調速皮帶秤在預給料系統中的應用

肖其中，縱振海

調速皮帶秤在預給料系統中的應用

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

肖其中，縱振海

1 引言

預給料系統由預給料機和稱量裝置組成，采用預給料技術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、回轉卸料閥或電動流量閥作為預給料機。

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

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

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備，給料量是料重與帶速的乘積，根據設定值，皮帶秤自動調節帶速，以達到穩定料流的目的，這也是在大多數情況下的做法；第二種是恒速使用，僅作為稱重計量設備；第三種是調速使用，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。當利用調速皮帶秤作為預給料系統的稱量裝置時，其控制方式要根據控制回路區別對待。

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熟料生產線采用電石渣代替部分鈣質原料，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＋皮帶秤的預給料方式；入窯生料采用電動流量閥＋皮帶秤的預給料方式。

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

生料入窯示意見圖1，在調試過程中，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，導致料層越來越厚，形成惡性循環，生料從裙邊處擠出，甚至頂開密封罩。根據這些現象，筆者認為其控制方式有問題。

舉例說明：當投料量（設定值）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，造成系統“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，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。

皮帶秤在預給料系統中的首要任務是“告知”系統上游設備真實的流量，而非秤體自身通過調整得到的流量，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，并無調節流量的功能，但仍然能組成預給料系統。

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

在圖1所示的控制系統圖中，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，用料層厚度去跟蹤流量閥開度，則可以保證料層的相對穩定，雙回路調節的預給料是可以實現的。

因修改程序由DCS承包商負責，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，系統才得以持續運行，但這只是權宜之計。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斷開，連單回路調節都無法實現，此時中控只能根據反饋值手動調節流量閥，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 以調速皮帶秤為稱量裝置的預給料控制技術的發展過程

4.1 采用料位開關的簡易預給料控制系統

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）才是上游設備（電動流量閥、剛性葉輪等預給料設備）真實流量的體現，控制好料層厚度即是解決問題的關鍵。

北京水泥廠在粉煤灰的預給料中使用了膜片式料位開關[2]。膜片傳感來自于自由流動的干物料的壓力，該壓力導致開關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代替膜片式料位開關。控制原理見圖2。

最初狀態是皮帶秤上無料，料位開關使用常閉觸點，預給料機（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安裝高度時開關動作，剛性葉輪給料機失電，粉煤灰停止下料。皮帶秤連續喂料，秤面粉煤灰逐漸減少，料位下降，當料位低于安裝高度時，膜片式料位開關釋放，剛性葉輪給料機得電，粉煤灰恢復下料。周而復始，使秤面粉煤灰總能保持一定的儲量。

在采用料位開關的預給料系統中，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，這兩個模擬量被轉換為數字信號后，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，并與設定值進行比較，得到偏差信號并經PID運算處理，經數模轉換后輸出，用于調整皮帶速度，達到粉煤灰實際流量跟蹤設定值的目的。

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

4.2 單回路調節的預給料控制系統

這種方式通過皮帶負荷來控制預給料機的流量，控制原理見圖3。

皮帶秤恒速運行，計量系統測出通過皮帶的物料流量；控制系統根據設定值與反饋值的差值，調節預給料機的速度，用來控制物料的流量并使之恒定。控制方式比較簡單，但有如下缺點：

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

（2）單回路調節方式需物料流量變化到稱重區才能顯現，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。

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

在生產過程中，即使預給料機的開度或速度保持不變，若倉壓、物料流動性、容重發生變化，皮帶秤上的料層也會隨之變化，若皮帶秤調速運行，形成雙回路調節，可及時調整喂料量，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 雙回路調節的預給料控制系統

隨著皮帶秤的引進、消化吸收和近年來控制理論的發展，雙回路閉環調節已經日趨成熟，大冶有色金屬公司諾蘭達工程將之應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)與預置標準量(給定值)出現偏差，微處理器經過分析判斷后，自動發送一相應的電信號給自動聯鎖裝置（控制器的處理單元），聯鎖裝置按預先設定的聯鎖條件將信號合理分配給預給料機和皮帶秤的變頻調速器，調整電機的運轉速度，最終使得輸出量(實際流量)等于預先設置的標準量(給定值)，以滿足生產工藝的要求。

借助于軟件，微處理器如何進行分析判斷是控制系統的核心，國內水泥行業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定值，說明料層薄了，可加大預給料機的給料量；皮帶秤在速度較低時也能達到流量設定值，說明料層厚了，要根據荷重判斷是否有堵秤的危險，如有則需減小預給料機的給料量，如沒有則保持。

在實際應用中，可根據皮帶秤的量程，將喂料量按大小劃分，對應某個喂料量，將其精度最高時的荷重與帶速數據設置成給定值，成組預置于系統中，喂料量一經給定，荷重和帶速即給定。根據設定荷重與檢測荷重的差值來調節預給料機，根據設定流量與檢測流量的差值來調節皮帶秤，從而實現穩定給料、精確計量。

傳統的調速皮帶秤流量偏小，限制了它在大型水泥生產線中的應用，近年來，隨著大型調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熟料生產線在入窯生料控制系統中，采用調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成入窯生料控制系統，控制上采用預置控制加前饋的自適應PID調節方式，它是雙回路調節的閉環控制系統。根據設定流量預置閥門的輸出，實現初步預給料，再根據設定荷重與檢測荷重的差值來調節閥門，同時對閥門的調節加約束條件，保證皮帶秤上物料的負荷維持在設定的水平，實現穩定給料。這僅是定性的粗調環節，因此對預給料機的線性度要求較為寬松。根據設定流量與檢測流量的差值來調節皮帶秤，這屬于精調環節，相對于沖板流量計，調速皮帶秤更容易達到相對較高的精度，若料層有變化，皮帶秤會自動調速，從而實現精確計量。該生產線生料正常用量大約在420t/h左右，系統應用非常穩定，波動僅在5‰以內。

5 結語

調速皮帶秤可以在預給料系統中得到較好的應用，其控制原理也有多種，設計人員可根據條件選擇使用。國內某些文獻在介紹預給料系統的改造時，最后的結果往往是拆除預給料機，如果沒有預給料機，則不能稱之為預給料系統，預給料的優點也就無從體現，所以在預給料系統出現問題時，要多方面尋找原因，并將重點放在控制方案的選擇和優化上。

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

預給料技術是一項系統工程，工藝設備和電氣自動化控制密不可分，軟件的控制思想是否先進、算法是否優秀，對預給料系統的控制效果有顯著影響。

[1]王敬濤.水泥行業重量計量設備的原理與應用[J].水泥技術,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的選型[J].水泥，2007，（1）:57-59.

[4]鄭彪.帶預給料的定量給料機的應用[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用[C].水泥廠物料計量與定量給料技術學術研討會論文集，2008.6:33-37.

TQ172.614.2

B

1001-6171（2011）03-0040-04

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2010-11-16；編輯：呂光