肖其中，縱振海

調(diào)速皮帶秤在預(yù)給料系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of Speed-regulatingBelt Conveyor Scale in Pre-feeding System

肖其中，縱振海

1 引言

預(yù)給料系統(tǒng)由預(yù)給料機(jī)和稱量裝置組成，采用預(yù)給料技術(shù)是歐洲水泥公司流行的做法。對(duì)于粘土等粘濕物料，通常采用鏈板輸送機(jī)作為預(yù)給料機(jī)；對(duì)于粉煤灰等流動(dòng)性強(qiáng)的物料，通常采用管式螺旋、回轉(zhuǎn)卸料閥或電動(dòng)流量閥作為預(yù)給料機(jī)。

沖板流量計(jì)屬于被動(dòng)式稱重計(jì)量設(shè)備，可作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置，但精度有限；調(diào)速皮帶秤屬于主動(dòng)式稱重計(jì)量設(shè)備（調(diào)速皮帶秤不僅能檢測(cè)物料的流量，還能按設(shè)定值通過調(diào)整帶速來控制流量，所以被稱為主動(dòng)式稱重計(jì)量設(shè)備[1]），用調(diào)速皮帶秤代替沖板流量計(jì)，除能提高計(jì)量精度外，還有穩(wěn)定料流的作用。

國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)引進(jìn)預(yù)給料技術(shù)已有多年，但消化吸收預(yù)給料技術(shù)的水平參差不齊。在利用沖板流量計(jì)作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時(shí)，基本上沒有問題，但在利用調(diào)速皮帶秤作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時(shí)，則很容易產(chǎn)生問題。在近幾年的調(diào)試過程中，曾經(jīng)有3～4家水泥廠在預(yù)給料機(jī)與皮帶秤的組合上出現(xiàn)問題，自動(dòng)閉環(huán)操作未能完全實(shí)現(xiàn)，筆者認(rèn)為有些是在控制思路上出現(xiàn)了誤區(qū)。

2 皮帶秤的工作原理

皮帶秤有三種工作方式，第一種是利用皮帶秤作為直接給料設(shè)備，給料量是料重與帶速的乘積，根據(jù)設(shè)定值，皮帶秤自動(dòng)調(diào)節(jié)帶速，以達(dá)到穩(wěn)定料流的目的，這也是在大多數(shù)情況下的做法；第二種是恒速使用，僅作為稱重計(jì)量設(shè)備；第三種是調(diào)速使用，用來控制帶面負(fù)荷并保持恒定，這種方式在水泥行業(yè)極少使用。皮帶秤的帶速越高，其精度也越差，在保證一定料層的前提下，帶速越低越好。當(dāng)利用調(diào)速皮帶秤作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時(shí)，其控制方式要根據(jù)控制回路區(qū)別對(duì)待。

3 錯(cuò)誤的控制案例及原因分析

湖南湘維水泥有限公司1200t/d熟料生產(chǎn)線采用電石渣代替部分鈣質(zhì)原料，在原料配料中采用了干排電石渣，干排電石渣流動(dòng)性強(qiáng)，用常規(guī)給料方式鎖不住料，用粉體計(jì)量秤（如粉研秤）又投資過高，因此采用管式螺旋＋皮帶秤的預(yù)給料方式；配料用粘土水分較大，采用鏈板輸送機(jī)＋皮帶秤的預(yù)給料方式；入窯生料采用電動(dòng)流量閥＋皮帶秤的預(yù)給料方式。

2009年5月，該廠進(jìn)行調(diào)試，這三種預(yù)給料方式均出現(xiàn)了問題，主要表現(xiàn)是皮帶秤積料嚴(yán)重，容易壓死，之前在自行調(diào)試過程中，粘土庫(kù)下的鏈板輸送機(jī)已被廠方拆除。由于這三種預(yù)給料控制方式是一樣的，現(xiàn)僅對(duì)生料入窯做出說明。

生料入窯示意見圖1，在調(diào)試過程中，筆者觀察到：在中控加大投料量后，料層增厚，皮帶秤帶速卻降了下來，導(dǎo)致料層越來越厚，形成惡性循環(huán)，生料從裙邊處擠出，甚至頂開密封罩。根據(jù)這些現(xiàn)象，筆者認(rèn)為其控制方式有問題。

舉例說明：當(dāng)投料量（設(shè)定值）由30t/h逐步提高到70t/h時(shí)，流量閥開度加大，由于生料粉流動(dòng)性好，難免沖料，料層瞬時(shí)增厚，皮帶秤自動(dòng)降速，以達(dá)到設(shè)定值70t/h的要求。若流量閥實(shí)際通過量為75t/h，而皮帶秤只按設(shè)定值70t/h輸送生料，這樣多出來的生料將很快壓死皮帶秤，即使差值只有50kg，系統(tǒng)也維持不了幾個(gè)小時(shí)。流量閥的開度與皮帶秤顯示的流量（反饋值）形成閉環(huán)，造成系統(tǒng)“認(rèn)為”此時(shí)流量閥的開度是正確的，并保持這個(gè)開度。但此時(shí)皮帶秤的流量是皮帶秤通過自身調(diào)整后的流量，并不能代表流量閥的流量，甚至在密封罩被壓實(shí)的情況下，皮帶秤的流量也不是自身真實(shí)流量的體現(xiàn)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只“知道”流量是料重和帶速的乘積，卻不“知道”此時(shí)部分物料是不能及時(shí)排出秤外的。只有在料層較薄、物料不積滿的情況下，皮帶秤的流量才是流量閥真實(shí)流量（平均流量）的體現(xiàn)。

皮帶秤在預(yù)給料系統(tǒng)中的首要任務(wù)是“告知”系統(tǒng)上游設(shè)備真實(shí)的流量，而非秤體自身通過調(diào)整得到的流量，并及時(shí)將物料送走，如果沒有這個(gè)前提，皮帶秤的穩(wěn)流作用也就失去了意義。如果采用沖板流量計(jì)，其本身只有感知流量，并無調(diào)節(jié)流量的功能，但仍然能組成預(yù)給料系統(tǒng)。

對(duì)于控制程序而言，還要考慮到各種不利因素的影響，即系統(tǒng)抗干擾性能要強(qiáng)，因?yàn)槲锪显趥}(cāng)內(nèi)難免棚料，清堵后又難免沖料，中控操作也存在誤操作的可能性，系統(tǒng)可能因此而陷于癱瘓。

在圖1所示的控制系統(tǒng)圖中，如果增加一個(gè)控制單元，且不用皮帶秤流量的反饋值，而用帶面荷重（料層厚度）與流量閥的通過量（開度大?。┬纬砷]環(huán)，用料層厚度去跟蹤流量閥開度，則可以保證料層的相對(duì)穩(wěn)定，雙回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料是可以實(shí)現(xiàn)的。

因修改程序由DCS承包商負(fù)責(zé)，需要時(shí)間，在這種情況下，廠方聽從筆者建議，將皮帶秤改為恒速運(yùn)行，并保持較高的帶速，系統(tǒng)才得以持續(xù)運(yùn)行，但這只是權(quán)宜之計(jì)。因控制程序缺陷，皮帶秤恒速運(yùn)行時(shí)其反饋值與流量閥的閉環(huán)斷開，連單回路調(diào)節(jié)都無法實(shí)現(xiàn)，此時(shí)中控只能根據(jù)反饋值手動(dòng)調(diào)節(jié)流量閥，且皮帶秤恒定高速運(yùn)行，其誤差要比在低速運(yùn)行條件下大。

4 以調(diào)速皮帶秤為稱量裝置的預(yù)給料控制技術(shù)的發(fā)展過程

4.1 采用料位開關(guān)的簡(jiǎn)易預(yù)給料控制系統(tǒng)

前文中曾提到：只有在料層較薄、物料不積滿的情況下，皮帶秤的流量（反饋值）才是上游設(shè)備（電動(dòng)流量閥、剛性葉輪等預(yù)給料設(shè)備）真實(shí)流量的體現(xiàn)，控制好料層厚度即是解決問題的關(guān)鍵。

北京水泥廠在粉煤灰的預(yù)給料中使用了膜片式料位開關(guān)[2]。膜片傳感來自于自由流動(dòng)的干物料的壓力，該壓力導(dǎo)致開關(guān)動(dòng)作從而控制卸料機(jī)械。對(duì)于粘濕物料，可用阻旋式料位開關(guān)代替膜片式料位開關(guān)?？刂圃硪妶D2。

最初狀態(tài)是皮帶秤上無料，料位開關(guān)使用常閉觸點(diǎn)，預(yù)給料機(jī)（剛性葉輪給料機(jī)）的電源被接通，剛性葉輪給料機(jī)開始下料。當(dāng)秤體表面粉煤灰達(dá)到料位開關(guān)安裝高度時(shí)開關(guān)動(dòng)作，剛性葉輪給料機(jī)失電，粉煤灰停止下料。皮帶秤連續(xù)喂料，秤面粉煤灰逐漸減少，料位下降，當(dāng)料位低于安裝高度時(shí)，膜片式料位開關(guān)釋放，剛性葉輪給料機(jī)得電，粉煤灰恢復(fù)下料。周而復(fù)始，使秤面粉煤灰總能保持一定的儲(chǔ)量。

在采用料位開關(guān)的預(yù)給料系統(tǒng)中，料層控制回路與皮帶秤的定量給料回路相互獨(dú)立，皮帶秤的工作方式與直接給料時(shí)的工作方式基本相同：由荷重傳感器測(cè)得粉煤灰荷重信號(hào)，由測(cè)速傳感器測(cè)得皮帶秤速度信號(hào)，這兩個(gè)模擬量被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送到微處理器由軟件處理；荷重信號(hào)和速度信號(hào)做乘法運(yùn)算得到粉煤灰實(shí)際流量，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)并經(jīng)PID運(yùn)算處理，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，用于調(diào)整皮帶速度，達(dá)到粉煤灰實(shí)際流量跟蹤設(shè)定值的目的。

這種控制方式也可以說是預(yù)給料的雛型。采用料位開關(guān)控制預(yù)給料機(jī)的開停，預(yù)給料機(jī)間歇工作，料層必然是波動(dòng)的，喂料的穩(wěn)定性有待于提高。但它的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、投資小，推薦在改造項(xiàng)目中使用。

4.2 單回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料控制系統(tǒng)

這種方式通過皮帶負(fù)荷來控制預(yù)給料機(jī)的流量，控制原理見圖3。

皮帶秤恒速運(yùn)行，計(jì)量系統(tǒng)測(cè)出通過皮帶的物料流量；控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與反饋值的差值，調(diào)節(jié)預(yù)給料機(jī)的速度，用來控制物料的流量并使之恒定?？刂品绞奖容^簡(jiǎn)單，但有如下缺點(diǎn)：

（1）由于是單回路調(diào)節(jié)，皮帶秤恒速運(yùn)行，預(yù)給料機(jī)的給料精度決定了整個(gè)系統(tǒng)的喂料精度，對(duì)預(yù)給料機(jī)的給料線性度和設(shè)備本身加工精度的要求都比較高。

（2）單回路調(diào)節(jié)方式需物料流量變化到稱重區(qū)才能顯現(xiàn)，因此控制明顯滯后。而且秤體越長(zhǎng)、帶速越慢，滯后時(shí)間也越長(zhǎng)，容易引起振蕩和超調(diào)。

（3）皮帶秤恒速運(yùn)行時(shí)，一般不設(shè)測(cè)速或速度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)頻率、電壓和設(shè)備負(fù)荷變化，帶速并不能保持恒定，從而帶來不可忽略的誤差。如果電網(wǎng)頻率變化1Hz就可以造成2%的誤差[3]。

在生產(chǎn)過程中，即使預(yù)給料機(jī)的開度或速度保持不變，若倉(cāng)壓、物料流動(dòng)性、容重發(fā)生變化，皮帶秤上的料層也會(huì)隨之變化，若皮帶秤調(diào)速運(yùn)行，形成雙回路調(diào)節(jié)，可及時(shí)調(diào)整喂料量，消除時(shí)滯。這需要增加一個(gè)控制回路，但其好處是顯而易見的。

4.3 雙回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料控制系統(tǒng)

隨著皮帶秤的引進(jìn)、消化吸收和近年來控制理論的發(fā)展，雙回路閉環(huán)調(diào)節(jié)已經(jīng)日趨成熟，大冶有色金屬公司諾蘭達(dá)工程將之應(yīng)用于銅精礦的定量給料[4]，控制原理見圖4，控制過程如下：

通過測(cè)速傳感器和荷重傳感器，分別將預(yù)給料機(jī)的輸送速度信號(hào)、皮帶秤的輸送速度信號(hào)及物料的荷重信號(hào)傳送給微處理器進(jìn)行計(jì)算、對(duì)比和分析。如果計(jì)算出的輸出量(實(shí)際流量)與預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)量(給定值)出現(xiàn)偏差，微處理器經(jīng)過分析判斷后，自動(dòng)發(fā)送一相應(yīng)的電信號(hào)給自動(dòng)聯(lián)鎖裝置（控制器的處理單元），聯(lián)鎖裝置按預(yù)先設(shè)定的聯(lián)鎖條件將信號(hào)合理分配給預(yù)給料機(jī)和皮帶秤的變頻調(diào)速器，調(diào)整電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，最終使得輸出量(實(shí)際流量)等于預(yù)先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)量(給定值)，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。

借助于軟件，微處理器如何進(jìn)行分析判斷是控制系統(tǒng)的核心，國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)在控制軟件方面也做出了自己的貢獻(xiàn)。皮帶秤在速度較高時(shí)也達(dá)不到流量設(shè)定值，說明料層薄了，可加大預(yù)給料機(jī)的給料量；皮帶秤在速度較低時(shí)也能達(dá)到流量設(shè)定值，說明料層厚了，要根據(jù)荷重判斷是否有堵秤的危險(xiǎn)，如有則需減小預(yù)給料機(jī)的給料量，如沒有則保持。

在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)皮帶秤的量程，將喂料量按大小劃分，對(duì)應(yīng)某個(gè)喂料量，將其精度最高時(shí)的荷重與帶速數(shù)據(jù)設(shè)置成給定值，成組預(yù)置于系統(tǒng)中，喂料量一經(jīng)給定，荷重和帶速即給定。根據(jù)設(shè)定荷重與檢測(cè)荷重的差值來調(diào)節(jié)預(yù)給料機(jī)，根據(jù)設(shè)定流量與檢測(cè)流量的差值來調(diào)節(jié)皮帶秤，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定給料、精確計(jì)量。

傳統(tǒng)的調(diào)速皮帶秤流量偏小，限制了它在大型水泥生產(chǎn)線中的應(yīng)用，近年來，隨著大型調(diào)速皮帶秤的研制成功，這一缺點(diǎn)得到克服。

安徽皖維水泥有限公司6000t/d熟料生產(chǎn)線在入窯生料控制系統(tǒng)中，采用調(diào)速皮帶秤代替沖板流量計(jì)作為稱量裝置[5]。入窯生料皮帶秤的皮帶寬度為2200mm，秤體長(zhǎng)度為8000mm，是目前國(guó)產(chǎn)最寬最大的皮帶秤，它與流量閥、截止閥、稱重倉(cāng)以及控制儀表構(gòu)成入窯生料控制系統(tǒng)，控制上采用預(yù)置控制加前饋的自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)方式，它是雙回路調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)定流量預(yù)置閥門的輸出，實(shí)現(xiàn)初步預(yù)給料，再根據(jù)設(shè)定荷重與檢測(cè)荷重的差值來調(diào)節(jié)閥門，同時(shí)對(duì)閥門的調(diào)節(jié)加約束條件，保證皮帶秤上物料的負(fù)荷維持在設(shè)定的水平，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定給料。這僅是定性的粗調(diào)環(huán)節(jié)，因此對(duì)預(yù)給料機(jī)的線性度要求較為寬松。根據(jù)設(shè)定流量與檢測(cè)流量的差值來調(diào)節(jié)皮帶秤，這屬于精調(diào)環(huán)節(jié)，相對(duì)于沖板流量計(jì)，調(diào)速皮帶秤更容易達(dá)到相對(duì)較高的精度，若料層有變化，皮帶秤會(huì)自動(dòng)調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。該生產(chǎn)線生料正常用量大約在420t/h左右，系統(tǒng)應(yīng)用非常穩(wěn)定，波動(dòng)僅在5‰以內(nèi)。

5 結(jié)語

調(diào)速皮帶秤可以在預(yù)給料系統(tǒng)中得到較好的應(yīng)用，其控制原理也有多種，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)條件選擇使用。國(guó)內(nèi)某些文獻(xiàn)在介紹預(yù)給料系統(tǒng)的改造時(shí)，最后的結(jié)果往往是拆除預(yù)給料機(jī)，如果沒有預(yù)給料機(jī)，則不能稱之為預(yù)給料系統(tǒng)，預(yù)給料的優(yōu)點(diǎn)也就無從體現(xiàn)，所以在預(yù)給料系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，要多方面尋找原因，并將重點(diǎn)放在控制方案的選擇和優(yōu)化上。

在利用皮帶秤作為預(yù)給料系統(tǒng)的稱量裝置時(shí)，既可選擇恒速模式，也可選擇調(diào)速模式。選擇調(diào)速模式要優(yōu)于恒速模式，相應(yīng)地要在控制思路上做一些改變。在利用調(diào)速皮帶秤作為稱量裝置的雙回路調(diào)節(jié)的預(yù)給料控制系統(tǒng)中，若倉(cāng)壓、物料流動(dòng)性、容重等因素發(fā)生變化，預(yù)給料系統(tǒng)做出的反應(yīng)更為快捷，可以做到真正意義上的自動(dòng)控制和無人值守。

預(yù)給料技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，工藝設(shè)備和電氣自動(dòng)化控制密不可分，軟件的控制思想是否先進(jìn)、算法是否優(yōu)秀，對(duì)預(yù)給料系統(tǒng)的控制效果有顯著影響。

[1]王敬濤.水泥行業(yè)重量計(jì)量設(shè)備的原理與應(yīng)用[J].水泥技術(shù),2001,（2）:18-22.

[2]高恩忠.粉煤灰的計(jì)量與控制[J].水泥，2000，（1）:40-41.

[3]孫秉禮，夏如鐵.入窯生料粉給料計(jì)量系統(tǒng)的選型[J].水泥，2007，（1）:57-59.

[4]鄭彪.帶預(yù)給料的定量給料機(jī)的應(yīng)用[J].有色冶煉，1999（5）:40-42.

[5]李童玉，耿建華.TDG-DEM重型定量給料機(jī)的研制與應(yīng)用[C].水泥廠物料計(jì)量與定量給料技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008.6:33-37.

TQ172.614.2

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1001-6171（2011）03-0040-04

通訊地址：安徽合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051；

2010-11-16；編輯：呂光