散裝水泥中轉(zhuǎn)站動靜交互計(jì)量秤

袁錫康 張學(xué)東 湯強(qiáng)慶

（杭州奧拓機(jī)電股份有限公司，浙江 杭州 311107）

近年來，散裝水泥行業(yè)的快速發(fā)展為散裝水泥中轉(zhuǎn)站的布點(diǎn)與建設(shè)提供了難得的機(jī)遇?！豆I(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)〈首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2019年版）〉的通告》（工信部裝函〔2019〕428號）要求，卸船與裝船能力分別是35 000t/h、20 000t/h（詳見該通告附件4.13.5 高效智能環(huán)保散料儲運(yùn)成套系統(tǒng)）。而傳統(tǒng)的水尺計(jì)重方式一直困擾著廣大經(jīng)營者，急需研制一種流量大、穩(wěn)定可靠、造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)、能滿足貿(mào)易結(jié)算計(jì)量要求的在線稱重設(shè)備，以便能在卸船后進(jìn)入儲庫之前或出庫后裝船之前即時(shí)掌握精準(zhǔn)的輸送流量和裝載量。集進(jìn)港、出港計(jì)量功能于一身的一體化計(jì)量秤——動靜交互計(jì)量秤面世，為買賣雙方提供了可靠的結(jié)算依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由失重計(jì)量倉、稱重傳感器、手動/自動標(biāo)定裝置、標(biāo)定砝碼、稱重儀表、工控機(jī)主體設(shè)備組成，由喂料、卸料、除塵等輔助設(shè)備配合工作（見圖1）。

從圖1可以看出，整個系統(tǒng)以失重計(jì)量倉為核心，配置各類機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備，使該系統(tǒng)既能適應(yīng)進(jìn)港船舶卸載貨物的計(jì)量，又能適應(yīng)出港船舶裝載貨物的計(jì)量，因而屬于一機(jī)多用型，能滿足貿(mào)易結(jié)算計(jì)量要求。

圖1 系統(tǒng)組成

2 設(shè)備介紹

2.1 工作原理與操作方法

2.1.1 工作原理

動靜交互計(jì)量秤是由兩臺及以上失重計(jì)量倉、進(jìn)料和出料設(shè)備和控制系統(tǒng)組成，按一定程序，向各失重計(jì)量倉倉體交替給料、計(jì)重后交替出料的稱重設(shè)備。特別適合水泥、粉煤灰、礦粉等粉狀物料的計(jì)量，也可用于顆粒狀物料如大豆、玉米等糧食和鉀肥、尿素等化肥的計(jì)量。系統(tǒng)計(jì)量原理詳見圖2。

圖2 系統(tǒng)計(jì)量原理

2.1.2 操作方法

①通過喂料設(shè)備C1或C2、閥門D1-1或D2-1將物料喂入帶重量傳感器模塊組G1的A#計(jì)量倉中，當(dāng)倉內(nèi)物料重量到達(dá)預(yù)設(shè)定值時(shí)，所喂物料通過閥門D1-2或D2-2……依次切換至B#、C#……失重計(jì)量倉中。②A#計(jì)量倉在預(yù)設(shè)的延時(shí)時(shí)間段內(nèi)重量傳感器信號穩(wěn)定后，系統(tǒng)即時(shí)記錄稱重?cái)?shù)據(jù)S1，開啟倉底閥門E1、開啟流量可調(diào)的卸料設(shè)備F1卸料。③待物料卸空、重量傳感器信號穩(wěn)定并關(guān)閉倉底閥門E1時(shí)，系統(tǒng)即時(shí)記錄數(shù)據(jù)S’，A#計(jì)量倉進(jìn)入空倉待機(jī)狀態(tài)。④系統(tǒng)前后記錄的A#計(jì)量倉稱重?cái)?shù)據(jù)差（S’?S1）即為A#計(jì)量倉本次的通過量T1。當(dāng)然，在本次喂料之前A#計(jì)量倉內(nèi)可能已有一定的物料量，或者最后并未卸空A#計(jì)量倉內(nèi)的物料，但這并不影響計(jì)量結(jié)果，因?yàn)閷?shí)際通過量T1指的是系統(tǒng)前后記錄的A#計(jì)量倉的重量差。按上述方法依次計(jì)算其他失重計(jì)量倉的重量差和循環(huán)后的重量差，并通過累計(jì)數(shù)據(jù)，可求得某一時(shí)段內(nèi)動靜交互計(jì)量秤系統(tǒng)的總通過量。

上述流量可調(diào)的卸料設(shè)備F1，如電動執(zhí)行器等，其開度和后端設(shè)備可作PID調(diào)節(jié)控制。例如，失重計(jì)量倉后端設(shè)備是入庫提升機(jī)，當(dāng)提升機(jī)電流增加時(shí)，執(zhí)行器的開度自動減小；當(dāng)電流過低時(shí)，執(zhí)行器的開度可自動增大，從而使物料出倉更穩(wěn)定，防止后端設(shè)備因負(fù)載過大而跳停等。

通過動靜交互計(jì)量秤的計(jì)量原理與操作方法可以看出，它不受秤體和喂料或卸料機(jī)械變化的影響，只需計(jì)算前后重量差值即可。因此，與傳統(tǒng)動態(tài)計(jì)量手段相比，計(jì)量精度高，能滿足貿(mào)易結(jié)算計(jì)量要求。

動靜交互計(jì)量秤還可以加掛模塊對秤體進(jìn)行不間斷的重量信號的采集，計(jì)算出單位時(shí)間重量變化比率作為瞬時(shí)流量，通過加掛模塊內(nèi)部算法進(jìn)行目標(biāo)流量對比與控制運(yùn)算，進(jìn)一步輸出調(diào)節(jié)信號去控制執(zhí)行器，從而穩(wěn)定調(diào)整設(shè)備的喂料流量和卸料流量，使該系統(tǒng)成為動態(tài)連續(xù)進(jìn)料、基本連續(xù)出料的看似動態(tài)計(jì)量系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備選型

2.2.1 失重計(jì)量倉

失重計(jì)量倉數(shù)量和倉體容量依據(jù)中轉(zhuǎn)站規(guī)模、卸船與裝船流量、船舶載重量、切換輔助時(shí)間及后續(xù)發(fā)展可能來確定，一般失重計(jì)量倉單倉容量20～ 200t（并滿足不大于進(jìn)港船舶載重量的5%的要求），倉體數(shù)量為2～ 4座，每座倉每小時(shí)切換次數(shù)2～ 12次，輔助時(shí)間考慮10%～ 20%或經(jīng)精準(zhǔn)計(jì)算確定；另倉底最大卸料能力應(yīng)不小于卸船機(jī)額定卸船能力的120%，且應(yīng)不大于裝船機(jī)額定裝船能力的110%，流量為連續(xù)可調(diào)型。

例：已知設(shè)計(jì)額定卸船能力3 000t/h、設(shè)計(jì)額定裝船能力4 000t/h，試設(shè)計(jì)計(jì)算失重計(jì)量倉倉容、數(shù)量及最大卸料能力。

解：考慮到整個中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠且簡捷流暢，初定失重計(jì)量倉數(shù)量3座、每小時(shí)切換6次，則倉體容量至少為3 000t/h×1.2÷（6次/h×3座）=200t/座，倉底卸料能力區(qū)間為：≥3600t/h（3 000t/h×1.2）～ ≤ 4 400t/h（4 000t/h×1.1），最終可視具體項(xiàng)目的裝船系統(tǒng)或進(jìn)庫輸送系統(tǒng)的綜合因素決定倉底卸料能力參數(shù)。

倉體結(jié)構(gòu)：①因倉體懸浮于傳感器上，故倉體需有足夠的強(qiáng)度和剛度。②倉體基本形狀以圓形為佳，一般考慮上部為圓柱形、下部為倒尖錐形，傾角不小于55°，以便卸空物料，詳見圖3-a。③當(dāng)高度有限制要求時(shí)，下部可采用倒錐臺形，出料錐底滿布充氣槽，詳見圖3-b。④倉體支撐部位宜設(shè)置在倉體重心上部，傳感器受力支點(diǎn)宜做成環(huán)梁結(jié)構(gòu)，盡量減少倉體與受力點(diǎn)的彈性變形。

圖3 倉體形狀

失重計(jì)量倉基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)：盡量采用混凝土結(jié)構(gòu)作為失重計(jì)量倉的基礎(chǔ)支撐，以消除震動、變形對計(jì)量精度的影響；若采用鋼結(jié)構(gòu)，則應(yīng)在控制上采取消除震動影響的處理。控制系統(tǒng)讀取失重計(jì)量倉上傳感器的AD碼，采樣多次AD值進(jìn)行比較，如果之間的差值小于設(shè)定的穩(wěn)定值，判斷該失重計(jì)量倉已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 喂料設(shè)備、出料設(shè)備

喂料設(shè)備、出料（卸料）設(shè)備可采用螺旋輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、提升機(jī)、空氣輸送斜槽等常規(guī)設(shè)備，輸送能力應(yīng)與卸船機(jī)、裝船機(jī)能力相匹配，詳見2.2.1。

2.2.3 除塵設(shè)備

失重計(jì)量倉倉體在進(jìn)出物料過程中要進(jìn)行呼吸運(yùn)動，物料喂入時(shí)也會因落差和沖擊而產(chǎn)生揚(yáng)塵，因此，需配置除塵設(shè)備。方法有兩種：（1）無灰斗型除塵器直接安裝在失重計(jì)量倉倉體頂板上。（2）除塵器不安裝在失重計(jì)量倉倉體上，收塵風(fēng)管和回灰管與失重計(jì)量倉倉體采用軟連接。

處理風(fēng)量：應(yīng)充分考慮喂料設(shè)備的類型、密封程度、最大瞬時(shí)流量（以體積計(jì)）、物料性質(zhì)、排放要求等綜合選取。對于水泥、粉煤灰、礦粉等粉狀物料，其處理風(fēng)量、負(fù)壓值（指失重計(jì)量倉倉頂內(nèi)外部之間的壓差，以產(chǎn)生微負(fù)壓使粉塵不外逸為佳）詳見表1。

表1 除塵設(shè)備選型技術(shù)參數(shù)表（建議值）

2.3 系統(tǒng)設(shè)備特點(diǎn)

（1）適用范圍廣。干燥、松散、無毒、無害的干散物料（粉料或顆粒料）均可適用。

（2）在線連續(xù)計(jì)量。對進(jìn)港或出港貨物均適用，對喂料流量無穩(wěn)定性要求。

（3）工藝靈活、簡潔流暢。一套設(shè)備即可完成三種工藝流程的計(jì)量，即：卸船—計(jì)量—進(jìn)庫；卸船—計(jì)量—裝船；出庫—計(jì)量—裝船。

（4）靜態(tài)計(jì)量，精度高、卸空率高。倒尖錐形能完全卸空；帶充氣槽倒錐臺型雖不能完全卸空，但剩料量穩(wěn)定，且特殊的計(jì)量原理對計(jì)量精度無影響。

（5）密閉性好。物料計(jì)量在密閉的鋼質(zhì)筒倉內(nèi)實(shí)施，無泄漏、無粉塵污染。

（6）流量區(qū)間范圍大?？筛鶕?jù)裝船、卸船主機(jī)的技術(shù)參數(shù)，選擇相應(yīng)規(guī)格的動靜交互計(jì)量秤。

（7）閥體密封性好、可靠性高。特殊的密封結(jié)構(gòu)，確保無泄漏，且能適應(yīng)頻繁啟閉的需要。

（8）智能感知設(shè)備全。配有各類智能化檢測、傳感設(shè)備，為系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行提供可靠的檢測、體檢信息。

（9）即時(shí)上傳數(shù)據(jù)、打印單據(jù)。該打印的單據(jù)中有船號、卸貨品種、發(fā)貨單位、發(fā)貨地址、實(shí)發(fā)重量、時(shí)間、操作員等相關(guān)信息。

（10）可與工廠控制系統(tǒng)兼容，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維。系統(tǒng)采用PLC控制器，集成了PROFINET接口，除了具有PROFINET總線通訊功能外，還可用于標(biāo)準(zhǔn)的TCP通訊。通過組態(tài)TCP連接或使用開放式通訊專用模塊與其他設(shè)備建立TCP連接，以實(shí)現(xiàn)通信與遠(yuǎn)程運(yùn)維。

（11）稱重速度快。稱重芯片，每秒最高2 000次采集速度；混合型稱重主機(jī)，直接集成了開關(guān)輸入輸出和稱重通道，簡單方便；稱重直接與重量傳感器連接，不需要變送器轉(zhuǎn)接。本系統(tǒng)采用高精度工業(yè)控制稱重控制器，稱重信號通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232/RS485串口聯(lián)網(wǎng)傳輸至控制系統(tǒng)，以保證稱重信號的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

2.4 計(jì)量標(biāo)定裝置

為了實(shí)現(xiàn)貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量要求，需要對失重計(jì)量倉進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)砝碼的靜態(tài)標(biāo)定及校驗(yàn)，因此，在失重計(jì)量倉的下部設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)砝碼的安放位置和砝碼提升裝置，以便于校秤過程中砝碼加載/卸載，詳見圖4。

圖4 計(jì)量標(biāo)定裝置

根據(jù)每座失重計(jì)量倉的最大稱量量程，按檢定規(guī)程要求，檢定砝碼至少應(yīng)超過其有效量程的20%，以200t容量的失重計(jì)量倉為例，砝碼的總重量不得少于40t。

為此，配置便于砝碼加載/卸載的提升裝置。采用電動葫蘆作為砝碼的提升裝置，并在裝置旁配置升降控制按鈕；提升裝置的下部是砝碼掛架，掛架設(shè)置3組，且應(yīng)有容納砝碼的足夠空間和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

砝碼可設(shè)置為永久固定式，或通過裝載機(jī)或叉車進(jìn)行多失重計(jì)量倉之間的移動搬運(yùn)。

另一種標(biāo)定方式就是我們常用的實(shí)物標(biāo)定。該失重計(jì)量倉裝的物料均為水泥等粉料，根據(jù)粉料的這一特性，可利用水泥散裝罐車來標(biāo)定。即在失重計(jì)量倉進(jìn)料端制作一根進(jìn)料管，引至地面，用于散裝罐車上的卸料管道對接。先將散裝車裝好粉料并過地磅得出重量t1，然后使用失重計(jì)量倉上的進(jìn)料管將車內(nèi)的粉料打入失重計(jì)量倉內(nèi)，散裝車再次過磅，得出重量t2。此時(shí)，t1-t2=t3，可計(jì)算出失重計(jì)量倉內(nèi)物料的實(shí)際重量t3，有了t3值，就可以輕松完成對失重計(jì)量倉的標(biāo)定。平時(shí)對失重計(jì)量倉的校準(zhǔn)、維護(hù)都可以采用此方法。

3 控制系統(tǒng)介紹

3.1 控制系統(tǒng)組成

動靜交互計(jì)量秤控制系統(tǒng)組成詳見圖5。

圖5 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)畫面詳見圖6。

圖6 控制系統(tǒng)畫面

控制系統(tǒng)主要由電控柜、模塊、稱重儀表、工控機(jī)、動力電纜、控制電纜等組成。

（1）采用高精度稱重傳感器及控制儀，采取重量反饋流量控制的方式。

（2）通過往復(fù)切換進(jìn)料/卸料方式對物料實(shí)現(xiàn)均勻連續(xù)地精確喂料。

（3）失重計(jì)量倉倉體上、下連接裝置均為軟連接，以保證不受外力干擾。

（4）采用工業(yè)PLC控制器，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

（5）系統(tǒng)畫面簡潔易懂，檢修、效驗(yàn)、零點(diǎn)標(biāo)定、系統(tǒng)設(shè)定等功能操作方便。

（6）系統(tǒng)畫面具有“手動/自動”“暫?！蹦Ｊ?，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的工況進(jìn)行切換，同時(shí)，具有現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制功能。

（7）具有料位自由上限設(shè)置、料位自由下限設(shè)置、料位報(bào)警及料位控制輸出功能。

（8）機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，喂料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，計(jì)量精度高、給料穩(wěn)定、測量范圍廣。

（9）結(jié)構(gòu)緊湊、低維護(hù)、故障率極低、操作使用方便。

（10）通過PROFINET現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)多臺計(jì)量秤聯(lián)網(wǎng)協(xié)作控制的功能，提高了稱重效率。

3.2 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）計(jì)量精度高（能滿足貿(mào)易結(jié)算計(jì)量要求）、全自動化運(yùn)行、不間斷連續(xù)運(yùn)行。

（2）能生成日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、發(fā)貨單。便于查詢、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

（3）利用PLC，使動靜交互計(jì)量秤很容易融入整個工藝的控制系統(tǒng)中，由于PLC的通用性，大大降低了維護(hù)成本，節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，也便于根據(jù)工藝要求做二次開發(fā)。

3.3 系統(tǒng)操作

數(shù)據(jù)可上傳，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，并與管理部門共享數(shù)據(jù)。

工作過程：失重計(jì)量倉內(nèi)物料的重量通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換成電信號輸送給稱量儀表，稱量儀表將稱重?cái)?shù)據(jù)傳入PLC控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)計(jì)算出的當(dāng)前物料重量與預(yù)先設(shè)定的重量進(jìn)行比較和判別，以控制進(jìn)料閥門與出料閥門間斷地向失重計(jì)量倉內(nèi)喂料。同時(shí)，控制系統(tǒng)計(jì)算出的實(shí)際給料速率 （排料流量） 與預(yù)先設(shè)定的給料速率相比較，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)對出料裝置進(jìn)行控制，使實(shí)際給料速率準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值，以滿足生產(chǎn)工藝要求。當(dāng)卸料閥門開啟進(jìn)行排料作業(yè)時(shí)，控制信號鎖定給料速率，進(jìn)行排料，控制系統(tǒng)中顯示實(shí)際給料速率和排出物料的累計(jì)重量。

4 注意事項(xiàng)

4.1 設(shè)備選型注意事項(xiàng)

（1）注意失重計(jì)量倉進(jìn)、出料口的連接方式。應(yīng)采用不透氣的軟連接，加強(qiáng)密封和防塵。

（2）應(yīng)消除震動對計(jì)量精度的影響。

（3）適度掌握電氣控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，最低限度地消除對計(jì)量精度的影響。

（4）稱重計(jì)量控制系統(tǒng)應(yīng)與生產(chǎn)線控制系統(tǒng)良好對接。

（5）對失重計(jì)量倉傳感器的選型，應(yīng)根據(jù)倉體的設(shè)計(jì)容量合理選擇。

（6）失重計(jì)量倉的稱重信號布線時(shí)，應(yīng)與強(qiáng)電信號隔離，以免產(chǎn)生電磁干擾。

4.2 設(shè)備操作維護(hù)注意事項(xiàng)

（1）經(jīng)常檢查失重計(jì)量倉是否與周邊有擦碰、卡住現(xiàn)象，以免影響計(jì)量精度。

（2）定期對失重計(jì)量倉進(jìn)行標(biāo)定、校準(zhǔn)。

（3）對控制系統(tǒng)出現(xiàn)的報(bào)警和故障，應(yīng)及時(shí)查明原因并消除。

5 結(jié)語

自2013年始，本系統(tǒng)在多個項(xiàng)目中得到應(yīng)用驗(yàn)證，效果良好，下一步將持續(xù)進(jìn)行技術(shù)升級，期望能給散裝水泥中轉(zhuǎn)站行業(yè)帶來一場技術(shù)革命。