可實現物料流量精確控制的自動核子皮帶秤

蘇 毅

（廣西計量檢測研究院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

在工礦企業廣泛使用的皮帶輸送機、鏈板輸送機、螺旋輸送機等散裝物料連續輸送機械上安裝核子秤可方便實現散裝固體物料的連續在線計量[1]。核子秤能夠動態檢測散裝物料輸送機械上物料的流量，使得物料流量的定值自動控制成為可能。一些科技人員采用PID控制方式進行了有益的探索[2-7]。20世紀90年代筆者及國內某高校的學者率先把核子秤應用于糖廠輸蔗機蔗流量定值自動控制中，控制算法也是采用PID[2]。但存在的問題是，PID的參數與設備機械特性、檢測儀表、控制系統等均有關系，由于糖廠生產工藝的特殊性和生產設備的復雜性，難以確定合適的PID參數，控制過程中常常發生過沖震蕩，因而控制的穩定性和準確度較差，嚴重時還會發生塞輥事故；因此，研究實用的控制算法或數學模型，對核子秤的推廣應用具有重要意義。本文利用物質對γ射線吸收的物理關系及流量與速度的關系，推導得到皮帶速度與皮帶機負荷和物料流量之間關系的控制算法，獲得了滿意的控制效果。

1 核子秤調速原理

核子秤是核技術與計算機技術相結合的高技術產品，是非重力式非接觸電子秤。它利用γ射線穿過物料時被吸收的特性，經過計算得到被稱物料的重量。秤體由放射源、電離室探測器、支架、測速裝置、輸送機械等5部分組成[1]。本文以皮帶輸送機為例，把放射源、電離室探測器、支架、測速裝置安裝在皮帶輸送機上，構成核子皮帶秤，如圖1所示。

核子秤的核心部件是放射源和電離室探測器。放射源是一個用鉛制成的密閉容器，壁厚≥8 mm，放射性元素137Cs，活度為3.7×109Bq，容器下方開孔，使γ射線按一定的放射角照射在皮帶機運送的物料上。

探測器內置電離室、電源板和前置放大器。當放射源輻射的γ射線照射到皮帶輸送機上的物料時，射線的一部分被物料按載荷量成比例吸收，沒有被吸收的另一部分穿透物料進入電離室。被電離室接收部分便是皮帶機單位長度上物料載荷轉換為電信號部分。電離室接收的射線強度與物料的厚度、密度有關[8]，表達式為

式中：Ⅰ——穿透皮帶機上物料后，電離室處γ射線強度；

Ⅰ0——皮帶機空載時電離室處γ射線強度；

μ——物料對γ射線的質量吸收系數；

ρ——物料密度；

d——物料厚度。

設皮帶機上物料寬度為b，長度l上面的物料重量為W，則有

將式（2）帶入式（1）后可得

式中：F——皮帶機單位長度上的物料重量，定義為皮帶機負荷。

對一特定的皮帶機和特定的物料，b和μ可視為常數，故可令

式中：K1——負載常數，其值由實物標定得到。

電離室在γ射線照射下產生一弱電流信號，經I-V型前置放大器轉換成電壓信號，電壓值正比于電離室處的γ射線強度，所以式（5）可改寫成

式中：U1——有載時電離室探測器輸出的電壓信號；

U0——空載時電離室探測器輸出的電壓信號。

速度傳感器用于檢測皮帶輸送機的線速度，其輸出信號與速度成正比，即

式中：V——物料傳輸速度；

U2——測速器輸出信號；

K2、K3——速度常數。

皮帶機輸送物料的流量P為

從式（8）可見，要實現定流量控制，必須使流量設定值Pd滿足

即FV為恒定即可。F隨物料堆積形狀而變化，因此通過控制皮帶機速度V實現定流量控制。

設計算機輸出的速度控制信號為Vout，Vout與V是非線性關系，依賴于具體的皮帶輸送機調速系統，實際應用時需現場測量擬合兩者的關系曲線。皮帶輸送機的速度控制器依其采用的拖動電機類型而異，常用的有電磁調速異步電動機、異步電動機和直流電動機。電磁調速器、變頻調速器、直流調速器大多帶有自動控制輸入接口，把計算機的D/A卡輸出口與之相連，即可實現自動控制。

式（4）中把b和μ假設為常數，對于限制物料寬度的輸送機械，如帶料槽的鏈板輸送機，并且物料的顆粒比較均勻，這種假設是正確的。而對于普通的皮帶輸送機，這種假設在物理上并不嚴謹，若皮帶機上物料的寬度和物料堆積形狀變化很大，b和μ就不是常數。但核子秤對物料重量的計量是長時間累計的結果，經過足夠長的時間，b和μ的平均值就可視為常數。經過對大量的不同種類的物料和不同寬度的皮帶輸送機實驗表明，把b和μ假設為常數是成立的。

2 延后控制

由于機械結構的限制，核子秤秤體往往安裝于皮帶機的中部，離皮帶機卸料口有一段距離L。如圖2，核子秤安裝在A處，這意味著核子秤在A點檢測到的負荷信號UA，要等到負荷走到B點，才能用式（10）計算Vout，并輸出皮帶機速度控制信號。

圖2 核子秤安裝位置示意圖

核子秤在A點進行采樣，采樣間隔為Δt，采樣時皮帶速度為Vi，則一個采樣周期內皮帶走過的長度 ΔLi為

據此，在設計軟件時，設計一個3行n列的動態矩陣，可表示為

每次采樣獲得一列數據，先把矩陣中每列數據向右移動一列，當前采樣的數據填充到0列。n是不確定的，以滿足ΔLi=L 而定。

3 系統結構

基于核子秤的皮帶輸送機物料流量自動控制系統的結構如圖3所示。計算機采集核子秤電離室探測器輸出的負載信號U1和速度信號U2，與物流量設定值Pd計算出速度控制信號Vout，Vout輸出到調速器控制電動機轉速。從圖3可見，影響Vout與V的非線性環節有調速器、電動機和皮帶機，因此要依據實際系統測量Vout與V的對應值，繪制Vout與V的關系曲線，按照Vout與V的關系曲線進行控制。

圖3 自動控制系統結構圖

4 應用效果

本系統已在多家糖廠推廣使用。糖廠的輸蔗機承擔原料蔗的撕解和向壓榨機送蔗料的任務，要求進入壓榨機的蔗料流量要均勻，流量過小抽出率低，流量過大會發生塞輥事故。為了達到全廠動力平衡，提出均衡壓榨的工藝要求，即恒流量壓榨。既要對榨量進行實時計量，也要對入榨蔗流量實施精確定值控制。

圖4 某糖廠班報表

輸蔗機為帶料槽的鏈板機，寬度一般大于1400mm，拖動電機為電磁調速異步電動機，其特點是載荷大、慣性大、運行帶速低。采用雙源核子秤以保證鏈板機料槽蔗料在放射源射線覆蓋之下。控制計算機選工控機，Delphi可視化開發平臺編程。系統主要實現蔗流量定值自動控制、榨量動態計量、核子秤自動標定、報表生成等功能。系統投入使用時，只需按生產調度的指令在計算機輸入小時榨量（蔗流量設定值），系統根據流量設定值和核子秤檢測到的載荷量，計算鏈板機的轉速信號并輸出到電磁調速異步電動機的控制器，從而精確控制入輥的蔗流量。經過多個榨季的運行表明，系統運行穩定，控制準確度≤±1%，從控制效果圖來看，瞬時流量曲線幾乎為一條直線。圖4是某糖廠壓榨車間的班報表掃描圖，設定的控制流量是156t/h，8h中控制最大絕對誤差是0.72t，相對誤差為0.5%。

5 結束語

本文推導的控制算法完全與被控對象的機械特性無關，避免了PID控制參數設置的麻煩，減少了現場調試的工作量；而且適用于皮帶輸送機、鏈板輸送機、螺旋輸送機等所有種類的散裝物料連續輸送機械。實踐證明，使用本文算法控制的自動核子皮帶秤物料流量控制準確度≤±1%，而且控制穩定性好，無過沖震蕩，具有較大推廣價值。

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