袁若浩 周曉峰 劉溢舟 王偉 / .湖北交投智能檢測股份有限公司；.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院計量檢測所

0 引言

皮帶秤是皮帶輸送機輸送固體散狀物料過程中對物料進行連續(xù)自動稱重的一種計量設備，可以在不中斷物料傳輸?shù)那闆r下，對物料質(zhì)量進行累計計算。皮帶秤作為一種動態(tài)稱量方法，雖然遠不及靜態(tài)稱量方法準確可靠，但皮帶秤的優(yōu)點在于整個計量過程是連續(xù)自動的，可實現(xiàn)物料在線實時校準。而校準過程中輸送皮帶張力、皮帶速度等重要參數(shù)的變化給皮帶秤稱量系統(tǒng)造成的計量誤差，可以采用周期性校準來保證整個稱量系統(tǒng)達到規(guī)定的計量準確度要求。

該皮帶秤在線校準系統(tǒng)可應用于瀝青拌合站原料的稱重配比、煤炭累計量稱量、港口碼頭貨物的計重運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，并能實現(xiàn)物料在線監(jiān)控與系統(tǒng)遠程校準，極大地提高了計重工作效率。

1 基于增量疊加法皮帶秤在線校準原理

基于增量疊加法的皮帶秤校準系統(tǒng)主要由主皮帶秤、副皮帶秤、物料料斗、疊加標準砝碼、砝碼升降電機、緩沖托輥、速度傳感器構成，其結構如圖1所示。

圖1 基于增量疊加法皮帶秤在線校準原理

在進行砝碼疊加校準前必須確保主副皮帶秤的計量環(huán)境和誤差保持一致。雙秤比對試驗可以使兩臺皮帶秤保持一致的計量環(huán)境。它的原理為在主副皮帶秤稱量相同物料量的條件下，以主皮帶秤為基準修正副皮帶秤的計量系數(shù)從而使主副皮帶秤得到相同的物料累計值。經(jīng)過皮帶秤調(diào)皮和雙秤比對后，可以認為此時主副皮帶秤具有相同的誤差條件和計量準確度。

在增量疊加法校準過程中，物料要均勻穩(wěn)定地通過皮帶，保證皮帶受到穩(wěn)定的張力。皮帶傳輸機首先以設定的速度帶動皮帶轉動，通過速度傳感器進行皮帶速度監(jiān)測與控制。當皮帶運動速度達到穩(wěn)定時，將理論上要疊加的標準砝碼，通過砝碼升降機，均勻鋪在皮帶上。待所有需施加的額定質(zhì)量砝碼均勻鋪在皮帶上后，主、副皮帶秤記錄流過物料的累計值。校準結束后，分別得到主皮帶秤累計量和副皮帶秤累計量，將兩者累計量相減得到疊加砝碼稱量值。再通過與疊加的砝碼額定值比較，從而確定主副皮帶秤的修正系數(shù)[1]，修正系數(shù)公式為

式中：M1——理論疊加物料量；

Q1——主皮帶秤累計流量；

Q2——副皮帶秤累計流量

式中：ΔQ—— 主副皮帶秤累計流量差值

由于皮帶上的物料量不均勻和皮帶速度值的變化，在T時間內(nèi)的累計流量Q是瞬時流量Q（t）對時間的積分，為

式中：Q（t）—— 物料的瞬時流量；

q（t）—— 皮帶秤的瞬時載荷質(zhì)量；

v(t)——皮帶瞬時速度

皮帶的瞬時載荷質(zhì)量通過安裝在秤架下面的稱重傳感器獲得。聯(lián)立式（1）（3），可得主副皮帶秤的修正系數(shù)C1：

式中：q1(t)——主皮帶秤的瞬時載荷質(zhì)量；

q2(t)——副皮帶秤的瞬時載荷質(zhì)量

根據(jù)理論修正式（4），分別將修正系數(shù)C1對主副皮帶秤累計流量進行修正，修正后的ΔQ1為

由式（5）可知，修正后主副皮帶秤累計流量的差值等于理論疊加物料量，說明此修正方法在理論上可行。兩臺皮帶秤的誤差為

2 系統(tǒng)設計

1）硬件設計

基于增量疊加法皮帶秤在線校準系統(tǒng)硬件包括可編程控制器（PLC）、螺旋輸送機電機、皮帶輸送機電機、數(shù)字變送器、料斗門電機、智能積算器、稱重傳感器、測速傳感器。PLC用于實現(xiàn)皮帶輸送機的運動控制、螺旋輸送機的運動控制、料斗門的動作控制、定時以及傳感器的數(shù)據(jù)采集。上下位機間采用RS232串口進行通信。

料斗門電機采用直流驅動電機，其他電機均采用交流異步驅動電機。上位機通過串口將命令發(fā)送至下位機（PLC）實現(xiàn)各部件的運行、停止和料斗門開合度的控制,同時PLC將經(jīng)過數(shù)字變送器和智能積算器處理的信號傳至上位機，實現(xiàn)物料累計和瞬時流量的顯示，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件

數(shù)字變送器配有24位A/D轉換器，輸出4～20 mA模擬信號。它將稱重傳感器的電流信號和測速傳感器的脈沖信號轉化為瞬時載荷質(zhì)量和皮帶的瞬時速度，然后再將信號送入智能積算器，智能積算器可以通過皮帶秤的瞬時流量積分計算得到皮帶秤的累計流量，最終將累計流量傳至上位機。

2）軟件設計

本地上位機軟件設計開發(fā)采用VB（Visual Basic）編程語言，實現(xiàn)校準控制、運動控制命令下傳PLC以及各種傳感器數(shù)據(jù)的顯示與采集。在本地上位機軟件設計中，程序根據(jù)校準時的要求向下位機PLC發(fā)送各種命令，控制PLC進行參數(shù)設置、驅動各部件電機、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)炔僮?。根?jù)對采集到數(shù)據(jù)的判斷和分析處理來完成對皮帶秤的校準工作。具體流程為校準開始前，對整套校準系統(tǒng)進行30 min的預熱，包括智能儀表以及要求皮帶輸送機以恒定的速度運轉，并對主副皮帶秤至少調(diào)皮3次以上，完成主副皮帶秤比對；然后開啟砝碼升降驅動電機，往皮帶輸送校準標準砝碼，待標準砝碼穩(wěn)定勻速地放于皮帶表面后，開啟疊加砝碼校準程序，直至設定質(zhì)量標準砝碼完全通過副皮帶秤有效稱量區(qū)，砝碼疊加校準結束。

皮帶秤的遠程校準主要應用網(wǎng)絡技術。首先遠程校準控制端將校準命令通過網(wǎng)絡傳輸至服務器，服務器再通過射頻無線網(wǎng)絡將控制信息傳至基站（本地計算機），計算機與本地上位機軟件進行通信，最終本地上位機軟件將命令送至PLC，完成相應的校準操作[2]。

3 基于增量疊加的皮帶秤校準

1）雙秤比對

不同比對時間和物料流量對主副皮帶秤計量影響，比對結果如表1、表2所示。

表1 物料流量17.5 t/h時不同時間下雙秤比對結果

表2 不同流量下雙秤比對結果

由表1可知，在相同物料流量下（比對選取物料流量17.5 t/h），隨著比對時間增加，主副皮帶秤計量誤差會不斷縮小；由表2可知，在相同比對時間下（比對選取4 min），物料流量越大，主副皮帶秤計量誤差明顯越小。

根據(jù)雙秤比對校準結果，對主副皮帶秤進行零點修正，以主皮帶秤為基準修正副皮帶秤，保證主副皮帶秤的計量環(huán)境和誤差保持一致。

2）不同物料流量重復性試驗

考慮到校準成本和校準效率等，增量疊加比例為35%，比對時間大于4 min，根據(jù)JJG 195-2019要求[4]，模擬載荷在7.5 t/h、11 t/h、17.5 t/h下的校準，校準結果如表3所示。

表3 基于增量疊加法的皮帶秤校準重復試驗

從結果可知，當物料流量越小時，主副皮帶秤稱量結果越穩(wěn)定，校準系統(tǒng)重復性測量越小。

3）驗證

為了驗證增量疊加法校準準確度，分別在物料流量7.5 t/h、11 t/h、17.5 t/h進行0.5級實物料斗校驗法和增量疊加法的校準實驗，通過比對兩種方法校準得到的副皮帶秤校準相對誤差來判斷基于增量疊加法皮帶秤校準方法的可行性，比對結果見表4。

表4 實物料斗校驗法與增量疊加法校準誤差比對結果

通過兩種方法的比對發(fā)現(xiàn)，副皮帶秤累計值相對誤差均在±0.5%范圍內(nèi)，證明采用增量疊加法進行在線皮帶秤校準是可行的[5-6]。

4 結語

皮帶秤雖然不具有靜態(tài)稱量的高準確度，但以其自動連續(xù)的計重累計優(yōu)勢，提高了物料稱量效率?；谠隽刊B加法皮帶秤在線校準系統(tǒng)，在校準過程中整圈砝碼累計疊加量可以達到總累計量的50%，增加了校準結果的可靠性，提高了校準效率，為皮帶秤在線計量校準提供了新思路，也為皮帶秤的推廣應用提供了技術條件。

隨著科學技術的進步，儀器的自動化、智能化程度越來越高，計量器具的在線校準、遠程校準已經(jīng)成為一個趨勢。該皮帶秤在線校準系統(tǒng)的研究，正是基于新思路、新思想指導下，為皮帶秤的校準溯源提供了更多可能。