基于增量疊加法的皮帶秤在線校準(zhǔn)系統(tǒng)

袁若浩 周曉峰 劉溢舟 王偉 / .湖北交投智能檢測股份有限公司；.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院計(jì)量檢測所

0 引言

皮帶秤是皮帶輸送機(jī)輸送固體散狀物料過程中對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)稱重的一種計(jì)量設(shè)備，可以在不中斷物料傳輸?shù)那闆r下，對(duì)物料質(zhì)量進(jìn)行累計(jì)計(jì)算。皮帶秤作為一種動(dòng)態(tài)稱量方法，雖然遠(yuǎn)不及靜態(tài)稱量方法準(zhǔn)確可靠，但皮帶秤的優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)計(jì)量過程是連續(xù)自動(dòng)的，可實(shí)現(xiàn)物料在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。而校準(zhǔn)過程中輸送皮帶張力、皮帶速度等重要參數(shù)的變化給皮帶秤稱量系統(tǒng)造成的計(jì)量誤差，可以采用周期性校準(zhǔn)來保證整個(gè)稱量系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的計(jì)量準(zhǔn)確度要求。

該皮帶秤在線校準(zhǔn)系統(tǒng)可應(yīng)用于瀝青拌合站原料的稱重配比、煤炭累計(jì)量稱量、港口碼頭貨物的計(jì)重運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，并能實(shí)現(xiàn)物料在線監(jiān)控與系統(tǒng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，極大地提高了計(jì)重工作效率。

1 基于增量疊加法皮帶秤在線校準(zhǔn)原理

基于增量疊加法的皮帶秤校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由主皮帶秤、副皮帶秤、物料料斗、疊加標(biāo)準(zhǔn)砝碼、砝碼升降電機(jī)、緩沖托輥、速度傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于增量疊加法皮帶秤在線校準(zhǔn)原理

在進(jìn)行砝碼疊加校準(zhǔn)前必須確保主副皮帶秤的計(jì)量環(huán)境和誤差保持一致。雙秤比對(duì)試驗(yàn)可以使兩臺(tái)皮帶秤保持一致的計(jì)量環(huán)境。它的原理為在主副皮帶秤稱量相同物料量的條件下，以主皮帶秤為基準(zhǔn)修正副皮帶秤的計(jì)量系數(shù)從而使主副皮帶秤得到相同的物料累計(jì)值。經(jīng)過皮帶秤調(diào)皮和雙秤比對(duì)后，可以認(rèn)為此時(shí)主副皮帶秤具有相同的誤差條件和計(jì)量準(zhǔn)確度。

在增量疊加法校準(zhǔn)過程中，物料要均勻穩(wěn)定地通過皮帶，保證皮帶受到穩(wěn)定的張力。皮帶傳輸機(jī)首先以設(shè)定的速度帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，通過速度傳感器進(jìn)行皮帶速度監(jiān)測與控制。當(dāng)皮帶運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將理論上要疊加的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，通過砝碼升降機(jī)，均勻鋪在皮帶上。待所有需施加的額定質(zhì)量砝碼均勻鋪在皮帶上后，主、副皮帶秤記錄流過物料的累計(jì)值。校準(zhǔn)結(jié)束后，分別得到主皮帶秤累計(jì)量和副皮帶秤累計(jì)量，將兩者累計(jì)量相減得到疊加砝碼稱量值。再通過與疊加的砝碼額定值比較，從而確定主副皮帶秤的修正系數(shù)[1]，修正系數(shù)公式為

式中：M1——理論疊加物料量；

Q1——主皮帶秤累計(jì)流量；

Q2——副皮帶秤累計(jì)流量

式中：ΔQ—— 主副皮帶秤累計(jì)流量差值

由于皮帶上的物料量不均勻和皮帶速度值的變化，在T時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量Q是瞬時(shí)流量Q（t）對(duì)時(shí)間的積分，為

式中：Q（t）—— 物料的瞬時(shí)流量；

q（t）—— 皮帶秤的瞬時(shí)載荷質(zhì)量；

v(t)——皮帶瞬時(shí)速度

皮帶的瞬時(shí)載荷質(zhì)量通過安裝在秤架下面的稱重傳感器獲得。聯(lián)立式（1）（3），可得主副皮帶秤的修正系數(shù)C1：

式中：q1(t)——主皮帶秤的瞬時(shí)載荷質(zhì)量；

q2(t)——副皮帶秤的瞬時(shí)載荷質(zhì)量

根據(jù)理論修正式（4），分別將修正系數(shù)C1對(duì)主副皮帶秤累計(jì)流量進(jìn)行修正，修正后的ΔQ1為

由式（5）可知，修正后主副皮帶秤累計(jì)流量的差值等于理論疊加物料量，說明此修正方法在理論上可行。兩臺(tái)皮帶秤的誤差為

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）硬件設(shè)計(jì)

基于增量疊加法皮帶秤在線校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件包括可編程控制器（PLC）、螺旋輸送機(jī)電機(jī)、皮帶輸送機(jī)電機(jī)、數(shù)字變送器、料斗門電機(jī)、智能積算器、稱重傳感器、測速傳感器。PLC用于實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、螺旋輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、料斗門的動(dòng)作控制、定時(shí)以及傳感器的數(shù)據(jù)采集。上下位機(jī)間采用RS232串口進(jìn)行通信。

料斗門電機(jī)采用直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其他電機(jī)均采用交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。上位機(jī)通過串口將命令發(fā)送至下位機(jī)（PLC）實(shí)現(xiàn)各部件的運(yùn)行、停止和料斗門開合度的控制,同時(shí)PLC將經(jīng)過數(shù)字變送器和智能積算器處理的信號(hào)傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)物料累計(jì)和瞬時(shí)流量的顯示，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件

數(shù)字變送器配有24位A/D轉(zhuǎn)換器，輸出4～20 mA模擬信號(hào)。它將稱重傳感器的電流信號(hào)和測速傳感器的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)載荷質(zhì)量和皮帶的瞬時(shí)速度，然后再將信號(hào)送入智能積算器，智能積算器可以通過皮帶秤的瞬時(shí)流量積分計(jì)算得到皮帶秤的累計(jì)流量，最終將累計(jì)流量傳至上位機(jī)。

2）軟件設(shè)計(jì)

本地上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)采用VB（Visual Basic）編程語言，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)控制、運(yùn)動(dòng)控制命令下傳PLC以及各種傳感器數(shù)據(jù)的顯示與采集。在本地上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，程序根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)的要求向下位機(jī)PLC發(fā)送各種命令，控制PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、驅(qū)動(dòng)各部件電機(jī)、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)炔僮?。根?jù)對(duì)采集到數(shù)據(jù)的判斷和分析處理來完成對(duì)皮帶秤的校準(zhǔn)工作。具體流程為校準(zhǔn)開始前，對(duì)整套校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行30 min的預(yù)熱，包括智能儀表以及要求皮帶輸送機(jī)以恒定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，并對(duì)主副皮帶秤至少調(diào)皮3次以上，完成主副皮帶秤比對(duì)；然后開啟砝碼升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)，往皮帶輸送校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，待標(biāo)準(zhǔn)砝碼穩(wěn)定勻速地放于皮帶表面后，開啟疊加砝碼校準(zhǔn)程序，直至設(shè)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)砝碼完全通過副皮帶秤有效稱量區(qū)，砝碼疊加校準(zhǔn)結(jié)束。

皮帶秤的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)主要應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先遠(yuǎn)程校準(zhǔn)控制端將校準(zhǔn)命令通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器再通過射頻無線網(wǎng)絡(luò)將控制信息傳至基站（本地計(jì)算機(jī)），計(jì)算機(jī)與本地上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，最終本地上位機(jī)軟件將命令送至PLC，完成相應(yīng)的校準(zhǔn)操作[2]。

3 基于增量疊加的皮帶秤校準(zhǔn)

1）雙秤比對(duì)

不同比對(duì)時(shí)間和物料流量對(duì)主副皮帶秤計(jì)量影響，比對(duì)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 物料流量17.5 t/h時(shí)不同時(shí)間下雙秤比對(duì)結(jié)果

表2 不同流量下雙秤比對(duì)結(jié)果

由表1可知，在相同物料流量下（比對(duì)選取物料流量17.5 t/h），隨著比對(duì)時(shí)間增加，主副皮帶秤計(jì)量誤差會(huì)不斷縮小；由表2可知，在相同比對(duì)時(shí)間下（比對(duì)選取4 min），物料流量越大，主副皮帶秤計(jì)量誤差明顯越小。

根據(jù)雙秤比對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果，對(duì)主副皮帶秤進(jìn)行零點(diǎn)修正，以主皮帶秤為基準(zhǔn)修正副皮帶秤，保證主副皮帶秤的計(jì)量環(huán)境和誤差保持一致。

2）不同物料流量重復(fù)性試驗(yàn)

考慮到校準(zhǔn)成本和校準(zhǔn)效率等，增量疊加比例為35%，比對(duì)時(shí)間大于4 min，根據(jù)JJG 195-2019要求[4]，模擬載荷在7.5 t/h、11 t/h、17.5 t/h下的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

表3 基于增量疊加法的皮帶秤校準(zhǔn)重復(fù)試驗(yàn)

從結(jié)果可知，當(dāng)物料流量越小時(shí)，主副皮帶秤稱量結(jié)果越穩(wěn)定，校準(zhǔn)系統(tǒng)重復(fù)性測量越小。

3）驗(yàn)證

為了驗(yàn)證增量疊加法校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，分別在物料流量7.5 t/h、11 t/h、17.5 t/h進(jìn)行0.5級(jí)實(shí)物料斗校驗(yàn)法和增量疊加法的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，通過比對(duì)兩種方法校準(zhǔn)得到的副皮帶秤校準(zhǔn)相對(duì)誤差來判斷基于增量疊加法皮帶秤校準(zhǔn)方法的可行性，比對(duì)結(jié)果見表4。

表4 實(shí)物料斗校驗(yàn)法與增量疊加法校準(zhǔn)誤差比對(duì)結(jié)果

通過兩種方法的比對(duì)發(fā)現(xiàn)，副皮帶秤累計(jì)值相對(duì)誤差均在±0.5%范圍內(nèi)，證明采用增量疊加法進(jìn)行在線皮帶秤校準(zhǔn)是可行的[5-6]。

4 結(jié)語

皮帶秤雖然不具有靜態(tài)稱量的高準(zhǔn)確度，但以其自動(dòng)連續(xù)的計(jì)重累計(jì)優(yōu)勢(shì)，提高了物料稱量效率?；谠隽刊B加法皮帶秤在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，在校準(zhǔn)過程中整圈砝碼累計(jì)疊加量可以達(dá)到總累計(jì)量的50%，增加了校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，提高了校準(zhǔn)效率，為皮帶秤在線計(jì)量校準(zhǔn)提供了新思路，也為皮帶秤的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)條件。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，儀器的自動(dòng)化、智能化程度越來越高，計(jì)量器具的在線校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程校準(zhǔn)已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)。該皮帶秤在線校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究，正是基于新思路、新思想指導(dǎo)下，為皮帶秤的校準(zhǔn)溯源提供了更多可能。