基于线性系统理论的皮带秤角度补偿

王 越

（河北港口集团秦皇岛港股份有限公司第七港务分公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

皮带秤计量的线性系统变化受皮带张力和皮带倾角两方面影响。其中环境温度、湿度、皮带更换、滚筒更换、流量大小等都是导致皮带张力变化的因素。秦皇岛港股份有限公司现场的皮带秤在皮带张力方面的补偿地面皮带秤和取料机皮带秤是一致的，但是取料机较地面皮带除了受皮带张力的影响之外还受皮带倾角的影响。悬臂式取料机作业需要大臂俯仰角度经常变化，并且悬臂取料机本身具有振动大的特性也影响着角度的时刻变化。本文研究设计出一套稳定又实用的补偿方法来修复皮带秤计量线性变化，提高皮带秤精度。

1 原有角度补偿的不适应性

取料机皮带秤现有的角度补偿措施有现场安装角度补偿器和设置自动零点跟踪功能。原有的拉姆齐角度补偿器在使用过程中反应效果不佳，稳定性较差，影响皮带秤计量精度。且对于称量精度高的皮带秤，倾角最好不要超过5°，但是悬臂取料机的俯仰角度范围为-11.5°～+10°，即原有皮带秤角度补偿器无法满足现场生产的需要。

拉姆齐皮带秤本身具有的自动零点跟踪，但是在实际操作中这种功能很难实现，在疏港紧张的生产形式下达不到每次换层都进行空转调零的条件；每次调零至少需要83 s，需要耗费大量电能，与公司的节能指标要求不相符等种种因素制约着自动零点跟踪功能的实现。这就需要采取一种新型的可以代替自动零点跟踪功能且不影响生产、节能等因素的方法来提高皮带秤的计量精度。

2 理论计算变角度皮带秤误差值

经过现场调查可知取料机取料时大致分为3 层，第1 层为取垛顶，其操作量约占整个煤垛的15%；第2 层取垛中，其操作量约占整个煤垛的35%；第3 层取垛底，其操作量占整个煤垛的50%。第1 层取料俯仰角度θ 在+1°～-3°；第2 层取料俯仰角度θ在-3°～-8°；第3 层取料俯仰角度θ 在-8°～-11°，且最底层取料时基本保持在最低角度，对皮带秤计量线性系统影响最大。通过数据计算和实验调试，选择采用一种稳定可靠的角度补偿措施来弥补皮带秤因角度变化导致的线性系统异常，进而提高了皮带秤计量精度和稳定性。

经上述可知，取料机正常取料时俯仰角度θ 范围在+1°～-11°，可以得出俯仰角度θ 的平均角度为-5°。为了尽量减少皮带秤计量误差，保证皮带秤计数的线性，选择采取俯仰角度-5°为基准角度对皮带秤进行调零，保证在没有角度补偿的情况下最大限度提高皮带秤的精度。

然后根据线性系统理论对角度补偿进行计算。为了方便计算设定相关参数如下：取料机正常取料时俯仰角度为θ，皮带秤秤体受力为F，物料真实值为Mg。正常取料过程中，皮带秤测重示意如图1 所示。

从图1 可知：

由于调零的基准角度为-5°，将θ为-5°代入上述式（1），计算可得皮带秤计量数据为：

即当无角度补偿情况下，在正常取料时俯仰角度θ 任意变化情况下皮带秤的计量数据的系数为0.996 保持不变，这就改变了测量数据的线性曲线，且角度偏差越大线性改变越大。以-5°为基准角度，依据线性系统理论来计算在俯仰角度变化时皮带秤测重值F 与F-5°的误差δ：

由于取料机正常取料时基本分3 层即3 个俯仰角度取料，第1 层顶层取料俯仰角度θ 在+1°～-3°，其取料时基本稳定在-1°；第2 层中层取料俯仰角度θ 在-3°～-8°，其取料时基本稳定在-5°；第2 层底层取料俯仰角度θ 在-8°～-11°，其取料时基本稳定在-11°。分别将上述3 个俯仰角度值代入式（2）：

计算可得δ顶层=0.4%，即当取煤垛顶层时皮带秤测量值比物料真实值偏大0.4%；δ中层=0，即取中层是皮带秤计量数据基本无误差；δ底层=-1.5%，即取底层时皮带秤测量值比物料真实值偏小1.5%。

3 实验验证变角度皮带秤误差

针对上述理论计算数据进行了多次现场实验验证，分别在俯仰角度为-1°、-5°、-11°时进行调零并记录相关数据。对试验调零记录的数据进行分析，可以得出在-1°时实际误差值：

同理可测算出其他俯仰角度时的测量误差，各俯仰角度时的测量误差见表1。

表1 测量误差

4 补偿程序设计

通过试验测量分析，将实际误差与理论误差对比可以看出理论计算的测量误差与实际误差在变化趋势、同向性上是一致的，完全可以按照理论误差对皮带秤进行设计角度补偿。皮带秤的测量结果是通过PLC 系统进行数据传递给生产管理系统的，因此决定在PLC 系统内设计相关的角度补偿，具体实施程序如图2 所示。

上述程序为当俯仰角度FUYANG_JIAODU≥-3°（取煤垛顶层）时，由计算已知皮带秤测量值比物料真实值偏大0.4%，即将皮带秤计数数据乘以1-0.4%=0.996 的系数对皮带秤进行角度补偿；所以给变量PDLJ 数据乘以系数0.996 来校正皮带秤测量值；当俯仰角度FUYANG_JIAODU 在-3°～-8°（取煤垛中层）时，由计算已知皮带秤测量值与物料真实值基本相同，所以直接将皮带秤计数数据传送给中控变量PDLJ1；当俯仰角度FUYANG_JIAODU 小于或等于-8°（取煤垛顶层）时，由计算已知皮带秤测量值比物料真实值偏小1.5%，即将皮带秤计数数据乘以1+1.5%=1.015 的系数对皮带秤进行角度补偿；所以给变量PDLJ2 数据乘以系数1.015 来校正皮带秤测量值。将PDLJ、PDLJ1、PDLJ2 三者之和传送给工作累积量（给中控）RC91W。使用基于线性系统理论的皮带秤角度补偿设计方法后，较之前的补偿措施不仅稳定性大大提高，在节能方面也效果明显。

5 结束语

实践证明，基于线性系统理论的皮带秤角度补偿设计方法适用于悬臂式取料机。将此种设计方法运用到港口现有取料机上，极大的提高了取料机皮带秤的精度，满足了精细化配煤对计量精度越来越高的需求。