提高電子皮帶秤計量準確度的有效方法

周亞全 況金宏 蔣慶輝

(云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650502)

0 引言

皮帶秤在炭素陽極生產(chǎn)中的作用是對石油焦物料進行監(jiān)控和計量，是進行成本核算、生產(chǎn)調(diào)度不可缺少的關(guān)鍵設備。云南鋁業(yè)股份有限公司炭素廠(下簡稱炭素廠)現(xiàn)有4條石油焦生產(chǎn)線，生產(chǎn)物料的計量工作由8臺ICS系列皮帶秤承擔。但近年來，受技術(shù)狀況惡化、工藝環(huán)境等因素的影響，皮帶秤的瞬時值異常波動且無規(guī)律性，從而導致計量失準、工藝參數(shù)嚴重超差，使調(diào)控難度加大。經(jīng)過一年多的努力，按照皮帶秤安裝手冊、使用說明書等對稱重托輥和過渡托輥進行了反復調(diào)整，但結(jié)果沒有得到改善。

本文從受力分析入手，去掉皮帶秤的耳軸支點，讓物料的質(zhì)量全部加到稱重傳感器上，這樣測得的物料質(zhì)量更真實。在信號處理方面，增加傳感器激勵電壓分配接線盒，使稱重傳感器平均分配激勵電壓，有效提高了信號的穩(wěn)定性。在校準方法上，引入了和實物校準最相似的布袋校準方法，對皮帶秤進行標定。相關(guān)試驗驗證了以上方案的可行性。

1 結(jié)構(gòu)原理及誤差分析

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

炭素廠ICS電腦皮帶秤由機械支撐架、傳力杠桿架、計量托輥組、耳軸支點、稱重傳感器、測速傳感器和積算控制顯示儀表等部分構(gòu)成。秤架結(jié)構(gòu)分為單杠桿雙托輥和雙杠桿八托輥兩種結(jié)構(gòu)。當皮帶輸送物料時，稱量段上的物料質(zhì)量通過計量托輥組作用于稱重傳感器，稱重傳感器將質(zhì)量信號(mV級)送入積算控制顯示儀表，經(jīng)過運算器放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。裝在回程皮帶上的測速傳感器把皮帶運行的速度信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送入運算器。運算器將兩個信號進行乘積運算，從而得出物料的質(zhì)量累計值和瞬時量，并加以顯示［1-6］。

1.2 誤差原因分析

炭素廠使用的8臺皮帶秤自投運以來都不穩(wěn)定，經(jīng)過幾年反復的調(diào)校，稱量值跳變大、波動范圍寬、加料減料數(shù)據(jù)反饋不真實的情況依舊存在。根據(jù)皮帶秤的工作原理可知，首先需要用計量秤架把物料質(zhì)量傳遞給稱重傳感器，并要求它僅傳遞物料對皮帶的垂直作用力，而不把任何水平分力傳遞到傳感器。因此，皮帶秤架的結(jié)構(gòu)與運行狀況的任何變化，都會引起系統(tǒng)稱重誤差。原皮帶秤采用單杠桿雙托輥組秤架，有兩個耳軸支撐點和兩個稱重傳感器。該秤架依靠600 mm的機械杠桿傳遞稱重力，由于耳軸支點的存在，有一部分質(zhì)量通過耳軸傳遞到固定支撐機架，受力不合理。此外，由于皮帶載荷時杠桿撓度對計量托輥位移的影響，運行過程中因皮帶跑偏、物料在皮帶上堆積偏向一側(cè)，會引起偏心載荷。此偏心載荷經(jīng)傳感器、放大處理等環(huán)節(jié)后數(shù)據(jù)誤差得到了有效的放大，使得秤架很難將皮帶載荷按一定比例傳遞給傳感器，從而造成稱重系統(tǒng)信號偏差和線性偏離值大、瞬時值波動范圍寬。

2 改造方案及實施

通過以上對皮帶秤計量誤差產(chǎn)生的原因分析，結(jié)合皮帶秤控制系統(tǒng)的現(xiàn)場實際情況，對4#窯煅前系統(tǒng)的皮帶秤提出了新的改造方案。

2.1 改造秤架及傳感器

根據(jù)力矩平衡原理，在分析傳感器受力之后，決定對現(xiàn)有秤架和傳感器進行改造。為了降低成本，把兩個耳軸支點取消，原來的兩個“S”型吊掛式傳感器(美國進口BSA-25MT2，價格昂貴)換成四個國產(chǎn)壓式稱重傳感器。四個傳感器分別從四個角支撐起整個稱量段秤架。該改裝方法是將原來的單杠桿、雙耳軸支撐秤架變成了無支點、無杠桿的懸浮式秤架，被測物料經(jīng)皮帶和稱量框架能夠直接作用在四個傳感器上。這樣就消除了皮帶上物料分布不均勻、皮帶跑偏等情況對稱重準確度及穩(wěn)定性的影響。

2.2 信號處理的改進

系統(tǒng)的稱重儀表使用的是西門子公司生產(chǎn)的BW100，該積算儀只支持兩路傳感器輸入信號。由于增加了兩只傳感器，因此在接線方式上有兩種選擇，一種是把四個傳感器并聯(lián)起來接成一路信號;另外一種是把四個傳感器兩兩并聯(lián)接成兩路信號。但這兩種接線方式在傳感器激勵電壓的分配、信號匯總、各種偏載誤差的調(diào)整方面都存在缺陷。市場上支持四路輸入信號的積算儀價格昂貴，重新購置將增加改造成本。為此，系統(tǒng)引入了常州成澤機電設備有限公司提供的四路五孔稱重傳感器接線盒。稱重傳感器和積算控制儀均屬靜電敏感性元器件，抗干擾性能要求高［7］。皮帶秤系統(tǒng)信號關(guān)聯(lián)圖如圖1所示。

圖1 皮帶秤系統(tǒng)信號關(guān)聯(lián)圖Fig.1 The signal correlation of belt scale system

2.3 校準及調(diào)試

目前，皮帶秤的校準方法有掛碼校準、鏈碼校準和實物校準三種。其中，掛碼校準與鏈碼校準只能在一定條件下校驗皮帶秤的重復性，而不能確定皮帶秤的準確度。實物校準的實質(zhì)是化動態(tài)為靜態(tài)，它是皮帶秤量值溯源最準確的方法，校準結(jié)果真實可靠［8-9］。但車間的工藝較復雜，進行實物標定所需要的設備、人員都比較多，投入費用也比較大。考慮到車間備有很多布袋除塵器的布袋，這些布袋質(zhì)地柔軟，易與皮帶接觸，質(zhì)量和長度也相同，適合模擬實物。所以，采用了和實物校準方法比較接近的除塵器布袋進行校準來取得經(jīng)驗值。

當皮帶秤通過基礎調(diào)整，消除托輥組準直線度誤差、偏載示值誤差在兩個分度值以內(nèi)，就可以通過調(diào)節(jié)接線盒里的電位器，調(diào)整傳感器信號至允許誤差［6］。電路板上的每一個傳感器輸入端對應有一個電位器，順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)電位器便可達到調(diào)試效果。當無法通過電位器調(diào)準時，可繼續(xù)通過傳感器基礎高度調(diào)整和電位器調(diào)整結(jié)合，最終將各偏載點誤差調(diào)至允許誤差范圍內(nèi)，并進行如下工作。

① 設置標定參數(shù):皮帶長度為25.28 m、皮帶轉(zhuǎn)圈數(shù)為5圈、皮帶速度為0.446 m/s、標定物的質(zhì)量為6.25 kg、標定量程為 10 t、稱量段長度為0.6 m。

②啟動皮帶空載運行30 min以上。

③進行零點標定。

④皮帶上放置準備好的13條除塵器布袋，最下層一條布袋用鐵絲栓牢固定在某個支架上，方便增減布袋，以驗證稱量值的變化。

⑤進行量程標定。

3 皮帶秤運行及效果分析

皮帶秤改造調(diào)試完畢后，可采用以下方法對改造效果進行驗證分析。

3.1 布袋法驗證累計誤差

布袋驗證結(jié)果如表1所示。

表1 布袋驗證結(jié)果表Tab.1 The results of the verification of cloth bag

3.2 實物驗證波動范圍

根據(jù)車間工藝調(diào)控要求，皮帶秤瞬時值波動范圍要求控制在0.5 t以內(nèi)。為此，在系統(tǒng)帶料生產(chǎn)后逐段增大給料量。當瞬時值分別穩(wěn)定在0.7～0.9 t、2.9～3.2 t、5.9 ～6.3 t、9.0 ～9.4 t區(qū)間波動時，分別急停運行中的皮帶。取下5 m長的一段石油焦物料用磅秤進行稱量，再結(jié)合皮帶秤原理換算成瞬時值與波動區(qū)間進行比較。如果換算值和波動區(qū)間比較偏差在0.5 t以內(nèi)，則為合格。

實物波動范圍如表2所示。

表2 實物波動范圍表Tab.2 Fluctuating range of material object

4 結(jié)束語

4#窯煅前皮帶秤投入使用至今已半年多，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。經(jīng)過多次采集物料抽查，結(jié)果偏差均在要求范圍內(nèi)，運行狀況良好、物料流量比較穩(wěn)定。該皮帶秤徹底改變了以往波動范圍大、計量值無從參考的情況。通過這次技術(shù)改造，提高了配料電子皮帶秤的計量準確度，為工藝平穩(wěn)操作提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù);同時，也降低了故障率，提高了工作效率。實踐證明，這次改造是成功的，為企業(yè)今后的技術(shù)改造提供了示范，達到了預期的效果。

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