就是說，由于粉末的流量是隨著存留在送料容器內的粉末量，目標重量，以及粉末的各種物理性能變化值的變化而改變，所以用單一的控制功能不可能進行所希望的高精度稱重。
另外，還有一些稱重方法可實現改變到接近于設定的目標重量的較慢流速的高精度稱重，這種方法是利用具有改變到不同流速的固定狀態的性能的裝置完成的。該方法已為日本特許出愿公開(OPI)72015/82號申請所公開。另一方面，改變流速的流量調節器可以串聯設置。但是這里為有控制功能也需要用雙環控制。
使用雙環控制功能的原因在于，如當使用離散式控制裝置時，可以計算出帶有單一控制裝置的控制功能，因此，事實上不需要兩臺控制裝置。然面從軟件和輸入、輸出的數量的觀點上看，這仍可看作是兩臺控制裝置。
此外，還有一些與上述方法有關的預測在終止稱重和剛要停止流動時流入到稱重容器中的數量的方法。
由于傳統的稱重控制方法在給定的范圍內有固定的稱重狀態，這些方法有的具有固定的流速，有的將流速分成兩級并在兩級之間變動，它們有如下缺陷(1)稱重精確度由于存在粉末物理性質方面的干擾和變化，所以有時精度不能保證。
因此，選擇輸送設備時，將根據粉末的物理性質的不同而選用不同的輸送裝置，比如，若是顆粒狀粉末，就采用閘板式的，因為這種粉末有較好的流動特性；若是流動特性差的粉末，就采用螺旋送料器。但是按照單個的法則是不能確定粉末的流動特性的，而流動特性是隨著粉末的阻力、粉末的形式和振動等干擾因素而變化的。
吸濕粉末和易形成分流的粉末的流動特性尤其要隨著存料條件而變化。因此，在能長時期存儲于送料容器中粉末的這種系統中，粉末的流動特性還要隨著環境狀態，比如溫度、濕度以及振動器，用于加快粉末流動特性的氣錘等輔助設備所產生的振動而引起的變化而改變。這樣，稱重的精確度便隨著送料的流動狀態而下降。因此，必須對儲存數量加以限制，并對設備的安裝條件加以限制，這使得零部件的初始投資和操作費用增加。這些限制對保持稱重的精確性來說是必要的。
(2)稱重范圍稱重范圍窄。
原因在于，即使在系統的一部分流動停止后，還存在著由系統的延遲引起的殘余流入量。由于總量是靠流速來確定的，所示當流速固定時，流入的容許總量可由縮小稱重范圍來保證。因而，即使是在對相同的粉末稱重時，如果稱重設置值有很大的偏差，稱重設備必須適合每個稱重范圍，這樣設備的組件數目也要增加。
(3)稱重時間稱重時間受目標重量支配。
當目標重量小時，稱重時間就短，而目標重量值大時，稱重時間就長。根據目標重量，所需的稱重設備采用適合于生產周期的稱重時間，而且稱重設備的組件數目也因此而增加。此外，如果當幾種粉末要混合成一種新的混合粉末，幾個目標重量是不一致時，系統的生產能力由原先未混合的材料來確定，這些材料需要最長的稱重持續時間。
此外，在傳統的粉末稱重混合機中，由于上述原因，對于各送料容器，都需要安裝許多稱重設備的各自獨立的控制元件。為了提高生產能力，取得每個最佳稱重時間，需要安裝上述控制元件，所以使系統較為復雜，而且稱重設備還要增加許多組成部分。
基于上述事實，本發明要提供一種非常經濟的粉末稱重混合機
(1)由于減少了設備組件的數量，因而使初始投資減少；(2)由于減少了設備組件的數量，從而減少了花費在維護設備方面的勞動；(3)由于減少了設備組件的數量，提高了可靠性，從而減少了生產事故；(4)由于減少了原材料的損耗，從而減少了操作費用。
該稱重控制設備不只是不受由于粉末物理特性上的干擾和偏差引起的流速改變的影響，使稱重的精度得以提高，而且還保證了有較寬的稱重范圍。該稱重設備可在不受目標重量大小支配的情況下，在短時間內完成稱重。這樣，便可以構成一個系統，該系統在減少了原材料損耗的同時，提高了生產能力和簡化了組成部分。
基于以上考慮，本發明是要提供一種粉末稱重方法，該方法不受由于粉末物理特性上的干擾和偏差引起的流速改變的影響，來實現高精度稱重，該方法確保了一個較寬的稱重范圍，而且還能在不受目標重量大小支配的短時間內完成稱重。
本發明的上述任務是靠使用粉末混合機來完成的，該混合機利用了稱重控制設備，而該控制設備采用閉環控制和在模糊推理基礎上的控制，使得流速時刻都可以變化。這種混合設備可以減少上述的稱重控制設備中的組成部分的數量。
本發明的粉末稱重混合機是使用了如下基本結構構成的1.幾個送料容器是儲存需要稱重粉末的幾個容器。
該容器的容量應當與生產規模相適應。
本發明沒有對容器內的存放材料的數量加以限制。從理論上說，稱重也可以在村料的存放量減少到零的情況下進行。而且，只要測量不受材料的物理特性(比如顆粒的大小，等等)的影響，任何粉末都可以在存放量減少到零的情況下進行稱重，并且能使粉末流出。
2.流量調節器流量調節器的數量與送料容器的數量相一致。例如，調節器靠控制螺旋送料器的旋轉圈數來控制流量。使用有開口的閘板時，利用一個位置命令改變開口大小來改變流量。
此外，螺旋送料器和開口閘板的流動特性，解釋在旋轉計數率和開口度都在稍大于零并且流動是出現在最大速度和最大開口度的大約10％的情況下，為什么外流不會發生的原因。
交流伺服電機或類似裝置可用來作為驅動器。
(3)幾個接收容器容器的容量與生產的規模相適應。
(4)幾個檢測器安裝在幾個接收容器上，檢測器稱出送到接收容器內的粉末的重量。對于可以混合在一起的粉末，可在一個接收容器內進行累積稱重。
(5)稱重控制設備控制設備采用閉環控制和改變流速的方式進行操作。這種控制采用模糊推理的控制系統，允許流量調節器內的粉末隨流速發生變化。這就是說，在流量調節器中粉末輸送的初始速度是由流量調節器內的流量特性和稱重設置值來確定的。此后，輸送速度的改變便由以實際稱重值和稱重設置值為根據的模糊控制來確定。
(6)轉換設備把稱重控制設備的輸入量轉換成與前述的流量調節器相聯的幾個輸出量中的一個輸出量。
(7)移動設備用來輸送接收容器的移動設備。使用自動送料機或可用來進行輸送的其它輸送裝置。但是也存在接收容器本身就具有輸送功能和輸送功能與接收容器分離等情況。
以上給出了本發明的基本構成。本發明還要使用能改變流速的閉環稱重控制設備。而且，稱重控制設備是在模糊推理的基礎上進行控制的。
本發明的上述幾個目的是靠閉環粉末稱重方法來實現的，該方法是利用粉末從送料容器被送到接收容器的過程時稱出的實際稱重值與任意設置的目標重量來改變粉末的供料流速的。輸送的速度是靠運用了目標重量和流量調節器的流量特性進行模糊推理來改變的，其中流量調節器控制流動速度以便確定粉末在稱重之前通過流量調節器時的輸送速度。然后在目標重量和順序觀察到的實際稱重值的基礎上進行模糊控制。
圖1是已有技術的測量混合機的示意圖；圖2是能夠應用本發明的第一實施例的粉末稱重設備的示意圖；圖3是解釋圖2中設備的控制過程的方框圖；圖4、5、6和6A是解釋模糊控制的曲線圖；圖7是通過螺旋送料器的兩種粉末的流量特性曲線圖；圖8到圖10是根據本發明的幾個實驗實例的稱重特性的曲線圖；圖11是一種用于各種粉末的稱重混合機的一個實施例的結構圖；圖12是解釋圖11中設備的控制方框圖；圖13是按照本發明的另一個實施例的稱重混合機的結構圖；圖14是解釋圖13中的設備的控制方框圖；圖15表示具有兩個稱重容器的固定式粉末稱重混合機；圖16是本發明的可移動式粉末稱重混合機中的一個實例的工藝流程圖；圖17是本發明的閉環控制方式的方框圖；圖18是表示流量調節器的流量特性曲線圖。
下面將參照附圖描述本發明的一個實施例。。
圖2表示適用于作為本發明的一個實施例的粉末稱重設備。該實施例說明一種在接收容器中進行的加法稱重。粉末被送到放置在下游端的接收容器里。
圖中，儲料漏斗1作為一個儲存要稱重的粉末的送料容器。螺旋送料器2作為一個控制粉末流速的流量調節器，它位于儲料漏斗1的外部。閘板門3能夠使流動停止。稱重漏斗4作為一個具有稱重功能的接收容器，它放置在測力傳感器5的頂部。測力傳感放大器6將測力傳感器5的輸出信號放大。稱重控制器7控制螺旋送料器2和閘板門3。伺服驅動器8由稱重控制器7控制，而它又驅動伺服電機9，伺服電機9驅動螺旋送料器2旋轉。螺旋送料器2能夠靠改變它的旋轉速度在一個較寬的范圍內改變粉末的輸送量。
現在利用圖2和圖3的控制方框圖來解釋本發明的粉末稱重方法。
當一個任意數量的目標重量送入稱重控制器內時，稱重控制器7的模糊控制部件72根據預先知道的螺旋送料器2的流量特性，運用模糊推理計算出螺旋送料器2的初始旋轉速度。
與此同時，開始進行稱重，稱重控制器7打開閘板門3，并且螺旋送料器2的伺服電機9以其初始旋轉速度旋轉，用這種方式控制伺服驅動器8。
用這種方法，將粉末從儲料漏斗1輸送到稱重漏斗4，實際重量是使用稱重漏斗4來測得的。這時，稱重漏斗4被用于觀測實際重量，該實際重量在以前描述過的控制循環中是不斷變化的。實際重量由測力傳感器5稱出，并且經過測力傳感放大器6反饋到稱重控制器7。
除了計算在預置目標重量設定值和實際反饋重量之間的偏差和在一段時間內的偏差變化之外，稱重控制器7內的濾波計算部件71還要對這兩個量進行低通濾波處理。
模糊控制部件72根據經濾波處理所觀測量進行模糊推理來改變流速，并計算在下一控制循環中螺旋送料器2的旋轉速度。
現在來描述模糊推理。用在模糊控制系統的模糊推理，是由操作人員來進行模仿控制的。如果操作人員觀測到目標值和測得值之間的偏差較大，而這個偏差的時間變化率較小，那么操作人員就會提高流速，以便非常迅速地減小偏差。另一方面，如果操作人員觀測到偏差較小，但偏差的時間變化率稍大時，操作人員就會稍微減小流速。E.H.Mamdani在一篇題為“控制簡單動力設備模糊算法的應用”的技術論文中討論了模糊控制，這篇文章發表在IEEE會刊1974年第121卷1585-1588頁上。L.A.Zadeh在題為“模糊集論”的備忘錄中也討論了模糊控制，該文章刊登在加州大學伯克利分校電子研究實驗室的備忘錄ERL-M502號(1975)中。
在圖4中用曲線表示出偏差e(這里是目標重量和實際測得的重量之差)，它作為時間變化量δe的函數(這里是本測量周期與過去測量周期之間所測得偏差e的差值)。如果測得的偏差e和測得的時間變化量δe在平衡區域內下降，那么從現在的偏差看來，現在的流量是合適的，所以閥門的開口度等不需要改變。寧不進行準確的運算，而只要選擇像根小，小，適中；大和很大等“不明確”變量就可以了。
如果變量被選定為幾個不明確變量和幾個從屬度函數，并且如果控制方法由“如果一則”規則來確定，那么進行模糊測量控制將是可能的。模糊規則通常用這種方式來表達如果e是A，δe是B，則δu是C。在本發明中，e是偏差，δe是偏差的時間變化，δu是控制流動量的時間變化量(在各控制周期間)，比如像控制閥的開口量。在幾個規則中，幾個變量A、B、C由與幾個不明確變量同樣的規則確定，如很小，小等等。
從屬度函數用于確定每個偏差e、偏差的時間變化量δe和控制量的時間變化量δu。用于確定偏差e(以克為單位)的從屬度函數用圖5的曲線表示。縱軸為從屬度值，從屬度函數在0和1之間變化。如果實測的偏差是3，則本次測量周期的偏差被確定為“小”。對于δe和δu必須建立起相似的從屬度函數。
幾個測量值(即偏差e和偏差的時間變化量δe)的從屬度函數將沿著測得值軸被分隔開，使較小的測得值的間隔變得越來越小。這一變化從與從屬度函數相比較的e的半對數曲線中可以明顯看出，其中幾個控制不明確值在用對數表達時具有相等的寬度。
如果要想提高稱重精度和縮短稱重時間，需要這種類型的變化。當偏差較大時，就不需要精確的控制能力，而當偏差較小時，就需要提高控制精度。同樣的方法也適用于低通濾波過程。當偏差或相似的量小時，這些量的低通波的輸出量用于提高稱重精度，采用方法是減弱稱重檢測器(測力傳感器)的短期運動。
對于模糊控制，要預先確定一些模糊規則。例如第一規則是如果e小，δe大，則δu負大；第二規則是如果e小，δe適中，則δu負適中。另一套規則可以從圖4中得出，比如如果e和δe都是小，則δu為零。其他規則從圖4中可明顯看出。當e和δe中的每一個在不明確變量的唯一區域內下降時，要得到操作量δu，只要運用帶有那些不明確變量的單一的模糊規則就可以了。但若觀測得到的數量在不明確變量的兩個區域內下降，那么要得到操作量δu就必須適用帶有從屬度函數值的兩個模糊規則，該從屬度值在組合操作數量δu的“則”值時，起著重要的作用。例如圖6是用于獲得控制量δu的曲線圖。假設e在小區域內的從屬度值為0.8，并且δe在大區域內的從屬度值為0.6和在適中區域內值為0.7。另外再假設模糊規則(1)是e小和δe大，則δu負大，模糊規則(2)是e小和δe適中，則δu負適中。在這種情況下，δu的從屬度值由e和δe中數值較小的那個來確定。(其它的選擇也是可以的)。因此運用規則(1)時，δu的從屬度值是0.6，適用規則(2)時δu的從屬度值為0.7。根據從屬度值，δu可以靠計算得出，例如由圖6中劃有陰影那部分面積的重心來得出。
流量的初始設置值也可以用以目標重量和流量調節器的流量特性為基礎的模糊推理的形式求得。從屬度值和模糊推理規則需由幾個變量來限定。一種結果是幾個目標重量在0到1的范圍內有幾個從屬度值，以離散的間隔構成，從而可控制流量調節器。
稱重開始后，以假設一個合適的旋轉速度的方式來控制著螺旋送料器2。旋轉速度隨著稱重偏差逐漸減小而逐漸趨于緩慢，這樣，流量便減少。當稱重偏差和稱重偏差的時間變化量逐漸減小，使稱重偏差降到低于某一值時，稱重就停止，閘板門3關閉，螺旋送料器2旋轉計數率被設定為0，因此，旋轉停止。這時，流速極小，殘余流入量也因此而變得非常小。其結果是由于有目標重量和處理系統，使螺旋送料器2的動作在稱重范圍內變化。因此，雖然必須觀測檢測器的靜態準確度，但稱重范圍增大，并且可以用一臺稱重設備進行稱重，而不必考慮目標重量的大小。
然而，閘板門3的動作，即使在稱重時間的范圍內，也是變化的，并且可以在幾乎同樣短的稱重時間內稱重，而不用顧及目標重量的大小。
如上所述，本發明的稱重方法之所以能控制流速是由于對螺旋送料器的旋轉計數率采用了模糊控制，這種控制是在由測力傳感器5觀測到的實際重量的基礎上，運用了具有固定式控制環路的閉環控制(圖3)實現的。
在上述實施例中，螺旋送料器就作為流量調節感，它能改變流速。但是，流量調節器也可以是一個旋轉系統，該系統能以和螺旋送料器同樣的方式通過旋轉計數指令來改變流量。另外，驅動裝置不限于伺服電機，也可以使用倒向電機(inverter motor)而且任何能改變旋轉計數或位置的裝置都可以使用。
現在來解釋根據本發明進行試驗的結果。
這些試驗是利用圖2中顯示的稱重設備完成的。
試驗所用稱重設備的最大稱重量為5公斤。測力傳感器的精確度為1/2500。螺旋送料器通過倒向電機控制其旋轉速度，旋轉計數指令(電壓輸出)從稱重指令裝置向外輸出。
圖7表示出兩種粉末的流量平均值的特性曲線，該特性是倒向器輸入電壓(旋轉信號)的函數。這兩種粉末有如下特性粉末A是可見密度為0.5的粒狀粉末，粉末B是具有很強粘著力、可見密度為0.5的面粉類粉料。這兩種粉末采用圖2中的對各個控制系統或類似控制系統不會產生任何變化的系統進行稱重。
圖8表示出1公斤粉末A的稱重結果。圖9表示出1公斤的粉料B的稱重結果。正如圖8和9清楚地表示出的，在大約相等的稱重時間內，即使螺旋送料器旋轉操作方式發生變化，也可以獲得高精度的稱重結果。
此外，由于使儲料漏斗振動和擠壓粉末造成的不同流動性質而形成了不同的流量特性。但是，雖然螺旋送料器的操作方式因此而改變但在稱重時間和稱重精度上卻獲得了相同的結果。
用來獲得圖9中表示的測量結果的過程，將根據模糊控制來進行詳細的描述。
流量調節器的初始旋轉信號由從屬度函數來確定，如圖6A所示。例如，當設置值(目標重量)是1000克時，根據圖6A，與設置值相對應的從屬度函數值是0.1。根據調節器的流量特性，調節器的最大旋轉信號設定在5V，以使調節器的初始旋轉信號設定在5×0.1＝0.5V。模糊控制在一段短的時間內不進行(無用時間)。由于將流體從送料箱(儲料漏斗)輸送到一個測量箱(稱重漏斗)要花費一定時間，如圖2所示的，如果模糊控制在初始測量之后立即進行，調節器的旋轉信號可以極大地增大。因此，模糊控制在這段無用時間內不進行，這段時間在0-9.9秒的范圍內。
在測量時，所運用的模糊規則如下(1)如果e很大，δe中等，則δu正中等；(2)如果e很大，δe大，則δu正小；(3)如果e很大，δe很大，則δu為零；(4)如果e大，δe很大，則δu負小；(5)如果e中等，δe很大，則δu負中等；(6)如果e中等，δe大，則δu負小；(7)如果e大，δe大，則δu為零；
(8)如果e大，δe中等，則δu正小，等等。
在圖9或圖4中的點A，運用模糊規則(1)，結果δu增大。在圖4的點A1運用模糊規則(1)和(2)，結果開口度進一步增大。在圖4中的點A2運用模糊規則(2)。在圖4的點A3，運用了模糊規則(2)和(3)。在圖9或圖4中的點B，運用模糊規則(3)，結果閥的開口度不變。在圖9或圖4中的點C，運用模糊規則(3)和(4)，使得調節器的旋轉信號減弱。在圖9或圖4中的點C和點D之間，使用了像在點A和點B之間的某些模糊規則。圖9或圖4的點D，運用了模糊規則(8)，使得調節器的旋轉信號增大。用類似的方法進行模糊控制，所得到的測量結果顯示在圖9中。在這個實驗中，測量了通常不連續流動的粉末，結果在點B和C之間出現了小的波動。對于e和δe也可以使用低通濾波器來減小波動。
表1表示出作為目標重量函數的稱重時間和稱重精確度之間的關系。為了獲得較好的稱重精度，使用一個單獨的通過鑒定的差重計來測量粉末的外流量。5公斤的稱重范圍是由在這個試驗中使用的倒向電機的最大旋轉速度所限定的，因此，擴展的稱重時間被加以擴展了。盡管如此，稱重精度達到±2克。如果倒向電機的容量增大的話，有可能減少稱重時間。圖10表示出5公斤的粉末B的稱重結果，它清楚地表明，流量是在最大旋轉速度時的流量，并且如果流速提高，時間甚至會縮短。
由于在這個試驗中是使用精度為1/2500的測力傳感器，稱重為50克，精度為±2克，這等效于測力傳感器的靜態精度。因此，證據表明，使用精度為1/5000的測力傳感器，在1∶100的稱重范圍內，精度可達±1.0％。而且，在試驗中使用了倒向電機，它的旋轉速度的范圍(最小速度和最大速度之比)為1∶10。如果電機用伺服電機代替，旋轉速度的范圍將變寬，并且可在相同的稱重時間內，稱重范圍是1∶100時實現高精度的稱重。
表1
本發明所使用的粉末稱重方法如上所述，用幾個相同的從屬度函數和幾個模糊規則可以得到如下結果，而且模糊規則不依賴于流量調節器的流量特性或稱重系統的結構，等等。
(1)可以實現高精度稱重，而不管由于粉末的物理性質上的干擾和變化會使流速產生怎樣的變化。
(2)由于目標重量設置值有較寬的范圍，所以可以獲得較寬的稱重范圍。
(3)可以實現不依賴于目標重量值大小的短時間的稱重測量。
另外，稱重控制設備采用低容量儲存器能夠很容易制造出來，并且可以減少設備數目。
現在將解釋，具有多個送料容器和一個固定式接收容器的稱重混合機的兩個實施例。
第一個實施例如圖11所示，它是一種有N種粉末的稱重混合機。在此實施例中生產混合粉末的方法是將幾種原材料儲存在N個儲料漏斗102中，儲料漏斗102在流動開始時作為送料容器，將粉末輸送到置于送料容器下游作為接收容器的單個稱重漏斗104中，在稱重漏斗104中對N種粉末進行累積稱重之后，把這些粉末輸送到制備罐106中。
N個儲料漏斗102的出口經過N個伺服電機112控制的N個螺旋送料器110與N個閘板門108相連。這些閘板門108的出口被引導通過一個管路或管路結構，以保證所有粉末無遺留地全部流入稱重漏斗104。
螺旋送料器110旋轉計數率可以改變，因此可以在一個較大的范圍內改變粉末傳輸速度。
為了測量由每個儲料漏斗102輸送的粉末重量，稱重漏斗104上裝有作為檢測器的測力傳感器114。測力傳感器114通過測力傳感放大器116與稱重控制器118相連。稱重控制器118又通過一個伺服驅動器120與轉換裝置122相連。
轉換裝置122根據稱重控制器118的指令選擇幾個粉末供給系統中的一個令其改變輸入以產生幾個不同的輸出。稱重控制器118把旋轉操作指令和開口位置指令輸送到選定的伺服電機112及閘板門108。
此外，稱重漏斗104具有管路通過排料門114連接到制備罐106中，并且在稱重漏斗104上裝有如振動器或空氣錘的設備以將其中剩余粉末清除，制備罐106中裝有攪拌設備126，制備罐的出口安排了底部閥門128。
下面，結合圖12的控制方框圖對使用上述粉末稱重混合機的粉末稱重混合過程進行說明。
首先，由稱重控制器118規定稱重和混合標準，例如，得到被涉及的儲料漏斗的混合稱重結果，對輸送儲存粉末的儲料漏斗加以說明。
在開始對某一種指定的粉末進行稱重之前，先由稱重控制器118設定一個目標重量，由轉換裝置選擇供給系統。在這例子中，假定選中N種供給系統中的第一種，則選擇第一個閘板門108打開。稱重控制器118提供給伺服驅動器120的轉數指令，使第一螺旋送料器110以一個預定的轉速輸送粉末。第一伺服電機112被啟動，螺旋送料器以指定的轉數旋轉，致使原材料開始流動。此時，用所選定的螺旋送料器110的流量特性和目標重量，根據一個模糊推理，由稱重控制器的模糊控制部分130計算出第一螺旋送料器110的起始轉速。這樣，第一供料漏斗102中的原材料就開始送入到稱重漏斗104中。稱重漏斗104的測力傳感器114檢測出輸送到稱重漏斗中的原材料重量，并且將信號通過測力傳感放大器116傳回到稱重控制器118。
在稱重控制器118中，過濾計算部分132計算出目標重量與實際反饋的測量重量之間的偏差，以及這個偏差隨時間的變化，而且還通過低通濾波器處理過的這種重量值來計算出一個視重量。
模糊控制部分130根據這個視重量值進行模糊推理，計算出在下次控制周期中所選定的螺旋送料器110的旋轉數，以改變其流速。
如圖5所示，在模糊推理中所用的從屬度函數在橫軸上的比例對應于被分開的偏差和偏差的時間變化的各個物理量，例如，在半對數座標內劃分出等區間，使之便于對各小物理量的間隔進行更詳細說明。這種劃分不但可以提高稱重精度，而且還可以縮短稱重時間。當偏差值大時，不需要有很高的控制能力，而當偏差值小時，就有必要提高控制精確度。這就是低通濾波器處理的實際情況，當偏差值等，較小時，使用低通濾波器的偏差輸出，利用稱重檢測器(測力傳感器)的運動特性來改善稱重精度。
開始稱重后，螺旋送料器110受一個適當的轉速控制著。當重量偏差逐漸減小時，旋轉速度也逐漸放慢，并且流速也減小。重量偏差以及偏差的時間變化減小。當偏差下降到低于某一確定值時，測量停止，閘板門108關閉，螺旋送料器110的旋轉速度為零，旋轉停止。流速和流量都極小。因此，在停止稱重后，流入稱重漏斗的粉末極少，不依賴于流速變化而提高稱重精度。
如圖7所示，由于螺旋送料器110的流量特性在低于最大轉速10％的區域內有一個死區。對于使用模糊推理來說，該死區內可認為整個偏差為零。因此，即使發生螺旋送料器無規律地旋轉，或機械游隙等等情況時，在死區內及模糊控制系統中允許出現這些不利影響，從而可能獲得較高精度的稱重值。此外，在稱重范圍內，螺旋送料器110的操作隨目標重量及過程系統而改變，不必考慮目標重量的大小及擴展了的稱重范圍，使用稱重設備的一個元件就能完成稱重。而且，必須觀察檢測器的靜態精度。
此外，即使在稱重期內，閘板門108也可以被驅動，且有可能不必考慮目標重量的大小在相當短的時間內進行稱重。
而后，在稱重和混合過程中，用相同的方法，在選定的第二個供料漏斗102中轉換為稱重粉末。轉換裝置122轉換到對應于供給漏斗102的第二個螺旋送料器110。目標重量是預定好的，稱重是使用象前述的在稱重開始指示后的那樣的控制類型來完成的。也就是說，在控制設備的控制功能中除由轉換裝置122改變成給第二個閘板門108和第二個螺旋送料器110(一些操作設備)的輸出信號外，其余仍一樣。
而且，第二個螺旋送料器110的流量特性不必與第一個螺旋送料器110的流量特性相同。但是，在死區附近的特性相類似。由于這樣，雖然在稱重開始后輸送速度變化不同，在稱重結束之前的瞬時傳送速度大體是相同的，因此可以使用相同的從屬度函數和模糊規則來完成稱重。所以高精度，寬范圍，短周期的稱重可以不依賴于系統結構方面的差異，如流量調節器的流量特主等等，而實現。
當各種類型的粉末的累積稱重在稱重漏斗104中完成后，稱重漏斗104的卸料閥門124打開，所有粉末都被傳送到制備罐106中。而且，當粉末在稱重漏斗中流出時，通過一個輔助裝置134例如振動器，使粉末由稱重漏斗中全部流出。通過制備罐106中的攪拌設備126的旋轉完成混合，同時可加入所希望的流體化學添加劑。在攪拌均勻后，底部閥門128打開，使混合好的粉末流出。
接著，參考圖7，8和9，根據本發明的實驗得出的結果是與這幾幅圖所描述的情況相同。
在上述實施例中，描述了一個稱重漏斗累積稱重N種粉末，對于稱重和混合粉末的種類沒有限制。但是，從該系統的情況來看，由相同稱重設備控制的螺旋送料器的最佳數目大約是8個。
圖13表示本發明的測量混合機的又一個實施例。
在此例中，一個減法稱重系統與前述的加法稱重系統相結合。減法系統稱重是用供料漏斗中的檢測器給出供料漏斗的粉末流出總量。
因此，首先在這個圖中的(N-1)個儲料漏斗，粉末供料系統和稱重混合系統有像先前的實施例一樣的結構。所以，使用相同的參考標號對它們進行簡單的解釋。在這個例子中，第N個儲料漏斗102附帶有一個測力傳感器140，靠測力傳感器140可以測出重量，因此，就可測出第N個漏斗102的粉末流出量。而且，一個開口調節器142安裝在第N個供料漏斗102的出口處，由開口調節器142控制著漏斗102的粉末流出量。因此，雖在圖中顯示出利用開口調節器在減法稱重的操作位置，但也可以通過其它裝置例如，螺旋送料器，來控制流速。
圖14表示上述的另一個實施例的控制方框圖。第N個儲料漏斗102中粉末流出量的變化是由測力傳感器140進行減法稱重測出的。同樣，當粉末輸送到稱重漏斗104時，通過測力傳感器114將粉末重量累積到已經輸送到已經輸送至稱重漏斗104的前(N-1)個儲料漏斗102的重量之中。在此方法中，把減法稱重和加法稱重所得到的實際重量值分別反饋到對應的減法系統稱重控制器144和加法系統稱重控制器146。稱重控制器144和146分另計算出實際重量與設置目標重量之間的偏差及偏差的時間變化量。用模糊控制的方法輸出了幾個控制值。而這些控制值通過一個控制系統的轉換設備148。從減法系統所得出的值經過位置指令轉換器150轉換為表示開口調節器142的開口量的值，而且，在經過轉換裝置122轉換并輸出之后，由它們把附加系統得到的螺旋送料器的轉速一起傳遞到伺服驅動器120中。
使用上述結構，即使稱重范圍較寬，也可以利用減法稱重完成精密稱重，并且可以利用加法稱重進行大目標重量的稱重。
本發明中的另一個實施例，提供了一個可移動的制備罐。它是這樣一種結構，在攪拌和反應過程中利用可移動制備罐分另在將要供給制備容器的各種粉末的卸料門之下移動，即可接收粉末，又可以筒化配給系統的結構。
在前述實施例中，螺旋送料器用改變流動速度來控制流量，因而，也可以用旋轉型的送料器，與用螺旋送料器同樣的方法，根據旋轉速度來改變流量。此外，若粉末具有很好的流量特性，同樣，也可以使用改變開口的位置指令來控制流量的開口調節器。
如上所述，本發明的粉末稱重混合機，可以做到(1)減少稱重元件的數目；(2)減少由于使用目標重量控制稱重設備而造成的原材料損耗，保持了粉末的物理性質及數量，因此可以獲得以下經濟效益(a)由于元件的減少使原始投資下降；(b)由于元件數量減少，使維修損耗也減少；(c)由于減少了元件數量，提高了可靠性，使損壞現象隨之減少以及(d)由于減少原材料損失，使操作費用下降。
在使用多種粉末的成批量生產過程中，由于粉末的物理性質不同，許多情況下，不能在一個接收漏斗中完成累積稱重過程。因此，在一個生產系統中，可以使用多個接收或稱重漏斗104和105，每個漏斗上均帶有稱重設備。如圖15所示的。因此，可混合的各種粉末在稱重漏斗104中稱重，不可混合的各種粉末分別在稱重漏斗105中稱重。下游的制備罐106要求制備和反應的粉末的裝置不同，因此，系統就復雜了。
當在帶有固定制備罐106的生產系統中配置幾種產品時，要根據產品的構成安裝設備。正如前面所述的，需要大量的稱重漏斗，制備罐和稱復設備、控制設備以及用于高精度稱重的特別合適的幾個閥門。在這個例子中，這種設備僅適合于某些產品而不適合其他類型的產品，這將是一種很浪費的系統，因為增加了各原始組成部分的一次性投資。而且，最近的生產系統需要有多種應用，而不僅固定為一種形式的生產系統。對于這種固定系統的管路需要進行一些變換，并加入其它附加部分以組成一個非常復雜的生產系統。
最近，新提出一種具有幾個可移動的接收容器，制備罐等等的可動式的批量生產系統。
然而，在這種系統中使用一種傳統的稱重設備，稱復時間取決于目標重量的大小而不同。目標重量大則稱重時間就長，對可移動生產系統中的容器的輸送時間旋加了一種限制。因此，在傳統的生產系統中，提供了所需要的稱重設備元件的數量，以便對輸送時不加以限制。但是，這將會抵消可移動生產系統的優點。在這個系統中的一個位置那里停留的時間也增長了。而且，由于目標重量的范圍，稱重時間的限制，稱重精度條件，等等，需要大量的稱重設備元件。因此，在管道連接器中的工作時間增長。
在生產攝影材料的過程中，由于涉及到感光材料，需要保持無光條件，任何一個復雜系統由于增加連接部件或改變了輸送周期都將對產品的效果產生影響。
通過給接收漏斗配置可移動的設備，由于稱重漏斗可以移動，使從所有的粉末供料漏斗那里接收各種粉末變為可能的事情。由于已稱過重的粉末都進入到制備罐中，這樣不用安裝管路，可以減少稱重漏斗的數量，也能夠實現各個組成部分的機動性。因此，當生產多種產品時，能夠避免有空閑著的稱重漏斗。加工方法的改變能夠減少設備的增加。而且，由于使用可移動稱重漏斗能夠縮短稱重周期，在小批量生產制造中時間變化也能縮小。在稱重漏斗中加入攪拌裝置，以在其中攪拌來自供料漏斗的粉末，這樣，稱重漏斗又可以作為一個制備罐。
下面對本發明的一個可移動的實施例進行詳細描述。
如圖16所示，考慮在這個例子中有N種粉末物質，假定要生產多種類型的產品，但生產類型的數量要小于N。在傳統的生產系統中，既使是同類型的設備，由于稱重范圍，稱重時間，稱重精度方面的限制，要用于單一類型的產品時，也需要有稱重設備和供應物料的粉末供料漏斗。不管系統是可移動的，還是固定的，要具有多重使用性，就要使用多于N個元件的設備。但是，在這個發明中，由于使用可改變流速的閉環稱重控制設備以及稱重控制設備采用了模糊控制，則不必顧及稱重范圍、稱重時間和稱重精度的情況。由于有足夠的輸送能力，確定了稱重元件的數目很小，N個粉末供料漏斗元件也足夠，且不會發生粉末混雜在一起的問題。
這里，假定稱重設備114(測力傳感器)為一個元件。N個粉末供料漏斗102是足夠用的，但是由于稱重元件114的數量要由生產時間、產品的生產量來確定，因而有理由要求稱重元件的數量比這個量更多。
每個稱重設備帶有一個稱重控制器154，它具有控制能力，并按圖17所示的進行工作。由一個轉換裝置156轉換稱重控制器154的選擇后的輸出，將這個輸出傳送到各個流量調節器，例如，N個螺旋送料器110。這就是說，利用相同的控制準則，帶有測力傳感器114的稱重漏斗104可以完成由第1至N種物質的稱重。
由于螺旋送料器110的旋轉數是可以改變的，因此，可以在較寬的范圍內調節粉末的流動速度。
稱重控制器154由低通濾波元件158，模糊控制器160，驅動控制器162和旋轉裝置156所組成。就N個螺旋送料器110的流動特性來說，根據目標重量和由測力傳感器114測得的重量值就能完成模糊控制。因而，控制了N個螺旋送料器110的轉數。
此外，當用開口調節器作為流量調節器時，由一個位置指令來控制調節器的角度。
本發明的粉末稱重混合機操作步驟如下由主生產控制設備對可獨立移動式的稱重漏斗104發出命令，使稱重漏斗104運動到所要求的粉末儲料漏斗102的正下方。靠系統選擇的信號和被選定的儲料漏斗102的螺旋送料器110的信號使轉換裝置156轉換。通過稱重控制器154控制被選定的第一個斷流閥或閘板門108。
此外，由主生產控制設備發出命令，以使與第一個粉末供料漏斗102對應的連接件164和稱重漏斗104對應的連接件166連接起來。當稱重準備狀態已確定后，由主控制設備經過初始設置發出開始稱重的指令，根據稱重開始指令，由轉換裝置156選定第一個供給系統。在這個例子中，選擇了第1個粉末供料系統，從驅動控制器162的稱重控制器156給出的旋轉指令，使輔助驅動電機112旋轉，這樣使第一個螺旋送料器110以一個預定的轉數來傳送粉末，并使第一個閘板門108打開，因此，原材料開始流動。這時，根據目標重量和螺旋送料器110的流量特性，用模糊控制器160計算出第一螺旋送料器110的轉數。然后，第一儲料漏斗102中的原材料開始輸送到稱重漏斗104中。稱重漏斗104上的測力傳感器進行稱重，它檢測傳送來的原材料的重量，并且將測量值反饋給稱重控制器154。
稱重控制器154的過濾部分158根據目標重量偏差，以及反饋回來的供料粉末稱重值偏差的時間變化量來執行操作。它根據由低通濾波器所過濾過的這些量來計算出一個值。
在這個計算出值的基礎上，根據幾個模糊規則，前述的模糊控制器160可以完成推理的操作，它可以計算出在下一控制周期中，螺旋送料器110為了具有合適的流速應有的轉數。
在開始稱重之后，隨著稱重偏差變小，螺旋送料器110的旋轉數減少，直到它達到非常小的流速。稱重偏差及偏差的時間變化量也變小。當稱重偏差下降到低于一個確定值時，第一個閘板門108完全關閉。在這時，流速很小，流入量也很小。結果，在停止稱重之后，流入稱重漏斗的粉末量很小，這樣，不依賴于流速的變化，稱重精度得到改善。此外，圖18中給出了具有一般流量特性的結果。螺旋送料器110在其允許的旋轉速度范圍的10％以下有一個死區。在模糊推理操作中可以認為該死區為零。因此，既使螺旋送料器存在著無規律旋轉，或機械間隙，間隙的有害影響都被這個死區所吸收了。因此，模糊控制和高精度稱重成為可能。而且，流量調節器的功能將根據目標重量和過程系統而變化，用相同的稱重設備進行稱重時，可以不考慮目標重量的大小。因此，稱重范圍被擴大了。在稱重過程中，前述的流量調節器的操作特性也將發生變化，這樣，不考慮目標重量的大小可以在幾個幾乎相等的短時間內進行稱重測量。根據產品類型的構成情況來看，上述操作方法是有效的。當一產品型的全部所需物質被稱重之后，該過程就轉換到下一個操作，把粉末輸送到放在下游處的一個制備罐中。
這個制備罐168可以移動，并且使它的連接件與管路連接件172的下部連接在一起。在這種連接完成后，稱重漏斗104的底部閥124由輸送控制設備控制并且打開，把粉末通過管路連接件172傳輸到制備罐168中。
在圖16中，測力傳感器114放置于稱重漏斗104上。稱重漏斗104的移動設備也是獨立/運動型的，移動設備是在所需位置稱重的一種形式，移動設備也是用無人操作載體進行運動的。而且，在每個連接位置進行焊接都是必需的，例如，幾個位置傳感器，等等，都是以電連接方式相連接的。
當在稱重漏斗104中加入一個旋轉葉片，它承擔混合功能，并作為制備罐的定位裝置，這樣將使系統更加有效。
在前述的實施例中，作為一個稱重設備舉例給出了一個測力傳感器114，如果使用另一種罐稱重檢測器也是相同的。
移動設備可以無入操作進行運載，它載起稱重漏斗104在兩個測點之間運行，或者可以在稱重漏斗104上加幾個輪子。
由于使用本發明的粉末稱重混合機，粉末稱重混合機可以從多個粉末供給漏斗累積稱重各種粉末，在一個接收漏斗中接收這些粉末，并且在其中混合它們。稱重控制裝置中配有轉換設備，它們閉環方式進行控制操作，其中根據各種供給粉末的目標重量，利用模糊推理，由稱重控制裝置改變流過各種流量調節器的流量。每個粉末供料漏斗帶有與粉末供給管路相串聯的流量調節器。把從供料漏斗來的供給粉末的稱重設備置于接收漏斗的旁邊。本發明的另一個特征是具有接收容器的可移動設備。在本發明控制設備的系統中，既使在較寬的稱重范圍內，也有可能在短時間內并且快速地完成稱重測量。由于干擾和粉末的物理性質上的變化，甚至有大塊的組成部分時，流速發生變化，對稱重的精度也不會產生什么影響。由于減少了稱重設備元件，組成部分簡化了，從而增加了生產能力。靠大規模制備的方法，可以有效地減少原材料的損耗，提高產品的質量。因此，原始投資，維護費用和操作費用都可以減少，并且增加了可靠性。
權利要求
1.一種粉末稱重方法，由下列步驟組成設置所測量粉末的目標重量；用一個流量調節器調節由送料容器輸送到接收容器粉末的流速；測量輸送到所說接收容器中的粉末重量；確定在所說的測量重量與所說的目標重量之間的偏差；確定所述偏差的時間變化量；根據所說偏差及所說的偏差的時間變化量，使用模糊推理得出在下一個控制周期中所希望的粉末流速；以及在所說下一個控制周期中，對應于所希望流速再次調整流速，并且重復所說的測量步驟，所說的兩個確定值步驟，及所說的執行步驟；在所說的流量調節器中有一個死區，在該死區內，所說的調節器的初始運動產生了基本為零的流速，而且在使用模糊推理的過程中所說的死區也與零流速有關。
2.一個粉末稱重方法，由下列步驟組成設置所測粉末的目標重量；用流量調節器來調節由供料容器輸送到接收容器的所說粉末的流速；測量輸送到所說接收容器內的粉末重量；將測量到重量輸入到低通濾波器中進行處理；確定經過所說低通濾波器處理的測量重量與目標重量之間的偏差；確定所說的偏差的時間變化量；根據所說偏差及時間變化量，使用模糊推理得出下一次控制周期中所希望的流速；以及，在所說的下一次控制周期中，相應于所希望的流速再次調節流速，并且重復測量步驟，兩個確定數值的步驟，及執行步驟。
3.一種粉末稱重方法，由下列步驟組成設置所測粉末的目標重量；用流量調節器來調節由供料容器輸送到接收容器的所說粉末的流速；測量輸送到所說接收容器內的粉末重量；確定在測得量與目標重量之間的偏差；確定所說偏差的時間變化量；根據所說偏差及時間變化量，使用模糊推理得出下一次控制周期中所希望的流速，將用在模糊推理中所說的偏差及偏差的時間變化量的從屬度函數劃分成有更小間隔的幾個組，以使偏差和時間變化量的值更小；在所說的下一個控制周期中，相應于所希望的流速，再次重復所說的測量步驟，所說的兩個確定值步驟及執行步驟。
4.如權利要求3所述的粉末稱重方法，其中對于每個所說的從屬度函數至少某些間隔在半對數座標軸上為等間隔。
5.一種粉末稱重方法，由下列步驟組成設置所測粉末的目標重量；通過流量調節器來調節由送料容器輸送到接收容器的粉末流速；測量輸送到所說接收容器中的粉末重量；確定測量重量與目標重量之間的偏差；確定所說的偏差的時間變化量；根據所說的偏差及所說的時間變化量，使用模糊推理得出下一次控制周期中所希望的流速；以及在所說的下一次控制周期中，根據所希望的流速，再次調整流速，并且重復所說的測量步驟，所說的兩個確定步驟，及所說的執行步驟；根據流量調節器的流量特性和目標重量，利用模糊推理來確定通過流量調節器的初始調整過的流速，所說的目標重量的從屬度函數有取決于目標重量的多級形式。
6.一種粉末測量混合裝置，包括多個供料容器；多個附加在所說各個供料容器出口處的流量調節器；多個附加在所說的流量調節器的各個輸出端的供料管路；一個在所說的多個供料管路之間可移動的接收容器，該接收容器收集經過多個流量調節器的粉末；測量裝置，它用于測量出不論來自那個供料管路進入到接收容器內的粉末重量；確定裝置，它用于測定在測量重量與目標重量之間的偏差，以及偏差的時間變化量；控制裝置，它根據所說的偏差及偏差的時間變化量，按照模糊推理進行操作，得出下一次控制周期中控制裝置的所希望的流速；以及轉換裝置，它用于轉換控制裝置的一個輸出量，以選擇使用所說的流量調節器中的一個。
全文摘要
一種粉末測量設備和粉末測量混合裝置，其粉末由供料漏斗傳輸到測量漏斗中，粉末流速由接在漏斗上的流量調節器控制。對測量漏斗的重量進行監測。控制器把測得重量與目標重量進行比較產生一個偏差以及一個偏差的時間變化量。控制器根據模糊推理進行操作，以得出在下一個控制周期中所希望的流速。該所希望的流速被輸送到流量調節器。可以使用幾個帶有流量調節器的供料漏斗。在混合測量的不同階段，控制器的輸出在不同的流量調節器之間轉換。另外，在幾個不同供料漏斗間可移動測量漏斗，以避免使用復雜管路。
文檔編號G01G11/08GK1030486SQ88103618
公開日1989年1月18日 申請日期1988年5月12日 優先權日1987年5月12日
發明者樋口登, 松井敬三, 小林忠造, 大西弘志 申請人:富士膠片公司