調(diào)速皮帶秤在預(yù)給料系統(tǒng)中的應(yīng)用

肖其中，縱振海

調(diào)速皮帶秤在預(yù)給料系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of Speed-regulatingBelt Conveyor Scale in Pre-feeding System

肖其中，縱振海

1 引言

預(yù)給料系統(tǒng)由預(yù)給料機和稱量裝置組成，采用預(yù)給料技術(shù)是歐洲水泥公司流行的做法。對于粘土等粘濕物料，通常采用鏈板輸送機作為預(yù)給料機；對于粉煤灰等流動性強的物料，通常采用管式螺旋、回轉(zhuǎn)卸料閥或電動流量閥作為預(yù)給料機。

沖板流量計屬于被動式稱重計量設(shè)備，可作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置，但精度有限；調(diào)速皮帶秤屬于主動式稱重計量設(shè)備（調(diào)速皮帶秤不僅能檢測物料的流量，還能按設(shè)定值通過調(diào)整帶速來控制流量，所以被稱為主動式稱重計量設(shè)備[1]），用調(diào)速皮帶秤代替沖板流量計，除能提高計量精度外，還有穩(wěn)定料流的作用。

國內(nèi)水泥行業(yè)引進預(yù)給料技術(shù)已有多年，但消化吸收預(yù)給料技術(shù)的水平參差不齊。在利用沖板流量計作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時，基本上沒有問題，但在利用調(diào)速皮帶秤作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時，則很容易產(chǎn)生問題。在近幾年的調(diào)試過程中，曾經(jīng)有3～4家水泥廠在預(yù)給料機與皮帶秤的組合上出現(xiàn)問題，自動閉環(huán)操作未能完全實現(xiàn)，筆者認為有些是在控制思路上出現(xiàn)了誤區(qū)。

2 皮帶秤的工作原理

皮帶秤有三種工作方式，第一種是利用皮帶秤作為直接給料設(shè)備，給料量是料重與帶速的乘積，根據(jù)設(shè)定值，皮帶秤自動調(diào)節(jié)帶速，以達到穩(wěn)定料流的目的，這也是在大多數(shù)情況下的做法；第二種是恒速使用，僅作為稱重計量設(shè)備；第三種是調(diào)速使用，用來控制帶面負荷并保持恒定，這種方式在水泥行業(yè)極少使用。皮帶秤的帶速越高，其精度也越差，在保證一定料層的前提下，帶速越低越好。當利用調(diào)速皮帶秤作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時，其控制方式要根據(jù)控制回路區(qū)別對待。

3 錯誤的控制案例及原因分析

湖南湘維水泥有限公司1200t/d熟料生產(chǎn)線采用電石渣代替部分鈣質(zhì)原料，在原料配料中采用了干排電石渣，干排電石渣流動性強，用常規(guī)給料方式鎖不住料，用粉體計量秤（如粉研秤）又投資過高，因此采用管式螺旋＋皮帶秤的預(yù)給料方式；配料用粘土水分較大，采用鏈板輸送機＋皮帶秤的預(yù)給料方式；入窯生料采用電動流量閥＋皮帶秤的預(yù)給料方式。

2009年5月，該廠進行調(diào)試，這三種預(yù)給料方式均出現(xiàn)了問題，主要表現(xiàn)是皮帶秤積料嚴重，容易壓死，之前在自行調(diào)試過程中，粘土庫下的鏈板輸送機已被廠方拆除。由于這三種預(yù)給料控制方式是一樣的，現(xiàn)僅對生料入窯做出說明。

生料入窯示意見圖1，在調(diào)試過程中，筆者觀察到：在中控加大投料量后，料層增厚，皮帶秤帶速卻降了下來，導(dǎo)致料層越來越厚，形成惡性循環(huán)，生料從裙邊處擠出，甚至頂開密封罩。根據(jù)這些現(xiàn)象，筆者認為其控制方式有問題。

舉例說明：當投料量（設(shè)定值）由30t/h逐步提高到70t/h時，流量閥開度加大，由于生料粉流動性好，難免沖料，料層瞬時增厚，皮帶秤自動降速，以達到設(shè)定值70t/h的要求。若流量閥實際通過量為75t/h，而皮帶秤只按設(shè)定值70t/h輸送生料，這樣多出來的生料將很快壓死皮帶秤，即使差值只有50kg，系統(tǒng)也維持不了幾個小時。流量閥的開度與皮帶秤顯示的流量（反饋值）形成閉環(huán)，造成系統(tǒng)“認為”此時流量閥的開度是正確的，并保持這個開度。但此時皮帶秤的流量是皮帶秤通過自身調(diào)整后的流量，并不能代表流量閥的流量，甚至在密封罩被壓實的情況下，皮帶秤的流量也不是自身真實流量的體現(xiàn)，因為計算機只“知道”流量是料重和帶速的乘積，卻不“知道”此時部分物料是不能及時排出秤外的。只有在料層較薄、物料不積滿的情況下，皮帶秤的流量才是流量閥真實流量（平均流量）的體現(xiàn)。

皮帶秤在預(yù)給料系統(tǒng)中的首要任務(wù)是“告知”系統(tǒng)上游設(shè)備真實的流量，而非秤體自身通過調(diào)整得到的流量，并及時將物料送走，如果沒有這個前提，皮帶秤的穩(wěn)流作用也就失去了意義。如果采用沖板流量計，其本身只有感知流量，并無調(diào)節(jié)流量的功能，但仍然能組成預(yù)給料系統(tǒng)。

對于控制程序而言，還要考慮到各種不利因素的影響，即系統(tǒng)抗干擾性能要強，因為物料在倉內(nèi)難免棚料，清堵后又難免沖料，中控操作也存在誤操作的可能性，系統(tǒng)可能因此而陷于癱瘓。

在圖1所示的控制系統(tǒng)圖中，如果增加一個控制單元，且不用皮帶秤流量的反饋值，而用帶面荷重（料層厚度）與流量閥的通過量（開度大小）形成閉環(huán)，用料層厚度去跟蹤流量閥開度，則可以保證料層的相對穩(wěn)定，雙回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料是可以實現(xiàn)的。

因修改程序由DCS承包商負責(zé)，需要時間，在這種情況下，廠方聽從筆者建議，將皮帶秤改為恒速運行，并保持較高的帶速，系統(tǒng)才得以持續(xù)運行，但這只是權(quán)宜之計。因控制程序缺陷，皮帶秤恒速運行時其反饋值與流量閥的閉環(huán)斷開，連單回路調(diào)節(jié)都無法實現(xiàn)，此時中控只能根據(jù)反饋值手動調(diào)節(jié)流量閥，且皮帶秤恒定高速運行，其誤差要比在低速運行條件下大。

4 以調(diào)速皮帶秤為稱量裝置的預(yù)給料控制技術(shù)的發(fā)展過程

4.1 采用料位開關(guān)的簡易預(yù)給料控制系統(tǒng)

前文中曾提到：只有在料層較薄、物料不積滿的情況下，皮帶秤的流量（反饋值）才是上游設(shè)備（電動流量閥、剛性葉輪等預(yù)給料設(shè)備）真實流量的體現(xiàn)，控制好料層厚度即是解決問題的關(guān)鍵。

北京水泥廠在粉煤灰的預(yù)給料中使用了膜片式料位開關(guān)[2]。膜片傳感來自于自由流動的干物料的壓力，該壓力導(dǎo)致開關(guān)動作從而控制卸料機械。對于粘濕物料，可用阻旋式料位開關(guān)代替膜片式料位開關(guān)?？刂圃硪妶D2。

最初狀態(tài)是皮帶秤上無料，料位開關(guān)使用常閉觸點，預(yù)給料機（剛性葉輪給料機）的電源被接通，剛性葉輪給料機開始下料。當秤體表面粉煤灰達到料位開關(guān)安裝高度時開關(guān)動作，剛性葉輪給料機失電，粉煤灰停止下料。皮帶秤連續(xù)喂料，秤面粉煤灰逐漸減少，料位下降，當料位低于安裝高度時，膜片式料位開關(guān)釋放，剛性葉輪給料機得電，粉煤灰恢復(fù)下料。周而復(fù)始，使秤面粉煤灰總能保持一定的儲量。

在采用料位開關(guān)的預(yù)給料系統(tǒng)中，料層控制回路與皮帶秤的定量給料回路相互獨立，皮帶秤的工作方式與直接給料時的工作方式基本相同：由荷重傳感器測得粉煤灰荷重信號，由測速傳感器測得皮帶秤速度信號，這兩個模擬量被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送到微處理器由軟件處理；荷重信號和速度信號做乘法運算得到粉煤灰實際流量，并與設(shè)定值進行比較，得到偏差信號并經(jīng)PID運算處理，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，用于調(diào)整皮帶速度，達到粉煤灰實際流量跟蹤設(shè)定值的目的。

這種控制方式也可以說是預(yù)給料的雛型。采用料位開關(guān)控制預(yù)給料機的開停，預(yù)給料機間歇工作，料層必然是波動的，喂料的穩(wěn)定性有待于提高。但它的優(yōu)點是控制簡單、投資小，推薦在改造項目中使用。

4.2 單回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料控制系統(tǒng)

這種方式通過皮帶負荷來控制預(yù)給料機的流量，控制原理見圖3。

皮帶秤恒速運行，計量系統(tǒng)測出通過皮帶的物料流量；控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與反饋值的差值，調(diào)節(jié)預(yù)給料機的速度，用來控制物料的流量并使之恒定?？刂品绞奖容^簡單，但有如下缺點：

（1）由于是單回路調(diào)節(jié)，皮帶秤恒速運行，預(yù)給料機的給料精度決定了整個系統(tǒng)的喂料精度，對預(yù)給料機的給料線性度和設(shè)備本身加工精度的要求都比較高。

（2）單回路調(diào)節(jié)方式需物料流量變化到稱重區(qū)才能顯現(xiàn)，因此控制明顯滯后。而且秤體越長、帶速越慢，滯后時間也越長，容易引起振蕩和超調(diào)。

（3）皮帶秤恒速運行時，一般不設(shè)測速或速度補償環(huán)節(jié)。但實際運行時，由于電網(wǎng)頻率、電壓和設(shè)備負荷變化，帶速并不能保持恒定，從而帶來不可忽略的誤差。如果電網(wǎng)頻率變化1Hz就可以造成2%的誤差[3]。

在生產(chǎn)過程中，即使預(yù)給料機的開度或速度保持不變，若倉壓、物料流動性、容重發(fā)生變化，皮帶秤上的料層也會隨之變化，若皮帶秤調(diào)速運行，形成雙回路調(diào)節(jié)，可及時調(diào)整喂料量，消除時滯。這需要增加一個控制回路，但其好處是顯而易見的。

4.3 雙回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料控制系統(tǒng)

隨著皮帶秤的引進、消化吸收和近年來控制理論的發(fā)展，雙回路閉環(huán)調(diào)節(jié)已經(jīng)日趨成熟，大冶有色金屬公司諾蘭達工程將之應(yīng)用于銅精礦的定量給料[4]，控制原理見圖4，控制過程如下：

通過測速傳感器和荷重傳感器，分別將預(yù)給料機的輸送速度信號、皮帶秤的輸送速度信號及物料的荷重信號傳送給微處理器進行計算、對比和分析。如果計算出的輸出量(實際流量)與預(yù)置標準量(給定值)出現(xiàn)偏差，微處理器經(jīng)過分析判斷后，自動發(fā)送一相應(yīng)的電信號給自動聯(lián)鎖裝置（控制器的處理單元），聯(lián)鎖裝置按預(yù)先設(shè)定的聯(lián)鎖條件將信號合理分配給預(yù)給料機和皮帶秤的變頻調(diào)速器，調(diào)整電機的運轉(zhuǎn)速度，最終使得輸出量(實際流量)等于預(yù)先設(shè)置的標準量(給定值)，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。

借助于軟件，微處理器如何進行分析判斷是控制系統(tǒng)的核心，國內(nèi)水泥行業(yè)在控制軟件方面也做出了自己的貢獻。皮帶秤在速度較高時也達不到流量設(shè)定值，說明料層薄了，可加大預(yù)給料機的給料量；皮帶秤在速度較低時也能達到流量設(shè)定值，說明料層厚了，要根據(jù)荷重判斷是否有堵秤的危險，如有則需減小預(yù)給料機的給料量，如沒有則保持。

在實際應(yīng)用中，可根據(jù)皮帶秤的量程，將喂料量按大小劃分，對應(yīng)某個喂料量，將其精度最高時的荷重與帶速數(shù)據(jù)設(shè)置成給定值，成組預(yù)置于系統(tǒng)中，喂料量一經(jīng)給定，荷重和帶速即給定。根據(jù)設(shè)定荷重與檢測荷重的差值來調(diào)節(jié)預(yù)給料機，根據(jù)設(shè)定流量與檢測流量的差值來調(diào)節(jié)皮帶秤，從而實現(xiàn)穩(wěn)定給料、精確計量。

傳統(tǒng)的調(diào)速皮帶秤流量偏小，限制了它在大型水泥生產(chǎn)線中的應(yīng)用，近年來，隨著大型調(diào)速皮帶秤的研制成功，這一缺點得到克服。

安徽皖維水泥有限公司6000t/d熟料生產(chǎn)線在入窯生料控制系統(tǒng)中，采用調(diào)速皮帶秤代替沖板流量計作為稱量裝置[5]。入窯生料皮帶秤的皮帶寬度為2200mm，秤體長度為8000mm，是目前國產(chǎn)最寬最大的皮帶秤，它與流量閥、截止閥、稱重倉以及控制儀表構(gòu)成入窯生料控制系統(tǒng)，控制上采用預(yù)置控制加前饋的自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)方式，它是雙回路調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)定流量預(yù)置閥門的輸出，實現(xiàn)初步預(yù)給料，再根據(jù)設(shè)定荷重與檢測荷重的差值來調(diào)節(jié)閥門，同時對閥門的調(diào)節(jié)加約束條件，保證皮帶秤上物料的負荷維持在設(shè)定的水平，實現(xiàn)穩(wěn)定給料。這僅是定性的粗調(diào)環(huán)節(jié)，因此對預(yù)給料機的線性度要求較為寬松。根據(jù)設(shè)定流量與檢測流量的差值來調(diào)節(jié)皮帶秤，這屬于精調(diào)環(huán)節(jié)，相對于沖板流量計，調(diào)速皮帶秤更容易達到相對較高的精度，若料層有變化，皮帶秤會自動調(diào)速，從而實現(xiàn)精確計量。該生產(chǎn)線生料正常用量大約在420t/h左右，系統(tǒng)應(yīng)用非常穩(wěn)定，波動僅在5‰以內(nèi)。

5 結(jié)語

調(diào)速皮帶秤可以在預(yù)給料系統(tǒng)中得到較好的應(yīng)用，其控制原理也有多種，設(shè)計人員可根據(jù)條件選擇使用。國內(nèi)某些文獻在介紹預(yù)給料系統(tǒng)的改造時，最后的結(jié)果往往是拆除預(yù)給料機，如果沒有預(yù)給料機，則不能稱之為預(yù)給料系統(tǒng)，預(yù)給料的優(yōu)點也就無從體現(xiàn)，所以在預(yù)給料系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，要多方面尋找原因，并將重點放在控制方案的選擇和優(yōu)化上。

在利用皮帶秤作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時，既可選擇恒速模式，也可選擇調(diào)速模式。選擇調(diào)速模式要優(yōu)于恒速模式，相應(yīng)地要在控制思路上做一些改變。在利用調(diào)速皮帶秤作為稱量裝置的雙回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料控制系統(tǒng)中，若倉壓、物料流動性、容重等因素發(fā)生變化，預(yù)給料系統(tǒng)做出的反應(yīng)更為快捷，可以做到真正意義上的自動控制和無人值守。

預(yù)給料技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，工藝設(shè)備和電氣自動化控制密不可分，軟件的控制思想是否先進、算法是否優(yōu)秀，對預(yù)給料系統(tǒng)的控制效果有顯著影響。

[1]王敬濤.水泥行業(yè)重量計量設(shè)備的原理與應(yīng)用[J].水泥技術(shù),2001,（2）:18-22.

[2]高恩忠.粉煤灰的計量與控制[J].水泥，2000，（1）:40-41.

[3]孫秉禮，夏如鐵.入窯生料粉給料計量系統(tǒng)的選型[J].水泥，2007，（1）:57-59.

[4]鄭彪.帶預(yù)給料的定量給料機的應(yīng)用[J].有色冶煉，1999（5）:40-42.

[5]李童玉，耿建華.TDG-DEM重型定量給料機的研制與應(yīng)用[C].水泥廠物料計量與定量給料技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集，2008.6:33-37.

TQ172.614.2

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1001-6171（2011）03-0040-04

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2010-11-16；編輯：呂光