袁錫康 張學東 湯強慶

（杭州奧拓機電股份有限公司，浙江 杭州 311107）

近年來，散裝水泥行業(yè)的快速發(fā)展為散裝水泥中轉(zhuǎn)站的布點與建設提供了難得的機遇。《工業(yè)和信息化部關于印發(fā)〈首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應用指導目錄（2019年版）〉的通告》（工信部裝函〔2019〕428號）要求，卸船與裝船能力分別是35 000t/h、20 000t/h（詳見該通告附件4.13.5 高效智能環(huán)保散料儲運成套系統(tǒng)）。而傳統(tǒng)的水尺計重方式一直困擾著廣大經(jīng)營者，急需研制一種流量大、穩(wěn)定可靠、造價低、適應性強、能滿足貿(mào)易結(jié)算計量要求的在線稱重設備，以便能在卸船后進入儲庫之前或出庫后裝船之前即時掌握精準的輸送流量和裝載量。集進港、出港計量功能于一身的一體化計量秤——動靜交互計量秤面世，為買賣雙方提供了可靠的結(jié)算依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由失重計量倉、稱重傳感器、手動/自動標定裝置、標定砝碼、稱重儀表、工控機主體設備組成，由喂料、卸料、除塵等輔助設備配合工作（見圖1）。

從圖1可以看出，整個系統(tǒng)以失重計量倉為核心，配置各類機械設備和電氣設備，使該系統(tǒng)既能適應進港船舶卸載貨物的計量，又能適應出港船舶裝載貨物的計量，因而屬于一機多用型，能滿足貿(mào)易結(jié)算計量要求。

圖1 系統(tǒng)組成

2 設備介紹

2.1 工作原理與操作方法

2.1.1 工作原理

動靜交互計量秤是由兩臺及以上失重計量倉、進料和出料設備和控制系統(tǒng)組成，按一定程序，向各失重計量倉倉體交替給料、計重后交替出料的稱重設備。特別適合水泥、粉煤灰、礦粉等粉狀物料的計量，也可用于顆粒狀物料如大豆、玉米等糧食和鉀肥、尿素等化肥的計量。系統(tǒng)計量原理詳見圖2。

圖2 系統(tǒng)計量原理

2.1.2 操作方法

①通過喂料設備C1或C2、閥門D1-1或D2-1將物料喂入帶重量傳感器模塊組G1的A#計量倉中，當倉內(nèi)物料重量到達預設定值時，所喂物料通過閥門D1-2或D2-2……依次切換至B#、C#……失重計量倉中。②A#計量倉在預設的延時時間段內(nèi)重量傳感器信號穩(wěn)定后，系統(tǒng)即時記錄稱重數(shù)據(jù)S1，開啟倉底閥門E1、開啟流量可調(diào)的卸料設備F1卸料。③待物料卸空、重量傳感器信號穩(wěn)定并關閉倉底閥門E1時，系統(tǒng)即時記錄數(shù)據(jù)S’，A#計量倉進入空倉待機狀態(tài)。④系統(tǒng)前后記錄的A#計量倉稱重數(shù)據(jù)差（S’?S1）即為A#計量倉本次的通過量T1。當然，在本次喂料之前A#計量倉內(nèi)可能已有一定的物料量，或者最后并未卸空A#計量倉內(nèi)的物料，但這并不影響計量結(jié)果，因為實際通過量T1指的是系統(tǒng)前后記錄的A#計量倉的重量差。按上述方法依次計算其他失重計量倉的重量差和循環(huán)后的重量差，并通過累計數(shù)據(jù)，可求得某一時段內(nèi)動靜交互計量秤系統(tǒng)的總通過量。

上述流量可調(diào)的卸料設備F1，如電動執(zhí)行器等，其開度和后端設備可作PID調(diào)節(jié)控制。例如，失重計量倉后端設備是入庫提升機，當提升機電流增加時，執(zhí)行器的開度自動減??；當電流過低時，執(zhí)行器的開度可自動增大，從而使物料出倉更穩(wěn)定，防止后端設備因負載過大而跳停等。

通過動靜交互計量秤的計量原理與操作方法可以看出，它不受秤體和喂料或卸料機械變化的影響，只需計算前后重量差值即可。因此，與傳統(tǒng)動態(tài)計量手段相比，計量精度高，能滿足貿(mào)易結(jié)算計量要求。

動靜交互計量秤還可以加掛模塊對秤體進行不間斷的重量信號的采集，計算出單位時間重量變化比率作為瞬時流量，通過加掛模塊內(nèi)部算法進行目標流量對比與控制運算，進一步輸出調(diào)節(jié)信號去控制執(zhí)行器，從而穩(wěn)定調(diào)整設備的喂料流量和卸料流量，使該系統(tǒng)成為動態(tài)連續(xù)進料、基本連續(xù)出料的看似動態(tài)計量系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設備選型

2.2.1 失重計量倉

失重計量倉數(shù)量和倉體容量依據(jù)中轉(zhuǎn)站規(guī)模、卸船與裝船流量、船舶載重量、切換輔助時間及后續(xù)發(fā)展可能來確定，一般失重計量倉單倉容量20～ 200t（并滿足不大于進港船舶載重量的5%的要求），倉體數(shù)量為2～ 4座，每座倉每小時切換次數(shù)2～ 12次，輔助時間考慮10%～ 20%或經(jīng)精準計算確定；另倉底最大卸料能力應不小于卸船機額定卸船能力的120%，且應不大于裝船機額定裝船能力的110%，流量為連續(xù)可調(diào)型。

例：已知設計額定卸船能力3 000t/h、設計額定裝船能力4 000t/h，試設計計算失重計量倉倉容、數(shù)量及最大卸料能力。

解：考慮到整個中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠且簡捷流暢，初定失重計量倉數(shù)量3座、每小時切換6次，則倉體容量至少為3 000t/h×1.2÷（6次/h×3座）=200t/座，倉底卸料能力區(qū)間為：≥3600t/h（3 000t/h×1.2）～ ≤ 4 400t/h（4 000t/h×1.1），最終可視具體項目的裝船系統(tǒng)或進庫輸送系統(tǒng)的綜合因素決定倉底卸料能力參數(shù)。

倉體結(jié)構(gòu)：①因倉體懸浮于傳感器上，故倉體需有足夠的強度和剛度。②倉體基本形狀以圓形為佳，一般考慮上部為圓柱形、下部為倒尖錐形，傾角不小于55°，以便卸空物料，詳見圖3-a。③當高度有限制要求時，下部可采用倒錐臺形，出料錐底滿布充氣槽，詳見圖3-b。④倉體支撐部位宜設置在倉體重心上部，傳感器受力支點宜做成環(huán)梁結(jié)構(gòu)，盡量減少倉體與受力點的彈性變形。

圖3 倉體形狀

失重計量倉基礎支撐結(jié)構(gòu)：盡量采用混凝土結(jié)構(gòu)作為失重計量倉的基礎支撐，以消除震動、變形對計量精度的影響；若采用鋼結(jié)構(gòu)，則應在控制上采取消除震動影響的處理?？刂葡到y(tǒng)讀取失重計量倉上傳感器的AD碼，采樣多次AD值進行比較，如果之間的差值小于設定的穩(wěn)定值，判斷該失重計量倉已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 喂料設備、出料設備

喂料設備、出料（卸料）設備可采用螺旋輸送機、帶式輸送機、提升機、空氣輸送斜槽等常規(guī)設備，輸送能力應與卸船機、裝船機能力相匹配，詳見2.2.1。

2.2.3 除塵設備

失重計量倉倉體在進出物料過程中要進行呼吸運動，物料喂入時也會因落差和沖擊而產(chǎn)生揚塵，因此，需配置除塵設備。方法有兩種：（1）無灰斗型除塵器直接安裝在失重計量倉倉體頂板上。（2）除塵器不安裝在失重計量倉倉體上，收塵風管和回灰管與失重計量倉倉體采用軟連接。

處理風量：應充分考慮喂料設備的類型、密封程度、最大瞬時流量（以體積計）、物料性質(zhì)、排放要求等綜合選取。對于水泥、粉煤灰、礦粉等粉狀物料，其處理風量、負壓值（指失重計量倉倉頂內(nèi)外部之間的壓差，以產(chǎn)生微負壓使粉塵不外逸為佳）詳見表1。

表1 除塵設備選型技術(shù)參數(shù)表（建議值）

2.3 系統(tǒng)設備特點

（1）適用范圍廣。干燥、松散、無毒、無害的干散物料（粉料或顆粒料）均可適用。

（2）在線連續(xù)計量。對進港或出港貨物均適用，對喂料流量無穩(wěn)定性要求。

（3）工藝靈活、簡潔流暢。一套設備即可完成三種工藝流程的計量，即：卸船—計量—進庫；卸船—計量—裝船；出庫—計量—裝船。

（4）靜態(tài)計量，精度高、卸空率高。倒尖錐形能完全卸空；帶充氣槽倒錐臺型雖不能完全卸空，但剩料量穩(wěn)定，且特殊的計量原理對計量精度無影響。

（5）密閉性好。物料計量在密閉的鋼質(zhì)筒倉內(nèi)實施，無泄漏、無粉塵污染。

（6）流量區(qū)間范圍大。可根據(jù)裝船、卸船主機的技術(shù)參數(shù)，選擇相應規(guī)格的動靜交互計量秤。

（7）閥體密封性好、可靠性高。特殊的密封結(jié)構(gòu)，確保無泄漏，且能適應頻繁啟閉的需要。

（8）智能感知設備全。配有各類智能化檢測、傳感設備，為系統(tǒng)各設備的運行提供可靠的檢測、體檢信息。

（9）即時上傳數(shù)據(jù)、打印單據(jù)。該打印的單據(jù)中有船號、卸貨品種、發(fā)貨單位、發(fā)貨地址、實發(fā)重量、時間、操作員等相關信息。

（10）可與工廠控制系統(tǒng)兼容，實現(xiàn)遠程運維。系統(tǒng)采用PLC控制器，集成了PROFINET接口，除了具有PROFINET總線通訊功能外，還可用于標準的TCP通訊。通過組態(tài)TCP連接或使用開放式通訊專用模塊與其他設備建立TCP連接，以實現(xiàn)通信與遠程運維。

（11）稱重速度快。稱重芯片，每秒最高2 000次采集速度；混合型稱重主機，直接集成了開關輸入輸出和稱重通道，簡單方便；稱重直接與重量傳感器連接，不需要變送器轉(zhuǎn)接。本系統(tǒng)采用高精度工業(yè)控制稱重控制器，稱重信號通過標準的RS232/RS485串口聯(lián)網(wǎng)傳輸至控制系統(tǒng)，以保證稱重信號的準確度和穩(wěn)定性。

2.4 計量標定裝置

為了實現(xiàn)貿(mào)易結(jié)算的計量要求，需要對失重計量倉進行標準砝碼的靜態(tài)標定及校驗，因此，在失重計量倉的下部設計了標準砝碼的安放位置和砝碼提升裝置，以便于校秤過程中砝碼加載/卸載，詳見圖4。

圖4 計量標定裝置

根據(jù)每座失重計量倉的最大稱量量程，按檢定規(guī)程要求，檢定砝碼至少應超過其有效量程的20%，以200t容量的失重計量倉為例，砝碼的總重量不得少于40t。

為此，配置便于砝碼加載/卸載的提升裝置。采用電動葫蘆作為砝碼的提升裝置，并在裝置旁配置升降控制按鈕；提升裝置的下部是砝碼掛架，掛架設置3組，且應有容納砝碼的足夠空間和結(jié)構(gòu)強度。

砝碼可設置為永久固定式，或通過裝載機或叉車進行多失重計量倉之間的移動搬運。

另一種標定方式就是我們常用的實物標定。該失重計量倉裝的物料均為水泥等粉料，根據(jù)粉料的這一特性，可利用水泥散裝罐車來標定。即在失重計量倉進料端制作一根進料管，引至地面，用于散裝罐車上的卸料管道對接。先將散裝車裝好粉料并過地磅得出重量t1，然后使用失重計量倉上的進料管將車內(nèi)的粉料打入失重計量倉內(nèi)，散裝車再次過磅，得出重量t2。此時，t1-t2=t3，可計算出失重計量倉內(nèi)物料的實際重量t3，有了t3值，就可以輕松完成對失重計量倉的標定。平時對失重計量倉的校準、維護都可以采用此方法。

3 控制系統(tǒng)介紹

3.1 控制系統(tǒng)組成

動靜交互計量秤控制系統(tǒng)組成詳見圖5。

圖5 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)畫面詳見圖6。

圖6 控制系統(tǒng)畫面

控制系統(tǒng)主要由電控柜、模塊、稱重儀表、工控機、動力電纜、控制電纜等組成。

（1）采用高精度稱重傳感器及控制儀，采取重量反饋流量控制的方式。

（2）通過往復切換進料/卸料方式對物料實現(xiàn)均勻連續(xù)地精確喂料。

（3）失重計量倉倉體上、下連接裝置均為軟連接，以保證不受外力干擾。

（4）采用工業(yè)PLC控制器，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

（5）系統(tǒng)畫面簡潔易懂，檢修、效驗、零點標定、系統(tǒng)設定等功能操作方便。

（6）系統(tǒng)畫面具有“手動/自動”“暫?！蹦Ｊ?，根據(jù)實際生產(chǎn)的工況進行切換，同時，具有現(xiàn)場/遠程控制功能。

（7）具有料位自由上限設置、料位自由下限設置、料位報警及料位控制輸出功能。

（8）機電一體化設計，喂料系統(tǒng)實現(xiàn)了閉環(huán)控制，計量精度高、給料穩(wěn)定、測量范圍廣。

（9）結(jié)構(gòu)緊湊、低維護、故障率極低、操作使用方便。

（10）通過PROFINET現(xiàn)場總線，實現(xiàn)多臺計量秤聯(lián)網(wǎng)協(xié)作控制的功能，提高了稱重效率。

3.2 控制系統(tǒng)特點

（1）計量精度高（能滿足貿(mào)易結(jié)算計量要求）、全自動化運行、不間斷連續(xù)運行。

（2）能生成日報表、月報表、年報表、發(fā)貨單。便于查詢、統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（3）利用PLC，使動靜交互計量秤很容易融入整個工藝的控制系統(tǒng)中，由于PLC的通用性，大大降低了維護成本，節(jié)省了維護時間，也便于根據(jù)工藝要求做二次開發(fā)。

3.3 系統(tǒng)操作

數(shù)據(jù)可上傳，可遠程監(jiān)控，并與管理部門共享數(shù)據(jù)。

工作過程：失重計量倉內(nèi)物料的重量通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換成電信號輸送給稱量儀表，稱量儀表將稱重數(shù)據(jù)傳入PLC控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)計算出的當前物料重量與預先設定的重量進行比較和判別，以控制進料閥門與出料閥門間斷地向失重計量倉內(nèi)喂料。同時，控制系統(tǒng)計算出的實際給料速率 （排料流量） 與預先設定的給料速率相比較，運用PID調(diào)節(jié)對出料裝置進行控制，使實際給料速率準確地跟蹤設定值，以滿足生產(chǎn)工藝要求。當卸料閥門開啟進行排料作業(yè)時，控制信號鎖定給料速率，進行排料，控制系統(tǒng)中顯示實際給料速率和排出物料的累計重量。

4 注意事項

4.1 設備選型注意事項

（1）注意失重計量倉進、出料口的連接方式。應采用不透氣的軟連接，加強密封和防塵。

（2）應消除震動對計量精度的影響。

（3）適度掌握電氣控制系統(tǒng)的響應時間，最低限度地消除對計量精度的影響。

（4）稱重計量控制系統(tǒng)應與生產(chǎn)線控制系統(tǒng)良好對接。

（5）對失重計量倉傳感器的選型，應根據(jù)倉體的設計容量合理選擇。

（6）失重計量倉的稱重信號布線時，應與強電信號隔離，以免產(chǎn)生電磁干擾。

4.2 設備操作維護注意事項

（1）經(jīng)常檢查失重計量倉是否與周邊有擦碰、卡住現(xiàn)象，以免影響計量精度。

（2）定期對失重計量倉進行標定、校準。

（3）對控制系統(tǒng)出現(xiàn)的報警和故障，應及時查明原因并消除。

5 結(jié)語

自2013年始，本系統(tǒng)在多個項目中得到應用驗證，效果良好，下一步將持續(xù)進行技術(shù)升級，期望能給散裝水泥中轉(zhuǎn)站行業(yè)帶來一場技術(shù)革命。