基于線性系統理論的皮帶秤角度補償

王 越

（河北港口集團秦皇島港股份有限公司第七港務分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

皮帶秤計量的線性系統變化受皮帶張力和皮帶傾角兩方面影響。其中環境溫度、濕度、皮帶更換、滾筒更換、流量大小等都是導致皮帶張力變化的因素。秦皇島港股份有限公司現場的皮帶秤在皮帶張力方面的補償地面皮帶秤和取料機皮帶秤是一致的，但是取料機較地面皮帶除了受皮帶張力的影響之外還受皮帶傾角的影響。懸臂式取料機作業需要大臂俯仰角度經常變化，并且懸臂取料機本身具有振動大的特性也影響著角度的時刻變化。本文研究設計出一套穩定又實用的補償方法來修復皮帶秤計量線性變化，提高皮帶秤精度。

1 原有角度補償的不適應性

取料機皮帶秤現有的角度補償措施有現場安裝角度補償器和設置自動零點跟蹤功能。原有的拉姆齊角度補償器在使用過程中反應效果不佳，穩定性較差，影響皮帶秤計量精度。且對于稱量精度高的皮帶秤，傾角最好不要超過5°，但是懸臂取料機的俯仰角度范圍為-11.5°～+10°，即原有皮帶秤角度補償器無法滿足現場生產的需要。

拉姆齊皮帶秤本身具有的自動零點跟蹤，但是在實際操作中這種功能很難實現，在疏港緊張的生產形式下達不到每次換層都進行空轉調零的條件；每次調零至少需要83 s，需要耗費大量電能，與公司的節能指標要求不相符等種種因素制約著自動零點跟蹤功能的實現。這就需要采取一種新型的可以代替自動零點跟蹤功能且不影響生產、節能等因素的方法來提高皮帶秤的計量精度。

2 理論計算變角度皮帶秤誤差值

經過現場調查可知取料機取料時大致分為3 層，第1 層為取垛頂，其操作量約占整個煤垛的15%；第2 層取垛中，其操作量約占整個煤垛的35%；第3 層取垛底，其操作量占整個煤垛的50%。第1 層取料俯仰角度θ 在+1°～-3°；第2 層取料俯仰角度θ在-3°～-8°；第3 層取料俯仰角度θ 在-8°～-11°，且最底層取料時基本保持在最低角度，對皮帶秤計量線性系統影響最大。通過數據計算和實驗調試，選擇采用一種穩定可靠的角度補償措施來彌補皮帶秤因角度變化導致的線性系統異常，進而提高了皮帶秤計量精度和穩定性。

經上述可知，取料機正常取料時俯仰角度θ 范圍在+1°～-11°，可以得出俯仰角度θ 的平均角度為-5°。為了盡量減少皮帶秤計量誤差，保證皮帶秤計數的線性，選擇采取俯仰角度-5°為基準角度對皮帶秤進行調零，保證在沒有角度補償的情況下最大限度提高皮帶秤的精度。

然后根據線性系統理論對角度補償進行計算。為了方便計算設定相關參數如下：取料機正常取料時俯仰角度為θ，皮帶秤秤體受力為F，物料真實值為Mg。正常取料過程中，皮帶秤測重示意如圖1 所示。

從圖1 可知：

由于調零的基準角度為-5°，將θ為-5°代入上述式（1），計算可得皮帶秤計量數據為：

即當無角度補償情況下，在正常取料時俯仰角度θ 任意變化情況下皮帶秤的計量數據的系數為0.996 保持不變，這就改變了測量數據的線性曲線，且角度偏差越大線性改變越大。以-5°為基準角度，依據線性系統理論來計算在俯仰角度變化時皮帶秤測重值F 與F-5°的誤差δ：

由于取料機正常取料時基本分3 層即3 個俯仰角度取料，第1 層頂層取料俯仰角度θ 在+1°～-3°，其取料時基本穩定在-1°；第2 層中層取料俯仰角度θ 在-3°～-8°，其取料時基本穩定在-5°；第2 層底層取料俯仰角度θ 在-8°～-11°，其取料時基本穩定在-11°。分別將上述3 個俯仰角度值代入式（2）：

計算可得δ頂層=0.4%，即當取煤垛頂層時皮帶秤測量值比物料真實值偏大0.4%；δ中層=0，即取中層是皮帶秤計量數據基本無誤差；δ底層=-1.5%，即取底層時皮帶秤測量值比物料真實值偏小1.5%。

3 實驗驗證變角度皮帶秤誤差

針對上述理論計算數據進行了多次現場實驗驗證，分別在俯仰角度為-1°、-5°、-11°時進行調零并記錄相關數據。對試驗調零記錄的數據進行分析，可以得出在-1°時實際誤差值：

同理可測算出其他俯仰角度時的測量誤差，各俯仰角度時的測量誤差見表1。

表1 測量誤差

4 補償程序設計

通過試驗測量分析，將實際誤差與理論誤差對比可以看出理論計算的測量誤差與實際誤差在變化趨勢、同向性上是一致的，完全可以按照理論誤差對皮帶秤進行設計角度補償。皮帶秤的測量結果是通過PLC 系統進行數據傳遞給生產管理系統的，因此決定在PLC 系統內設計相關的角度補償，具體實施程序如圖2 所示。

上述程序為當俯仰角度FUYANG_JIAODU≥-3°（取煤垛頂層）時，由計算已知皮帶秤測量值比物料真實值偏大0.4%，即將皮帶秤計數數據乘以1-0.4%=0.996 的系數對皮帶秤進行角度補償；所以給變量PDLJ 數據乘以系數0.996 來校正皮帶秤測量值；當俯仰角度FUYANG_JIAODU 在-3°～-8°（取煤垛中層）時，由計算已知皮帶秤測量值與物料真實值基本相同，所以直接將皮帶秤計數數據傳送給中控變量PDLJ1；當俯仰角度FUYANG_JIAODU 小于或等于-8°（取煤垛頂層）時，由計算已知皮帶秤測量值比物料真實值偏小1.5%，即將皮帶秤計數數據乘以1+1.5%=1.015 的系數對皮帶秤進行角度補償；所以給變量PDLJ2 數據乘以系數1.015 來校正皮帶秤測量值。將PDLJ、PDLJ1、PDLJ2 三者之和傳送給工作累積量（給中控）RC91W。使用基于線性系統理論的皮帶秤角度補償設計方法后，較之前的補償措施不僅穩定性大大提高，在節能方面也效果明顯。

5 結束語

實踐證明，基于線性系統理論的皮帶秤角度補償設計方法適用于懸臂式取料機。將此種設計方法運用到港口現有取料機上，極大的提高了取料機皮帶秤的精度，滿足了精細化配煤對計量精度越來越高的需求。