整機(jī)型高精度電子皮帶秤的設(shè)計(jì)與改造

沈 忱

（秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，港口煤炭運(yùn)輸服務(wù)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，客戶對(duì)配煤作業(yè)的要求越來(lái)越高，對(duì)電子皮帶秤的精度要求越來(lái)越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的杠桿式及懸浮式皮帶秤對(duì)安裝的要求較高，日?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、校檢工作量大，管理比較困難。受現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行環(huán)境、氣候溫度等外界因素的影響，正常情況下實(shí)際運(yùn)行準(zhǔn)確度一般維持在2.0 級(jí)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳、故障頻發(fā)。為進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量，需在皮帶機(jī)上按照實(shí)際尺寸定制安裝一套可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求等整機(jī)型高精度電子皮帶秤。

1 存在問(wèn)題

皮帶秤的使用誤差除了皮帶秤本身的固有誤差外，還與其安裝的現(xiàn)場(chǎng)條件有關(guān)。電子皮帶秤的實(shí)際使用準(zhǔn)確度取決于皮帶秤安裝位置的選定、皮帶輸送機(jī)的狀況和安裝質(zhì)量。電子皮帶秤質(zhì)量再好，皮帶秤安裝位置選定錯(cuò)誤或不恰當(dāng)、皮帶輸送機(jī)的狀況差、安裝質(zhì)量低劣，電子皮帶秤的實(shí)際使用精確度仍然無(wú)法保證。因此要減少皮帶秤的使用誤差，關(guān)鍵是要把注意力放在技術(shù)改造，提高皮帶秤本身的精度上，同時(shí)還要注意現(xiàn)場(chǎng)條件。認(rèn)真分析皮帶秤自身因素、外界安裝環(huán)境和校驗(yàn)維護(hù)等多種影響皮帶秤準(zhǔn)確度的因素，通過(guò)技術(shù)手段有效避免干擾因素，找到提高皮帶秤實(shí)際使用準(zhǔn)確度的正確途徑，保證稱(chēng)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

電子皮帶秤出廠的標(biāo)稱(chēng)和實(shí)際使用準(zhǔn)確度是不同的。電子皮帶秤在標(biāo)定校準(zhǔn)時(shí)往往可達(dá)到較高精度，但在實(shí)際使用中，受外界運(yùn)行條件、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)管理、校準(zhǔn)工作的限制，皮帶秤張力、長(zhǎng)度、運(yùn)行速度、環(huán)境因素及人為因素影響，以及皮帶機(jī)振動(dòng)、傾角、皮帶均勻程度等因素的影響較大。導(dǎo)致大流量電子皮帶秤穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差，故障率高，同時(shí)維護(hù)、檢定工作量大。當(dāng)皮帶機(jī)物料流量≤20%時(shí)，誤差明顯增大。

2 改造方案

2.1 新型稱(chēng)重單元

在單組稱(chēng)重單元優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用特殊的秤體結(jié)構(gòu)，組成8 組稱(chēng)重單元（16 組托輥）的陣列式整體結(jié)構(gòu)，由一只稱(chēng)重傳感器單點(diǎn)支撐一個(gè)稱(chēng)重單元，區(qū)別于傳統(tǒng)的兩傳感器拉力支撐，大大減小了傳統(tǒng)皮帶秤傳感器之間受力不平衡的稱(chēng)體結(jié)構(gòu)問(wèn)題。單點(diǎn)式懸浮式稱(chēng)重單元如圖1 所示。

圖1 單點(diǎn)式懸浮式稱(chēng)重單元

單點(diǎn)式懸浮式稱(chēng)重結(jié)構(gòu)通常占地長(zhǎng)度17～21 m，如果現(xiàn)有能夠滿足最佳地理環(huán)境的皮帶機(jī)不滿足長(zhǎng)度要求，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際皮帶機(jī)長(zhǎng)度合理調(diào)整每組稱(chēng)重單元的托輥間距。新型稱(chēng)重結(jié)構(gòu)各單元利用相同載荷和皮帶張力，各稱(chēng)重單元因安裝位置不同導(dǎo)致皮帶張力影響不同，其獲得重量存在相應(yīng)差異；相鄰兩稱(chēng)重單元受皮帶張力影響的作用可相互抵消。物料通過(guò)整個(gè)陣列后，各單元獲得的重量值差異與皮帶張力影響有近似函數(shù)關(guān)系，可用于修正出入口單元張力影響的補(bǔ)償。經(jīng)補(bǔ)償后的出入口單元張力影響量可下降60%～80%。

2.2 新增溫度補(bǔ)償

由于港口皮帶秤使用現(xiàn)場(chǎng)的溫度季節(jié)變化很大，由溫度變化引入的誤差是造成皮帶秤準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性差的重要因素之一。從現(xiàn)有傳統(tǒng)皮帶秤運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出間隔值受季節(jié)影響非常明顯，原有的皮帶秤沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器，不能對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。實(shí)際使用時(shí)溫度變化所造成的誤差不容忽視，特別是傳感器靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)，對(duì)皮帶秤的性能指標(biāo)尤為關(guān)鍵。

高精度陣列式皮帶秤所配置的稱(chēng)重傳感器全部經(jīng)過(guò)48 h以上的帶載荷寬范圍溫度試驗(yàn)，經(jīng)補(bǔ)償?shù)膫鞲衅骺稍诟鞣N環(huán)境溫度下保持其準(zhǔn)確性。增加溫度傳感器，及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)輸入終端儀表，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行補(bǔ)償修正，提高了陣列式皮帶秤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)冬季室外運(yùn)行，與其他秤比對(duì)證明，陣列式皮帶秤未發(fā)現(xiàn)溫度漂移現(xiàn)象。

2.3 新型測(cè)速裝置

原有的傳統(tǒng)皮帶秤的測(cè)速方式是在滾筒上焊接測(cè)速鐵塊，旋轉(zhuǎn)時(shí)用接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)，通過(guò)計(jì)數(shù)計(jì)算皮帶速度。這種方式的缺點(diǎn)是測(cè)速支架容易銹蝕或外力導(dǎo)致變形，撞壞接近開(kāi)關(guān)，或者測(cè)速塊丟失造成速度錯(cuò)誤，測(cè)速準(zhǔn)確率低。

為保證測(cè)速穩(wěn)定，采用了新型的測(cè)速系統(tǒng)。采用上置式測(cè)速傳感器，光電脈沖式、雙邊滾輪，安裝于稱(chēng)量段上皮帶下表面。杠桿機(jī)械結(jié)構(gòu)緊密接觸皮帶，檢測(cè)計(jì)量段皮帶實(shí)際運(yùn)行速度，準(zhǔn)確率高。通過(guò)與皮帶接觸的摩擦輪將皮帶速度轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ凛喌霓D(zhuǎn)動(dòng)，并由內(nèi)部裝置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的速度信號(hào)。一對(duì)直徑300 mm 的摩擦輪與上部皮帶的下表面接觸，測(cè)速傳感器內(nèi)部有一個(gè)60 齒的碼盤(pán)和相應(yīng)光電裝置，每個(gè)齒通過(guò)光電頭，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。測(cè)速裝置安裝于接近稱(chēng)重單元的上部皮帶下表面，但距稱(chēng)重單元距離不少于三組托輥，消除了因皮帶打滑而造成的丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，能夠真實(shí)的反映皮帶的線速度。新型測(cè)速裝置如圖2 所示。

圖2 新型測(cè)速裝置

2.4 新型角度跟蹤補(bǔ)償裝置

取料機(jī)皮帶秤作業(yè)時(shí)受角度變化而導(dǎo)致誤差較大，常見(jiàn)誤差高達(dá)3%～5%。原有普通皮帶秤采用角度傳感器的修正方法，懸臂軸端裝角度傳感器，以測(cè)得角度作為秤架角度的變化值進(jìn)行修正。懸臂長(zhǎng)度有數(shù)十米，軸端所測(cè)角度的變化與秤體角度變化值相差較大，不能保證稱(chēng)重準(zhǔn)確度。在秤體附近裝角度傳感器無(wú)固定水平基準(zhǔn)面，使用重力式角度傳感器響應(yīng)速度慢、準(zhǔn)確度低、誤差較大。

新型的高精度移動(dòng)式陣列式皮帶秤的角度補(bǔ)償采用比較單元——三維姿態(tài)跟蹤裝置。采用先進(jìn)的軟件和數(shù)學(xué)模型，可以精確計(jì)算角度變化對(duì)稱(chēng)重的影響量并予以修正。可以對(duì)各種角度及各種流量下產(chǎn)生的皮帶張力變化進(jìn)行張力補(bǔ)償。對(duì)稱(chēng)重傳感器在垂直俯仰、左右側(cè)傾兩個(gè)方向上的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和修正補(bǔ)償，有效抑制角度變化引入的誤差，保持稱(chēng)重準(zhǔn)確度。

2.5 稱(chēng)重顯示控制器

采用可靠性極高的嵌入式工控機(jī)，7 英寸觸摸屏，全漢字圖形操作界面，具有便利的人機(jī)對(duì)話界面，操作簡(jiǎn)便、快捷，除了有瞬時(shí)流量、累計(jì)量計(jì)量與顯示、自動(dòng)校正零點(diǎn)、數(shù)據(jù)斷電保護(hù)、數(shù)據(jù)通信等常規(guī)儀表所具備的功能外，還增加了對(duì)提升港口皮帶秤性能非常關(guān)鍵的新功能：

（1）角度補(bǔ)償修正：對(duì)因角度變化影響補(bǔ)償修正。

（2）張力補(bǔ)償修正：對(duì)出入口單元張力影響補(bǔ)償修正。

（3）溫度補(bǔ)償修正：對(duì)傳感器因環(huán)境溫變化影響補(bǔ)償修正。

（4）皮帶效應(yīng)補(bǔ)償修正：對(duì)皮帶效應(yīng)影響補(bǔ)償修正。

（5）拉格朗日線性修正：對(duì)大小流量非線性影響修正。

（6）故障早期檢測(cè)、預(yù)警、故障單元自動(dòng)切除功能：實(shí)現(xiàn)傳感器異常早期診斷、報(bào)警。根據(jù)流量特性，相鄰傳感器輸出信號(hào)有一定的內(nèi)在關(guān)系，儀表檢測(cè)到某個(gè)傳感器信號(hào)不正常則儀表顯示界面會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，提示維護(hù)人員檢查處理。單元輸出信號(hào)超差自動(dòng)切除。儀表檢測(cè)到某個(gè)傳感器信號(hào)不正常，則除了儀表在顯示界面會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)內(nèi)部程序會(huì)自動(dòng)將該故障傳感器信號(hào)切除，不參與計(jì)量運(yùn)算。

2.6 遠(yuǎn)程專(zhuān)家診斷系統(tǒng)

將遠(yuǎn)程診斷引入皮帶秤管理，基于“物聯(lián)網(wǎng)”概念的遠(yuǎn)程專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶設(shè)備終端進(jìn)行無(wú)線遙測(cè)、遙訊、遙控。充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的診斷系統(tǒng)，對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行故障分析、預(yù)警、排除，有效解決了現(xiàn)場(chǎng)排查的瓶頸問(wèn)題。遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)送設(shè)備內(nèi)安裝有SIM 卡，可以實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，分析皮帶秤特性和誤差趨勢(shì)。

2.7 新的電子皮帶秤校驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

電子皮帶秤作為動(dòng)態(tài)連續(xù)自動(dòng)衡器，其實(shí)際使用效果與周期性的校準(zhǔn)有很大關(guān)系。經(jīng)過(guò)多次探討與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不斷改進(jìn)，確定高精度皮帶秤校秤方案。該方案的重大改進(jìn)有如下5 點(diǎn)：

（1）采用移動(dòng)式汽車(chē)衡作為標(biāo)準(zhǔn)器，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)汽車(chē)衡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。一致性校驗(yàn)和大量程校驗(yàn)，用實(shí)物對(duì)移動(dòng)汽車(chē)衡進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)、空載和重載實(shí)驗(yàn)。

（2）完成汽車(chē)衡標(biāo)定后，在皮帶秤實(shí)物校驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)留一輛滿載和一輛空車(chē)，將稱(chēng)量結(jié)果作為控制汽車(chē)衡重復(fù)性誤差的標(biāo)準(zhǔn)物。

（3）增加了掛碼裝置，對(duì)地面皮帶秤進(jìn)行皮帶秤模擬校驗(yàn)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物校驗(yàn)。汽車(chē)衡過(guò)衡后，在指定堆場(chǎng)堆3 堆煤，余煤每堆煤量符合根據(jù)JJG 195—2002《連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器（皮帶秤）檢定規(guī)程》中有關(guān)最小累計(jì)載荷的要求，根據(jù)皮帶機(jī)流量每垛約600 t。清攢垛規(guī)范，沿線禁止灑水、清煤，秤體保持清潔，正常工藝取煤經(jīng)皮帶秤計(jì)量，控制取料量平穩(wěn)，保證全程無(wú)灑落現(xiàn)象。

（5）首垛取料完成后進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定，記錄每垛取料完成的皮帶秤數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)更新改造后的整機(jī)型高精度皮帶秤進(jìn)行實(shí)物校驗(yàn)，汽車(chē)衡過(guò)衡數(shù)據(jù)減去垛底回空數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值，與皮帶秤計(jì)量數(shù)據(jù)比較，整機(jī)型高精度皮帶秤誤差保持穩(wěn)定在≤0.2%以內(nèi)。在之后的運(yùn)行作業(yè)里對(duì)整機(jī)型高精度皮帶秤未做任何調(diào)整，1 年后再次進(jìn)行實(shí)物校驗(yàn)，誤差仍保持在0.2%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了整機(jī)型高精度秤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且所需人工日常維護(hù)量很小。