提高電子皮帶秤計(jì)量準(zhǔn)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(yáng)極生產(chǎn)中的作用是對(duì)石油焦物料進(jìn)行監(jiān)控和計(jì)量，是進(jìn)行成本核算、生產(chǎn)調(diào)度不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。云南鋁業(yè)股份有限公司炭素廠(下簡(jiǎn)稱炭素廠)現(xiàn)有4條石油焦生產(chǎn)線，生產(chǎn)物料的計(jì)量工作由8臺(tái)ICS系列皮帶秤承擔(dān)。但近年來(lái)，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(shí)值異常波動(dòng)且無(wú)規(guī)律性，從而導(dǎo)致計(jì)量失準(zhǔn)、工藝參數(shù)嚴(yán)重超差，使調(diào)控難度加大。經(jīng)過(guò)一年多的努力，按照皮帶秤安裝手冊(cè)、使用說(shuō)明書(shū)等對(duì)稱重托輥和過(guò)渡托輥進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，但結(jié)果沒(méi)有得到改善。

本文從受力分析入手，去掉皮帶秤的耳軸支點(diǎn)，讓物料的質(zhì)量全部加到稱重傳感器上，這樣測(cè)得的物料質(zhì)量更真實(shí)。在信號(hào)處理方面，增加傳感器激勵(lì)電壓分配接線盒，使稱重傳感器平均分配激勵(lì)電壓，有效提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。在校準(zhǔn)方法上，引入了和實(shí)物校準(zhǔn)最相似的布袋校準(zhǔn)方法，對(duì)皮帶秤進(jìn)行標(biāo)定。相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)械支撐架、傳力杠桿架、計(jì)量托輥組、耳軸支點(diǎn)、稱重傳感器、測(cè)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(dāng)皮帶輸送物料時(shí)，稱量段上的物料質(zhì)量通過(guò)計(jì)量托輥組作用于稱重傳感器，稱重傳感器將質(zhì)量信號(hào)(mV級(jí))送入積算控制顯示儀表，經(jīng)過(guò)運(yùn)算器放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。裝在回程皮帶上的測(cè)速傳感器把皮帶運(yùn)行的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送入運(yùn)算器。運(yùn)算器將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行乘積運(yùn)算，從而得出物料的質(zhì)量累計(jì)值和瞬時(shí)量，并加以顯示［1-6］。

1.2 誤差原因分析

炭素廠使用的8臺(tái)皮帶秤自投運(yùn)以來(lái)都不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)幾年反復(fù)的調(diào)校，稱量值跳變大、波動(dòng)范圍寬、加料減料數(shù)據(jù)反饋不真實(shí)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(jì)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(duì)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(yùn)行狀況的任何變化，都會(huì)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(gè)耳軸支撐點(diǎn)和兩個(gè)稱重傳感器。該秤架依靠600 mm的機(jī)械杠桿傳遞稱重力，由于耳軸支點(diǎn)的存在，有一部分質(zhì)量通過(guò)耳軸傳遞到固定支撐機(jī)架，受力不合理。此外，由于皮帶載荷時(shí)杠桿撓度對(duì)計(jì)量托輥位移的影響，運(yùn)行過(guò)程中因皮帶跑偏、物料在皮帶上堆積偏向一側(cè)，會(huì)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(hào)偏差和線性偏離值大、瞬時(shí)值波動(dòng)范圍寬。

2 改造方案及實(shí)施

通過(guò)以上對(duì)皮帶秤計(jì)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(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)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(duì)現(xiàn)有秤架和傳感器進(jìn)行改造。為了降低成本，把兩個(gè)耳軸支點(diǎn)取消，原來(lái)的兩個(gè)“S”型吊掛式傳感器(美國(guó)進(jìn)口BSA-25MT2，價(jià)格昂貴)換成四個(gè)國(guó)產(chǎn)壓式稱重傳感器。四個(gè)傳感器分別從四個(gè)角支撐起整個(gè)稱量段秤架。該改裝方法是將原來(lái)的單杠桿、雙耳軸支撐秤架變成了無(wú)支點(diǎn)、無(wú)杠桿的懸浮式秤架，被測(cè)物料經(jīng)皮帶和稱量框架能夠直接作用在四個(gè)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(duì)稱重準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的影響。

2.2 信號(hào)處理的改進(jìn)

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(hào)。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(gè)傳感器并聯(lián)起來(lái)接成一路信號(hào);另外一種是把四個(gè)傳感器兩兩并聯(lián)接成兩路信號(hào)。但這兩種接線方式在傳感器激勵(lì)電壓的分配、信號(hào)匯總、各種偏載誤差的調(diào)整方面都存在缺陷。市場(chǎng)上支持四路輸入信號(hào)的積算儀價(jià)格昂貴，重新購(gòu)置將增加改造成本。為此，系統(tǒng)引入了常州成澤機(jī)電設(shè)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(hào)關(guān)聯(lián)圖如圖1所示。

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

2.3 校準(zhǔn)及調(diào)試

目前，皮帶秤的校準(zhǔn)方法有掛碼校準(zhǔn)、鏈碼校準(zhǔn)和實(shí)物校準(zhǔn)三種。其中，掛碼校準(zhǔn)與鏈碼校準(zhǔn)只能在一定條件下校驗(yàn)皮帶秤的重復(fù)性，而不能確定皮帶秤的準(zhǔn)確度。實(shí)物校準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)是化動(dòng)態(tài)為靜態(tài)，它是皮帶秤量值溯源最準(zhǔn)確的方法，校準(zhǔn)結(jié)果真實(shí)可靠［8-9］。但車間的工藝較復(fù)雜，進(jìn)行實(shí)物標(biāo)定所需要的設(shè)備、人員都比較多，投入費(fèi)用也比較大?？紤]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(zhǎng)度也相同，適合模擬實(shí)物。所以，采用了和實(shí)物校準(zhǔn)方法比較接近的除塵器布袋進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)取得經(jīng)驗(yàn)值。

當(dāng)皮帶秤通過(guò)基礎(chǔ)調(diào)整，消除托輥組準(zhǔn)直線度誤差、偏載示值誤差在兩個(gè)分度值以內(nèi)，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)接線盒里的電位器，調(diào)整傳感器信號(hào)至允許誤差［6］。電路板上的每一個(gè)傳感器輸入端對(duì)應(yīng)有一個(gè)電位器，順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器便可達(dá)到調(diào)試效果。當(dāng)無(wú)法通過(guò)電位器調(diào)準(zhǔn)時(shí)，可繼續(xù)通過(guò)傳感器基礎(chǔ)高度調(diào)整和電位器調(diào)整結(jié)合，最終將各偏載點(diǎn)誤差調(diào)至允許誤差范圍內(nèi)，并進(jìn)行如下工作。

① 設(shè)置標(biāo)定參數(shù):皮帶長(zhǎng)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(biāo)定物的質(zhì)量為6.25 kg、標(biāo)定量程為 10 t、稱量段長(zhǎng)度為0.6 m。

②啟動(dòng)皮帶空載運(yùn)行30 min以上。

③進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。

④皮帶上放置準(zhǔn)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(gè)支架上，方便增減布袋，以驗(yàn)證稱量值的變化。

⑤進(jìn)行量程標(biāo)定。

3 皮帶秤運(yùn)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(duì)改造效果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3.1 布袋法驗(yàn)證累計(jì)誤差

布袋驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

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

3.2 實(shí)物驗(yàn)證波動(dòng)范圍

根據(jù)車間工藝調(diào)控要求，皮帶秤瞬時(shí)值波動(dòng)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(dāng)瞬時(shí)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(dòng)時(shí)，分別急停運(yùn)行中的皮帶。取下5 m長(zhǎng)的一段石油焦物料用磅秤進(jìn)行稱量，再結(jié)合皮帶秤原理?yè)Q算成瞬時(shí)值與波動(dòng)區(qū)間進(jìn)行比較。如果換算值和波動(dòng)區(qū)間比較偏差在0.5 t以內(nèi)，則為合格。

實(shí)物波動(dòng)范圍如表2所示。

表2 實(shí)物波動(dòng)范圍表Tab.2 Fluctuating range of material object

4 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)多次采集物料抽查，結(jié)果偏差均在要求范圍內(nèi)，運(yùn)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(dòng)范圍大、計(jì)量值無(wú)從參考的情況。通過(guò)這次技術(shù)改造，提高了配料電子皮帶秤的計(jì)量準(zhǔn)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(shí)，也降低了故障率，提高了工作效率。實(shí)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(dá)到了預(yù)期的效果。

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