復(fù)合肥裝置配料秤誤差分析及選型探討

胡彥文，祁維軍，曹文強(qiáng)，楊一仁

(青海云天化國(guó)際化肥有限公司，青海 西寧 811600)

0 引 言

青海云天化國(guó)際化肥有限公司(簡(jiǎn)稱青海云天化)有4套復(fù)合肥裝置，總產(chǎn)能400 kt/a的一期高塔復(fù)合肥裝置+二期高塔復(fù)合肥裝置于2010年投產(chǎn)，200 kt/a轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置(亦稱多功能復(fù)合肥裝置)于2013年投產(chǎn)，30 kt/a水溶肥裝置于2017年投產(chǎn)。青海云天化復(fù)合肥裝置生產(chǎn)中，原料均通過(guò)配料秤進(jìn)行添加，原始設(shè)計(jì)配料秤型號(hào)均為DEL0620T4/650×2000，變頻器ACS/2.2kW，傳感器Z6FDI 50KG C3，稱重控制器ICS-DT-6，配料秤量程3～15 t/h、精度±0.5%，原料添加量是否準(zhǔn)確，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)成本。復(fù)合肥裝置原設(shè)計(jì)的配料秤均為動(dòng)態(tài)配料秤，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化水平提高與工藝指標(biāo)的不斷優(yōu)化等，動(dòng)態(tài)配料秤的精度已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。為此，青海云天化對(duì)動(dòng)態(tài)配料秤誤差來(lái)源進(jìn)行分析，技改為靜態(tài)配料秤后，收到了較好的效果。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 動(dòng)態(tài)配料秤工作原理及誤差來(lái)源分析

1.1 動(dòng)態(tài)配料秤結(jié)構(gòu)及工作原理

動(dòng)態(tài)配料秤稱重段的稱重傳感器和速度傳感器將物料的重力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送至稱重控制器進(jìn)行信號(hào)處理和運(yùn)算，得到物料的瞬時(shí)流量和累計(jì)量。生產(chǎn)人員可根據(jù)產(chǎn)品配方在稱重控制器上進(jìn)行物料添加量的設(shè)定，稱重控制器據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)變頻器頻率及皮帶轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)物料添加量的目的。

動(dòng)態(tài)配料秤正常運(yùn)行狀態(tài)下，皮帶上的物料近似均勻，但實(shí)際上有薄有厚，皮帶機(jī)的帶速根據(jù)設(shè)定而變化，理論上稱重傳感器測(cè)量的皮帶單位長(zhǎng)度載荷重量與測(cè)速傳感器測(cè)量的皮帶傾斜角度等有關(guān)系數(shù)均為瞬時(shí)值，因此，一段時(shí)間內(nèi)的物料累計(jì)量用積分值來(lái)表示。

1.2 動(dòng)態(tài)配料秤誤差來(lái)源分析

1.2.1 稱重傳感器的測(cè)量(力)誤差

理想狀態(tài)下，稱重傳感器測(cè)到的重量只有稱重托輥、稱量段皮帶以及皮帶上物料的重量。但實(shí)際生產(chǎn)中皮帶是轉(zhuǎn)動(dòng)的，會(huì)有“膠帶效應(yīng)”，皮帶的張力也會(huì)作用于稱重傳感器，而此張力不是恒定的——隨著托輥上物料的黏粘、皮帶速度快慢、皮帶是否跑偏等，此張力一直在變化，測(cè)量誤差也會(huì)變化，而且隨著粘料的逐漸增多，誤差也逐漸增大。稱重傳感器的控制特點(diǎn)：每臺(tái)秤單獨(dú)運(yùn)行，所有操作在稱重控制器操作面板上完成，操作頻率高，易損壞，數(shù)據(jù)記錄需人工在紙上完成。

1.2.2 測(cè)速傳感器的測(cè)速誤差

速度傳感器通過(guò)測(cè)量減速機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)速間接算出皮帶速度，當(dāng)托輥、頭尾傳動(dòng)滾筒粘料時(shí)，滾筒軌跡會(huì)從正圓變?yōu)闄E圓，嚴(yán)重時(shí)皮帶還會(huì)出現(xiàn)跑偏，此時(shí)測(cè)速誤差會(huì)增大；另外，皮帶過(guò)松、物料吸潮后皮帶打滑也會(huì)造成測(cè)速誤差增大。

1.2.3 機(jī)械誤差

頭尾輪、托輥粘料，皮帶跑偏、刮蹭，托輥軸承卡澀，均會(huì)導(dǎo)致“膠帶效應(yīng)”加劇，測(cè)力誤差和測(cè)速誤差隨之增大，且機(jī)械誤差隨設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)越來(lái)越明顯。

1.2.4 校驗(yàn)誤差

動(dòng)態(tài)配料秤原設(shè)計(jì)為掛碼校驗(yàn)，運(yùn)行后期，隨著測(cè)力誤差、測(cè)速誤差、機(jī)械誤差的增大，掛碼校驗(yàn)誤差會(huì)超過(guò)10%，因此一般采用實(shí)物校驗(yàn)來(lái)減少校驗(yàn)誤差，但由于物料要經(jīng)過(guò)預(yù)先稱重計(jì)量后再加入料倉(cāng)，每次校驗(yàn)時(shí)倉(cāng)中余料清理須徹底，過(guò)程中參與人員多、環(huán)節(jié)多，出現(xiàn)人為誤差幾率高，校驗(yàn)誤差也會(huì)增大。

2018年12月28日水溶肥裝置動(dòng)態(tài)配料秤實(shí)物校驗(yàn)記錄見表1。可以看到，由于誤差來(lái)源多，稱重計(jì)量很不穩(wěn)定。另外，運(yùn)行過(guò)程中由于皮帶跑偏、料倉(cāng)中料位變化，每批次皮帶的啟停均會(huì)引起皮帶張力發(fā)生變化，出現(xiàn)無(wú)法避免的系統(tǒng)性誤差。實(shí)際生產(chǎn)中，復(fù)合肥裝置動(dòng)態(tài)配料秤計(jì)量誤差普遍在2%～5%，產(chǎn)品養(yǎng)分很難控制，有時(shí)甚至出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，且動(dòng)態(tài)配料秤每周均需清理檢修、每次交接班(四班兩倒)均需進(jìn)行實(shí)物校驗(yàn)，維護(hù)工作量大、校驗(yàn)頻次高。總之，這種動(dòng)態(tài)配料秤已無(wú)法滿足生產(chǎn)所需。

2 優(yōu)化技改措施

復(fù)合肥裝置配料秤稱量的準(zhǔn)確性對(duì)產(chǎn)品養(yǎng)分達(dá)標(biāo)和保證產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。從動(dòng)態(tài)配料秤的結(jié)構(gòu)原理、誤差來(lái)源、日常維護(hù)等方面進(jìn)行分析，要提高配料秤的精度，減小測(cè)量誤差，就要避免“膠帶效應(yīng)”、測(cè)力誤差、測(cè)速誤差、機(jī)械誤差等，青海云天化經(jīng)調(diào)研及探究，決定對(duì)復(fù)合肥裝置配料秤進(jìn)行優(yōu)化改造，并重新選型，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)稱重、連續(xù)給料、集中控制等功能。靜態(tài)稱重容易實(shí)現(xiàn)，而連續(xù)給料的實(shí)現(xiàn)需使用PLC系統(tǒng)、變頻器、電腦等自動(dòng)化設(shè)備以及程序軟件，通過(guò)設(shè)計(jì)、編程形成配料系統(tǒng)。青海云天化經(jīng)過(guò)對(duì)靜態(tài)配料秤(其計(jì)量精度在±0.5%以內(nèi))的考察和研究，確定高塔復(fù)合肥裝置、轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置改用雙帶式靜態(tài)配料秤，水溶肥裝置改用減重式配料秤，具體情況如下。

2.1 高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤

高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤，其給料皮帶和稱重皮帶通過(guò)1臺(tái)變頻器一拖二調(diào)節(jié)速度，控制給料皮帶和稱重皮帶同速、同停、同啟。稱重皮帶采用4只傳感器全懸浮稱重(類似于磅秤)，每皮帶秤物料稱重時(shí)，給料皮帶和稱重皮帶同時(shí)暫停1～2 s，完成1次稱重，通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行累計(jì)、計(jì)算和控制。由于是靜態(tài)稱重，稱重精度得以大幅提升——可控制在±0.5%以內(nèi)。雙帶式配料秤的特點(diǎn)：除稱重傳感器為毫伏信號(hào)外，其他設(shè)備的信號(hào)均由485通訊完成，減少了信號(hào)誤差，且其結(jié)構(gòu)和線路比較簡(jiǎn)單；杜絕了“膠帶效應(yīng)”帶來(lái)的誤差；稱重時(shí)因稱重皮帶暫停1～2 s，占用系統(tǒng)時(shí)間，其量程在50 t/h以內(nèi)。2022年3月26日一期高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤校驗(yàn)記錄見表2?？梢钥吹?，雙帶式配料秤稱重測(cè)量精度很高、誤差很小。

表2 一期高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤校驗(yàn)記錄

2017年7月、2017年12月一期、二期高塔復(fù)合肥裝置先后改用雙帶式配料秤技改實(shí)施后，配料系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，雙帶式配料秤每月檢修1次(主要是傳感器清灰、檢查校驗(yàn)、減速機(jī)加油、托輥清理等常規(guī)項(xiàng)目)，檢修工作量很少，遇生產(chǎn)配方調(diào)整時(shí)，只需進(jìn)行去皮重操作，用砝碼檢查其稱重計(jì)量數(shù)據(jù)是否正常。

2.2 轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤

轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤與高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤的組成結(jié)構(gòu)稍有不同，使用雙變頻器，分別控制稱重皮帶機(jī)和給料皮帶機(jī)，而且配有稱重料倉(cāng)，上位機(jī)采用觸摸屏；配料秤啟停、手動(dòng)/自動(dòng)切換由操作臺(tái)上按鈕完成，屬批次配料；皮帶停止靜態(tài)瞬間稱重計(jì)量，通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行累計(jì)、計(jì)算和控制；配料速度50～60次/h，單次、單臺(tái)配料(稱量)范圍50～700 kg，量程在3～35 t/h以內(nèi)，裝置最高負(fù)荷時(shí)單秤稱重量12 t/h左右。2022年3月3日轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤校驗(yàn)記錄見表3?？梢钥吹剑D(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤比高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤的校驗(yàn)誤差稍大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置配料秤自身秤架比較重，選用的傳感器(SUNCELLS SB-2T型)量程為2 t，量程的20%～80%范圍內(nèi)定量精度在±0.5%以內(nèi)，而高塔復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤使用的傳感器(STC-200kg型)量程為200 kg。

表3 轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置雙帶式配料秤校驗(yàn)記錄

2016年12月轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置改用雙帶式配料秤技改實(shí)施后，配料系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未有因配料秤方面的問(wèn)題而出現(xiàn)不合格產(chǎn)品。

2.3 水溶肥裝置減重式配料秤

水溶肥裝置減重式配料秤，其稱重倉(cāng)(C20241-1)、螺旋給料機(jī)(PL20311-1)、下料切斷閥(XV-20321-3)由緊固件安裝在一體，使用3臺(tái)傳感器(SLB415-2.2/2200kg)懸浮式支撐；稱重控制器通過(guò)傳感器的信號(hào)計(jì)算稱重料倉(cāng)中物料的累計(jì)量，并用通訊信號(hào)在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，操作工據(jù)水溶肥配方在上位機(jī)設(shè)定加料值，PLC系統(tǒng)據(jù)設(shè)定值控制啟動(dòng)變頻器和螺旋給料機(jī)并打開下料閥加料，下料量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，關(guān)閉下料閥、停變頻器，完成配料；料倉(cāng)中剩余料以及加料情況，可根據(jù)稱重控制器的狀態(tài)信號(hào)判斷；配料速度20～30次/h，單次、單臺(tái)配料(稱量)范圍30～1 000 kg，量程為3～30 t/h，裝置最高負(fù)荷時(shí)單秤稱重量6 t/h左右。2021年3月23日水溶肥裝置減重式配料秤校驗(yàn)記錄見表4。可以看到，減重式配料秤稱量準(zhǔn)確性較高。

表4 水溶肥裝置減重式配料秤校驗(yàn)記錄

2020年10月水溶肥裝置改用減重式配料秤技改實(shí)施后，配料系統(tǒng)運(yùn)行很穩(wěn)定，每月檢修校驗(yàn)1次，平時(shí)無(wú)維護(hù)事項(xiàng)。

3 靜態(tài)配料秤維護(hù)情況

2021年青海云天化轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置、一期高塔復(fù)合肥裝置、二期高塔復(fù)合肥裝置、水溶肥裝置靜態(tài)配料秤缺陷工單數(shù)分別為7、1、3、1；2022年1—6月轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置、一期高塔復(fù)合肥裝置、二期高塔復(fù)合肥裝置、水溶肥裝置靜態(tài)配料秤缺陷工單數(shù)分別為5、1、2、1?？梢钥吹剑D(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置配料秤的故障率較其他3套裝置高，這與轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置靜態(tài)配料秤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等有關(guān)：第一，其配料秤技改及投用最早，設(shè)計(jì)理念沒(méi)有其他3套復(fù)合肥裝置配料秤先進(jìn)，且其控制室在原料庫(kù)，每次檢修發(fā)現(xiàn)元器件附著的粉塵很多，吸潮腐蝕、損壞次數(shù)多；第二，啟動(dòng)、停止、自動(dòng)切換等功能均使用按鈕開關(guān)完成，操作頻次高，工作環(huán)境粉塵多，易損壞；第三，去皮重、清零操作通過(guò)稱重控制器的操作按鈕完成，常出現(xiàn)誤操作、參數(shù)被修改等問(wèn)題。鑒于轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置配料秤存在的這些問(wèn)題，在其他3套復(fù)合肥裝置配料秤技改時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化，高塔復(fù)合肥裝置和水溶肥裝置配料秤的所有操作在主控室的上位機(jī)電腦上完成，減少了故障源，并增加了生產(chǎn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)記錄、重要設(shè)備聲光報(bào)警以及故障記錄與生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成等輔助功能。

4 配料秤選型及發(fā)展方向

實(shí)踐表明，配料秤選型首選靜態(tài)配料秤，具體選擇時(shí)還需考慮物料性質(zhì)與裝置產(chǎn)能等：物料組成種類繁多、結(jié)塊多、單次配料量大，宜選擇帶稱重緩沖倉(cāng)的，如轉(zhuǎn)鼓復(fù)合肥裝置配套的雙帶式配料秤；物料組成單一、配料少，可選用無(wú)稱重料倉(cāng)、裙邊皮帶式的，投資省、性價(jià)比高，如高塔復(fù)合肥裝置配套的雙帶式配料秤；物料干凈、易氧化、衛(wèi)生級(jí)別要求高，可選用減重式配料秤，如水溶肥裝置配套的減重式配料秤。

目前國(guó)內(nèi)靜態(tài)配料秤使用的傳感器多為模擬量傳感器，存在電纜易損壞、中間連接復(fù)雜、故障不易判斷、環(huán)境和人為影響因素?zé)o法預(yù)測(cè)等問(wèn)題。因此，在新項(xiàng)目設(shè)計(jì)和配料秤選型中，要向智能化的方向探索，例如，傳感器和稱重儀表選用數(shù)字式智能型，采用數(shù)字信號(hào)通訊傳輸，提高智能化水平；配料系統(tǒng)具有傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)和故障預(yù)判能力，利于高效、準(zhǔn)確維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的探索與研究，青海云天化復(fù)合肥裝置改用靜態(tài)配料秤后，其測(cè)量精度能保證在±0.5%以內(nèi)，結(jié)合PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)配料。在國(guó)內(nèi)復(fù)合肥行業(yè)中，青海云天化復(fù)合肥裝置靜態(tài)配料秤的設(shè)計(jì)和配置比較先進(jìn)，運(yùn)行比較穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期改造目標(biāo)；目前主要的不足之處是使用過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)只能被動(dòng)地采取處理措施，無(wú)法對(duì)稱重儀表進(jìn)行全生命周期監(jiān)控、故障預(yù)判以及計(jì)劃性維護(hù)。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、數(shù)字技術(shù)等的快速發(fā)展，當(dāng)下數(shù)字式稱重模塊和智能儀表逐漸成為配料秤選型的主流配置，數(shù)字式、智能化已成為配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型的發(fā)展方向。