電子皮帶秤計(jì)量準(zhǔn)確性方法研究與設(shè)計(jì)

顏 敏，鄧如勇，黃校春，李凌晨

(1.國家能源集團(tuán)諫壁發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.國家能源集團(tuán)江蘇電力有限公司，江蘇 南京 210000；3.上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200030)

0 引言

大宗散狀物料(煤炭、礦石等)的物流，較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方法大多以船舶為運(yùn)輸工具，裝、卸轉(zhuǎn)運(yùn)大多采用皮帶輸送機(jī)[1-5]；而散狀物料的準(zhǔn)確計(jì)量一直是個(gè)世界性難題。國際、國內(nèi)貿(mào)易中，船運(yùn)散狀貨物的計(jì)量通常采用“水尺計(jì)重”法，以此作為辦理進(jìn)出口商品交接、結(jié)算、計(jì)費(fèi)、通關(guān)、計(jì)稅、索賠、仲裁的憑證。但水尺受外界影響的因素很多，所以偏差控制一直是一個(gè)難以解決的問題。

經(jīng)過多年的科研攻關(guān)和發(fā)展，電子皮帶秤作為皮帶輸送的散狀物料計(jì)量裝置，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是高精度陣列式電子皮帶秤的出現(xiàn)，使其應(yīng)用的認(rèn)可度大幅提升。但由于電子皮帶秤是計(jì)量運(yùn)行中皮帶上的動態(tài)物料，在動態(tài)的計(jì)量過程中難免會出現(xiàn)偏差，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正偏差是保證計(jì)量秤計(jì)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在燃料智能化的建設(shè)過程中，根據(jù)本單位幾十年使用電子秤的積累，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選用了陣列式電子皮帶秤，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種陣列式皮帶秤實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大地提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性，能實(shí)時(shí)、直觀地反映計(jì)量偏差及偏差趨勢情況，能將計(jì)量偏差的事后分析前移為過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為提高散狀物料計(jì)量準(zhǔn)確性提供了新的思路。

1 皮帶秤原理及產(chǎn)生誤差原因

電子皮帶秤稱重橋架安裝于輸送機(jī)機(jī)架上，當(dāng)物料經(jīng)過稱重橋架時(shí)，計(jì)量托輥檢測到皮帶機(jī)上的物料質(zhì)量通過杠桿作用于稱重傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于皮帶載荷的電壓信號。同時(shí)，測速傳感器檢測的皮帶輸送機(jī)速度信號也送入稱重儀表，儀表將速度信號與稱重信號進(jìn)行積分處理，得到瞬時(shí)流量及累計(jì)量。

影響皮帶秤的誤差原因很多，主要原因有以下幾種。

一是電子皮帶秤本身的原因。電子皮帶秤系統(tǒng)引起使用誤差的主要原因有溫度變化、帶速變化、荷重變動、電子皮帶秤秤體的振動及外界干擾。

二是因皮帶機(jī)引起的使用誤差，主要包括皮帶機(jī)托輥跳動，皮帶的剛性、厚度、形狀、材料的影響，皮帶的安裝質(zhì)量，拉緊裝置對皮帶張力的影響。

三是環(huán)境原因引起皮帶秤使用誤差，主要包括溫濕度的影響，磁場、振動的影響。

四是皮帶秤現(xiàn)場安裝及日常使用維護(hù)引起的電子皮帶秤使用誤差，主要是安裝人員技術(shù)水平有限，安裝質(zhì)量及調(diào)試沒有達(dá)到使用要求，安裝位置設(shè)計(jì)不合理，校準(zhǔn)過程中操作出現(xiàn)失誤。

2 提高皮帶秤準(zhǔn)確性的方法

2.1 電子皮帶秤的選型

電子皮帶秤經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成多個(gè)系列和型號的產(chǎn)品，如何選用適合的電子皮帶秤對提高計(jì)量準(zhǔn)確性十分重要。近年來發(fā)展起來的陣列式電子皮帶秤在準(zhǔn)確性上有著很大的突破，主要體現(xiàn)在理論研究上，如建立了最新的內(nèi)力理論和皮帶效應(yīng)理論。

陣列式皮帶秤內(nèi)力理論。對一個(gè)單獨(dú)的稱重單元來說，其皮帶張力的影響和傳統(tǒng)皮帶秤裝態(tài)相同；在一個(gè)連續(xù)安裝的稱重陣列中，相鄰單元的皮帶張力影響相互抵消。即一個(gè)連續(xù)安裝的稱重陣列內(nèi)部皮帶張力影響力成為一種“內(nèi)力”，對稱重的影響為零，皮帶張力的影響僅限于陣列的出、入口處的單元。

陣列式皮帶秤皮帶效應(yīng)理論。 “皮帶效應(yīng)”是指皮帶的硬度、弱性等物理特性對稱重產(chǎn)生的效應(yīng)。在皮帶張力的作用下，槽形皮帶呈半剛性狀，當(dāng)支承點(diǎn)高度不在一個(gè)準(zhǔn)直面時(shí)，皮帶沿運(yùn)行方向會產(chǎn)生波浪、 其對稱重產(chǎn)生的影響稱之為“皮帶效應(yīng)”。“皮帶效應(yīng)”的影響隨皮帶的硬度、物料的流量、環(huán)境的流量、環(huán)境的溫度等因素的變化而變化。陣列式皮帶秤通過檢測、分析各單元采樣值，建立一個(gè)“皮帶效應(yīng)”影響的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行補(bǔ)償修正。

基于以上理論，陣列式電子皮帶秤的準(zhǔn)確性在原有國家標(biāo)準(zhǔn)的最高精度基礎(chǔ)上又有了較大提高，可以達(dá)到相當(dāng)于0.25級的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，從選型方面考慮，應(yīng)首選陣列式電子皮帶秤。

2.2 陣列式皮帶秤結(jié)構(gòu)

在“內(nèi)力理論”指導(dǎo)下，稱重單元整體結(jié)構(gòu)十分獨(dú)特，采用的單點(diǎn)懸浮式稱重單元如圖1所示。使用一只特制的稱重傳感器為單點(diǎn)支承，采用特殊的秤體結(jié)構(gòu)，安裝兩組或多稱重托輥組成一個(gè)獨(dú)立的稱重單元，將一組(2～8只或更多)秤重單元采用連續(xù)安裝的方式，組成一個(gè)稱重陣列。皮帶秤采用獨(dú)特的高抗彎性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡便、質(zhì)量輕，現(xiàn)場安裝快捷、方便。傳感器具有抗水平力、偏載等多項(xiàng)優(yōu)異性能指標(biāo)，與陣列式的專利結(jié)構(gòu)結(jié)合，整體性能大大提升，對提高皮帶秤的長期穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。

圖1 單點(diǎn)懸浮式稱重單元

2.3 陣列式皮帶秤特點(diǎn)

陣列式皮帶秤具有以下特點(diǎn)[6-10]。

①陣列式皮帶秤因其特定稱重單元多組串聯(lián)布置組成，通過對陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以消除皮帶張力的影響，大幅提高皮帶秤稱重精度。

②單點(diǎn)懸浮稱重平臺是一只稱重傳感器支承兩組以上的稱重托輥，結(jié)構(gòu)巧妙、稱重精度高、穩(wěn)定性好，免日常維護(hù)。

③工字型單點(diǎn)稱重傳感器是一種單點(diǎn)懸浮稱重平臺專用傳感器，結(jié)構(gòu)獨(dú)特且具有稱重精度高、抗水平力干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.3 陣列式皮帶秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)

電子皮帶秤在動態(tài)計(jì)量過程中難免會出現(xiàn)偏差，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)、糾正偏差是保證計(jì)量秤計(jì)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對此開發(fā)了雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，將電子秤計(jì)量誤差的事后分析轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程實(shí)時(shí)比對監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了異常防范的關(guān)口前移，使普通值班監(jiān)控人員就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電子皮帶秤發(fā)生偏差的現(xiàn)象，從而采取措施，阻止和中斷計(jì)量偏差的發(fā)生。

雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的方法及原理如下。

在緊鄰的同一段區(qū)段內(nèi)串聯(lián)安裝兩臺同規(guī)格、同參數(shù)、同廠家的陣列式電子皮帶秤。每臺電子皮帶秤由八組單點(diǎn)懸浮式稱重單元構(gòu)成。兩臺電子皮帶秤一臺為計(jì)量秤、一臺為監(jiān)視秤，前后相鄰安裝，同時(shí)計(jì)量。理論上，兩臺秤在同一時(shí)間段內(nèi)計(jì)量的數(shù)據(jù)完全一致。

雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集兩臺電子皮帶秤瞬時(shí)值、累計(jì)值，并加以應(yīng)用，建立比對數(shù)學(xué)模型。通過計(jì)算兩臺秤的累計(jì)值偏差、累計(jì)值偏差率，設(shè)置允許偏差范圍，形成雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)雙秤累計(jì)值偏差超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出丙類聲光報(bào)警；當(dāng)雙秤累計(jì)值偏差率超過設(shè)定誤差率時(shí)，發(fā)出乙類聲光報(bào)警；當(dāng)雙秤累計(jì)值偏差、累計(jì)值偏差率都超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出甲類聲光報(bào)警。所有實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程接入值班人員工作計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電子皮帶秤運(yùn)行情況，值班人員根據(jù)聲光報(bào)警類型進(jìn)行必要的處理，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量過程的實(shí)時(shí)管控。同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示雙秤實(shí)時(shí)比對情況，通過圖表等形式，簡明、扼要地實(shí)時(shí)顯示誤差值、誤差率、誤差控制范圍，超差實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，多方式反映電子皮帶秤運(yùn)行情況。

3 跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用

實(shí)時(shí)采集的兩臺電子皮帶秤瞬時(shí)值、累計(jì)值時(shí)，雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理，轉(zhuǎn)化形成直觀的圖表等形式，實(shí)時(shí)顯示雙秤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)列表、雙秤歷史數(shù)據(jù)曲線、雙秤偏差率曲線、雙秤誤差報(bào)警圖表。通過記錄下來的曲線跟蹤系統(tǒng)，可以方便地追蹤電子皮帶秤全過程運(yùn)行情況，能準(zhǔn)確定位電子皮帶秤雙秤偏差值、偏差率最大的時(shí)間點(diǎn)。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場全方位的視屏監(jiān)控系統(tǒng)，能分析當(dāng)時(shí)電子皮帶秤及帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況，準(zhǔn)確找出電子皮帶秤雙秤偏差值、偏差率及其發(fā)生的原因，為日后電子皮帶秤準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行提供持續(xù)改進(jìn)措施。

雙秤歷史數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，雙秤偏差曲線如圖3所示。

圖2 雙秤歷史數(shù)據(jù)曲線

圖3 雙秤偏差率曲線

4 跟蹤系統(tǒng)取得的成效

雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，將電子秤計(jì)量誤差的事后分析轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程實(shí)時(shí)比對監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了異常防范的關(guān)口前移。同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示雙秤實(shí)時(shí)比對情況，通過圖表等形式簡明、扼要地實(shí)時(shí)顯示誤差值、誤差率、誤差控制范圍，超差實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，確保電子皮帶秤運(yùn)行中發(fā)生偏差時(shí)能第一時(shí)間報(bào)警提醒。

因電子皮帶秤的雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、報(bào)警電子秤異常情況，能第一時(shí)間進(jìn)行異常處理，使皮帶機(jī)煤炭計(jì)量的準(zhǔn)確性有了整體提升，同時(shí)提升了電子皮帶秤計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。

陣列式皮帶秤雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)在某電廠卸煤碼頭上應(yīng)用后，取得了非常顯著的效果。根據(jù)連續(xù)六個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，共接卸了66條5萬噸級海輪，計(jì)227萬噸，將誤差率由原來的0.75%降低至0.5%，大部分控制在0.25%范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

陣列式皮帶秤雙秤實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)對所采集兩臺陣列式電子皮帶秤數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理，轉(zhuǎn)化形成直觀的圖表等形式，自動生成簡明扼要的雙秤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)列表、雙秤歷史數(shù)據(jù)曲線、雙秤偏差率曲線、雙秤誤差報(bào)警圖表等。通過曲線跟蹤系統(tǒng)，可以方便地追蹤電子皮帶秤全過程運(yùn)行情況，能準(zhǔn)確定位電子皮帶秤雙秤偏差值、偏差率最大的時(shí)間點(diǎn)；同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場全方位的視屏監(jiān)控系統(tǒng)，能分析出當(dāng)時(shí)電子皮帶秤及帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況，準(zhǔn)確找到電子皮帶秤雙秤偏差值、偏差率發(fā)生的原因，為日后電子皮帶秤準(zhǔn)確可靠運(yùn)行提供持續(xù)改進(jìn)措施。因此，陣列式電子皮帶秤+實(shí)時(shí)比對跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，對提高電子皮帶秤準(zhǔn)確性具有十分積極的意義。