调速皮带秤在预给料系统中的应用

肖其中，纵振海

调速皮带秤在预给料系统中的应用

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

肖其中，纵振海

1 引言

预给料系统由预给料机和称量装置组成，采用预给料技术是欧洲水泥公司流行的做法。对于粘土等粘湿物料，通常采用链板输送机作为预给料机；对于粉煤灰等流动性强的物料，通常采用管式螺旋、回转卸料阀或电动流量阀作为预给料机。

冲板流量计属于被动式称重计量设备，可作为预给料系统的称量装置，但精度有限；调速皮带秤属于主动式称重计量设备（调速皮带秤不仅能检测物料的流量，还能按设定值通过调整带速来控制流量，所以被称为主动式称重计量设备[1]），用调速皮带秤代替冲板流量计，除能提高计量精度外，还有稳定料流的作用。

国内水泥行业引进预给料技术已有多年，但消化吸收预给料技术的水平参差不齐。在利用冲板流量计作为预给料系统的称量装置时，基本上没有问题，但在利用调速皮带秤作为预给料系统的称量装置时，则很容易产生问题。在近几年的调试过程中，曾经有3～4家水泥厂在预给料机与皮带秤的组合上出现问题，自动闭环操作未能完全实现，笔者认为有些是在控制思路上出现了误区。

2 皮带秤的工作原理

皮带秤有三种工作方式，第一种是利用皮带秤作为直接给料设备，给料量是料重与带速的乘积，根据设定值，皮带秤自动调节带速，以达到稳定料流的目的，这也是在大多数情况下的做法；第二种是恒速使用，仅作为称重计量设备；第三种是调速使用，用来控制带面负荷并保持恒定，这种方式在水泥行业极少使用。皮带秤的带速越高，其精度也越差，在保证一定料层的前提下，带速越低越好。当利用调速皮带秤作为预给料系统的称量装置时，其控制方式要根据控制回路区别对待。

3 错误的控制案例及原因分析

湖南湘维水泥有限公司1200t/d熟料生产线采用电石渣代替部分钙质原料，在原料配料中采用了干排电石渣，干排电石渣流动性强，用常规给料方式锁不住料，用粉体计量秤（如粉研秤）又投资过高，因此采用管式螺旋＋皮带秤的预给料方式；配料用粘土水分较大，采用链板输送机＋皮带秤的预给料方式；入窑生料采用电动流量阀＋皮带秤的预给料方式。

2009年5月，该厂进行调试，这三种预给料方式均出现了问题，主要表现是皮带秤积料严重，容易压死，之前在自行调试过程中，粘土库下的链板输送机已被厂方拆除。由于这三种预给料控制方式是一样的，现仅对生料入窑做出说明。

生料入窑示意见图1，在调试过程中，笔者观察到：在中控加大投料量后，料层增厚，皮带秤带速却降了下来，导致料层越来越厚，形成恶性循环，生料从裙边处挤出，甚至顶开密封罩。根据这些现象，笔者认为其控制方式有问题。

举例说明：当投料量（设定值）由30t/h逐步提高到70t/h时，流量阀开度加大，由于生料粉流动性好，难免冲料，料层瞬时增厚，皮带秤自动降速，以达到设定值70t/h的要求。若流量阀实际通过量为75t/h，而皮带秤只按设定值70t/h输送生料，这样多出来的生料将很快压死皮带秤，即使差值只有50kg，系统也维持不了几个小时。流量阀的开度与皮带秤显示的流量（反馈值）形成闭环，造成系统“认为”此时流量阀的开度是正确的，并保持这个开度。但此时皮带秤的流量是皮带秤通过自身调整后的流量，并不能代表流量阀的流量，甚至在密封罩被压实的情况下，皮带秤的流量也不是自身真实流量的体现，因为计算机只“知道”流量是料重和带速的乘积，却不“知道”此时部分物料是不能及时排出秤外的。只有在料层较薄、物料不积满的情况下，皮带秤的流量才是流量阀真实流量（平均流量）的体现。

皮带秤在预给料系统中的首要任务是“告知”系统上游设备真实的流量，而非秤体自身通过调整得到的流量，并及时将物料送走，如果没有这个前提，皮带秤的稳流作用也就失去了意义。如果采用冲板流量计，其本身只有感知流量，并无调节流量的功能，但仍然能组成预给料系统。

对于控制程序而言，还要考虑到各种不利因素的影响，即系统抗干扰性能要强，因为物料在仓内难免棚料，清堵后又难免冲料，中控操作也存在误操作的可能性，系统可能因此而陷于瘫痪。

在图1所示的控制系统图中，如果增加一个控制单元，且不用皮带秤流量的反馈值，而用带面荷重（料层厚度）与流量阀的通过量（开度大小）形成闭环，用料层厚度去跟踪流量阀开度，则可以保证料层的相对稳定，双回路调节的预给料是可以实现的。

因修改程序由DCS承包商负责，需要时间，在这种情况下，厂方听从笔者建议，将皮带秤改为恒速运行，并保持较高的带速，系统才得以持续运行，但这只是权宜之计。因控制程序缺陷，皮带秤恒速运行时其反馈值与流量阀的闭环断开，连单回路调节都无法实现，此时中控只能根据反馈值手动调节流量阀，且皮带秤恒定高速运行，其误差要比在低速运行条件下大。

4 以调速皮带秤为称量装置的预给料控制技术的发展过程

4.1 采用料位开关的简易预给料控制系统

前文中曾提到：只有在料层较薄、物料不积满的情况下，皮带秤的流量（反馈值）才是上游设备（电动流量阀、刚性叶轮等预给料设备）真实流量的体现，控制好料层厚度即是解决问题的关键。

北京水泥厂在粉煤灰的预给料中使用了膜片式料位开关[2]。膜片传感来自于自由流动的干物料的压力，该压力导致开关动作从而控制卸料机械。对于粘湿物料，可用阻旋式料位开关代替膜片式料位开关。控制原理见图2。

最初状态是皮带秤上无料，料位开关使用常闭触点，预给料机（刚性叶轮给料机）的电源被接通，刚性叶轮给料机开始下料。当秤体表面粉煤灰达到料位开关安装高度时开关动作，刚性叶轮给料机失电，粉煤灰停止下料。皮带秤连续喂料，秤面粉煤灰逐渐减少，料位下降，当料位低于安装高度时，膜片式料位开关释放，刚性叶轮给料机得电，粉煤灰恢复下料。周而复始，使秤面粉煤灰总能保持一定的储量。

在采用料位开关的预给料系统中，料层控制回路与皮带秤的定量给料回路相互独立，皮带秤的工作方式与直接给料时的工作方式基本相同：由荷重传感器测得粉煤灰荷重信号，由测速传感器测得皮带秤速度信号，这两个模拟量被转换为数字信号后，送到微处理器由软件处理；荷重信号和速度信号做乘法运算得到粉煤灰实际流量，并与设定值进行比较，得到偏差信号并经PID运算处理，经数模转换后输出，用于调整皮带速度，达到粉煤灰实际流量跟踪设定值的目的。

这种控制方式也可以说是预给料的雏型。采用料位开关控制预给料机的开停，预给料机间歇工作，料层必然是波动的，喂料的稳定性有待于提高。但它的优点是控制简单、投资小，推荐在改造项目中使用。

4.2 单回路调节的预给料控制系统

这种方式通过皮带负荷来控制预给料机的流量，控制原理见图3。

皮带秤恒速运行，计量系统测出通过皮带的物料流量；控制系统根据设定值与反馈值的差值，调节预给料机的速度，用来控制物料的流量并使之恒定。控制方式比较简单，但有如下缺点：

（1）由于是单回路调节，皮带秤恒速运行，预给料机的给料精度决定了整个系统的喂料精度，对预给料机的给料线性度和设备本身加工精度的要求都比较高。

（2）单回路调节方式需物料流量变化到称重区才能显现，因此控制明显滞后。而且秤体越长、带速越慢，滞后时间也越长，容易引起振荡和超调。

（3）皮带秤恒速运行时，一般不设测速或速度补偿环节。但实际运行时，由于电网频率、电压和设备负荷变化，带速并不能保持恒定，从而带来不可忽略的误差。如果电网频率变化1Hz就可以造成2%的误差[3]。

在生产过程中，即使预给料机的开度或速度保持不变，若仓压、物料流动性、容重发生变化，皮带秤上的料层也会随之变化，若皮带秤调速运行，形成双回路调节，可及时调整喂料量，消除时滞。这需要增加一个控制回路，但其好处是显而易见的。

4.3 双回路调节的预给料控制系统

随着皮带秤的引进、消化吸收和近年来控制理论的发展，双回路闭环调节已经日趋成熟，大冶有色金属公司诺兰达工程将之应用于铜精矿的定量给料[4]，控制原理见图4，控制过程如下：

通过测速传感器和荷重传感器，分别将预给料机的输送速度信号、皮带秤的输送速度信号及物料的荷重信号传送给微处理器进行计算、对比和分析。如果计算出的输出量(实际流量)与预置标准量(给定值)出现偏差，微处理器经过分析判断后，自动发送一相应的电信号给自动联锁装置（控制器的处理单元），联锁装置按预先设定的联锁条件将信号合理分配给预给料机和皮带秤的变频调速器，调整电机的运转速度，最终使得输出量(实际流量)等于预先设置的标准量(给定值)，以满足生产工艺的要求。

借助于软件，微处理器如何进行分析判断是控制系统的核心，国内水泥行业在控制软件方面也做出了自己的贡献。皮带秤在速度较高时也达不到流量设定值，说明料层薄了，可加大预给料机的给料量；皮带秤在速度较低时也能达到流量设定值，说明料层厚了，要根据荷重判断是否有堵秤的危险，如有则需减小预给料机的给料量，如没有则保持。

在实际应用中，可根据皮带秤的量程，将喂料量按大小划分，对应某个喂料量，将其精度最高时的荷重与带速数据设置成给定值，成组预置于系统中，喂料量一经给定，荷重和带速即给定。根据设定荷重与检测荷重的差值来调节预给料机，根据设定流量与检测流量的差值来调节皮带秤，从而实现稳定给料、精确计量。

传统的调速皮带秤流量偏小，限制了它在大型水泥生产线中的应用，近年来，随着大型调速皮带秤的研制成功，这一缺点得到克服。

安徽皖维水泥有限公司6000t/d熟料生产线在入窑生料控制系统中，采用调速皮带秤代替冲板流量计作为称量装置[5]。入窑生料皮带秤的皮带宽度为2200mm，秤体长度为8000mm，是目前国产最宽最大的皮带秤，它与流量阀、截止阀、称重仓以及控制仪表构成入窑生料控制系统，控制上采用预置控制加前馈的自适应PID调节方式，它是双回路调节的闭环控制系统。根据设定流量预置阀门的输出，实现初步预给料，再根据设定荷重与检测荷重的差值来调节阀门，同时对阀门的调节加约束条件，保证皮带秤上物料的负荷维持在设定的水平，实现稳定给料。这仅是定性的粗调环节，因此对预给料机的线性度要求较为宽松。根据设定流量与检测流量的差值来调节皮带秤，这属于精调环节，相对于冲板流量计，调速皮带秤更容易达到相对较高的精度，若料层有变化，皮带秤会自动调速，从而实现精确计量。该生产线生料正常用量大约在420t/h左右，系统应用非常稳定，波动仅在5‰以内。

5 结语

调速皮带秤可以在预给料系统中得到较好的应用，其控制原理也有多种，设计人员可根据条件选择使用。国内某些文献在介绍预给料系统的改造时，最后的结果往往是拆除预给料机，如果没有预给料机，则不能称之为预给料系统，预给料的优点也就无从体现，所以在预给料系统出现问题时，要多方面寻找原因，并将重点放在控制方案的选择和优化上。

在利用皮带秤作为预给料系统的称量装置时，既可选择恒速模式，也可选择调速模式。选择调速模式要优于恒速模式，相应地要在控制思路上做一些改变。在利用调速皮带秤作为称量装置的双回路调节的预给料控制系统中，若仓压、物料流动性、容重等因素发生变化，预给料系统做出的反应更为快捷，可以做到真正意义上的自动控制和无人值守。

预给料技术是一项系统工程，工艺设备和电气自动化控制密不可分，软件的控制思想是否先进、算法是否优秀，对预给料系统的控制效果有显著影响。

[1]王敬涛.水泥行业重量计量设备的原理与应用[J].水泥技术,2001,（2）:18-22.

[2]高恩忠.粉煤灰的计量与控制[J].水泥，2000，（1）:40-41.

[3]孙秉礼，夏如铁.入窑生料粉给料计量系统的选型[J].水泥，2007，（1）:57-59.

[4]郑彪.带预给料的定量给料机的应用[J].有色冶炼，1999（5）:40-42.

[5]李童玉，耿建华.TDG-DEM重型定量给料机的研制与应用[C].水泥厂物料计量与定量给料技术学术研讨会论文集，2008.6:33-37.

TQ172.614.2

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1001-6171（2011）03-0040-04

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2010-11-16；编辑：吕光