皮帶秤三組計(jì)量值稱重技術(shù)的研究及應(yīng)用
 

【摘 要】皮帶秤三組計(jì)量值稱重技術(shù)采用分路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)及互為虛擬絞支稱重理論，解決了多稱重傳感器皮帶秤在稱量工作中由于某一稱重傳感器出現(xiàn)故障或異常造成計(jì)量不準(zhǔn)，同時(shí)又不容易發(fā)現(xiàn)的難題，提高了多稱重傳感器皮帶秤稱重的可靠性。
【關(guān)鍵詞】三組；計(jì)量值；皮帶秤
一、概述
電子皮帶秤的誕生已有一百年的歷史，電子皮帶秤的發(fā)展是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，從早期的機(jī)械式皮帶秤，到機(jī)械電子秤，到后二十世紀(jì)90年代，隨著傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的微機(jī)皮帶秤。目前，電子皮帶秤的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而且其作用不僅僅是一臺(tái)計(jì)量設(shè)備，更重要的應(yīng)用是利用其測(cè)量的在線性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，直接輸出控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定量給料、定比例配料，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到了更廣泛應(yīng)用。
隨著電子皮帶秤應(yīng)用的廣泛，皮帶秤使用的可靠性愈來愈受到重視。從稱重傳感器、測(cè)速傳感器、稱重儀表等部件可靠性研究的加強(qiáng)，到對(duì)皮帶秤安裝技術(shù)的重視，使皮帶秤的可靠性有了提升，特別是隨著賽摩創(chuàng)新發(fā)明的“多稱重傳感器衡器的三組計(jì)量值稱重技術(shù)”在皮帶秤的應(yīng)用，使皮帶秤的可靠性得到了進(jìn)一步的提高。
多稱重傳感器衡器的三組計(jì)量值稱重技術(shù)，簡(jiǎn)稱“三計(jì)稱重技術(shù)”。采用互為虛擬鉸支的稱重理論及分路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，解決了稱重技術(shù)領(lǐng)域多年來稱重傳感器出現(xiàn)故障或異常，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、稱重系統(tǒng)計(jì)量不準(zhǔn)的難題，提高了稱重系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性。
賽摩基于三計(jì)稱重技術(shù)研究、開發(fā)的三計(jì)皮帶秤使一臺(tái)皮帶秤具有三組累計(jì)量：一組主累計(jì)量和兩組輔累計(jì)量。兩組輔累計(jì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線比對(duì)，如發(fā)現(xiàn)輔累計(jì)量超差，則對(duì)稱重傳感器進(jìn)行比對(duì)判別，確定稱重傳感器是否有故障或異常（秤架*、支撐變形、結(jié)構(gòu)變化、螺栓松動(dòng)等），將有故障或異常稱重傳感器的一組輔累計(jì)量加以隔離，采用另外一組正常的輔累計(jì)量自動(dòng)替代主累計(jì)量。此時(shí)，皮帶秤稱量工作不中斷，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。從而保證在皮帶秤的某一稱重傳感器有故障或異常時(shí)，系統(tǒng)仍可以進(jìn)行可靠的計(jì)量，大大的提高了皮帶秤運(yùn)行的可靠性和計(jì)量精度的準(zhǔn)確性。
二、“三計(jì)稱重技術(shù)”的建立
1、稱重技術(shù)的發(fā)展歷程回顧
稱重技術(shù)從早期的純機(jī)械秤開始，利用杠桿原理進(jìn)行稱重,如圖1所示，A處作為杠桿支點(diǎn)，重物通過傳力機(jī)構(gòu)施壓在杠桿上，B處作為杠桿力點(diǎn)，用機(jī)械形式指示檢測(cè)重物的重量值。
圖1
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，稱重傳感器及數(shù)字儀表的出現(xiàn)，純機(jī)械秤變?yōu)闄C(jī)電結(jié)合秤如圖2所示，A處作為杠桿支點(diǎn)，重物通過傳力機(jī)構(gòu)施壓在杠桿上，B處作為杠桿力點(diǎn)，在B處安裝稱重傳感器，稱重傳感器把受力后的機(jī)械變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)輸出給數(shù)字儀表，數(shù)字儀表用電子形式顯示檢測(cè)重物的重量值。
圖2
近年來隨著稱重傳感器及稱重儀表的技術(shù)進(jìn)步和價(jià)格的降低，機(jī)電結(jié)合秤發(fā)展為全電子結(jié)構(gòu)形式的電子秤如圖3所示，杠桿A、B處均作力點(diǎn)且裝有稱重傳感器，通過力點(diǎn)上的稱重傳感器把受力后的機(jī)械變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)輸出給基于微處理器控制的稱重儀表，稱重儀表用數(shù)字形式顯示檢測(cè)重物的重量值。
圖3
2、互為虛擬絞支稱重理論
從上述稱重技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段可以看出，通過杠桿原理檢測(cè)重物的重量值是可靠的、準(zhǔn)確的。三個(gè)階段的發(fā)展其主要區(qū)別是機(jī)械結(jié)構(gòu)愈來愈簡(jiǎn)化。進(jìn)入本世紀(jì)以來，衡器絕大部分變?yōu)槿娮咏Y(jié)構(gòu)形式。
通過研究發(fā)現(xiàn)在全電子結(jié)構(gòu)的衡器中，仍內(nèi)含杠桿式檢測(cè)重量的虛擬杠桿結(jié)構(gòu)存在，由此虛擬杠桿結(jié)構(gòu)也可以獲得測(cè)量重量值。
這樣,我們?cè)谌娮咏Y(jié)構(gòu)的衡器中找到了互為虛擬絞支的二組杠桿。通過互為虛擬絞支的二組杠桿產(chǎn)生的二組計(jì)量值，加之全電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一組計(jì)量值，三組計(jì)量值由此獲得。
3、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)
在獲得三組計(jì)量值后，通常把全電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一組計(jì)量值作為稱重儀表的主計(jì)量顯示，用于正常計(jì)量顯示；把互為虛擬絞支的二組杠桿產(chǎn)生的二組計(jì)量值作為輔計(jì)量。
基于二組輔計(jì)量在校準(zhǔn)時(shí)是與主計(jì)量一并進(jìn)行校準(zhǔn)，此二組輔計(jì)量在稱重時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線進(jìn)行比對(duì)，如果二者超過設(shè)定誤差，則判斷出輔計(jì)量所用稱重傳感器可能出現(xiàn)故障或異常，異常產(chǎn)生的原因主要有：稱重傳感器自身故障、稱重傳感器受力處機(jī)械變形、物料堵塞影響稱重傳感器正常受力、外界惡意干擾稱重傳感器的輸出等。
如果輔計(jì)量是由二個(gè)稱重傳感器產(chǎn)生的，稱重儀表則再比較判斷二個(gè)稱重傳感器輸出是否正常；如果輔計(jì)量是由一個(gè)稱重傳感器產(chǎn)生的稱重儀表則再比較此稱重傳感器皮重時(shí)的輸出；經(jīng)過比較找出有故障的或異常的稱重傳感器。
稱重儀表軟件自動(dòng)識(shí)別剔出有故障或異常的稱重傳感器產(chǎn)生的輔計(jì)量,把*稱重傳感器的輔計(jì)量作為正確值，用輔計(jì)量的正確值自動(dòng)替代主計(jì)量顯示。此時(shí),保證了稱重系統(tǒng)既使某一稱重傳感器出現(xiàn)異常或故障，稱重工作仍可以繼續(xù)進(jìn)行，確保稱重的可靠性和準(zhǔn)確性。
4、分路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)
傳統(tǒng)的模擬稱重傳感器組成的衡器，通常把衡器中的N個(gè)稱重傳感器并聯(lián)為1路，經(jīng)1路A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入數(shù)字儀表。此種連接形式的不足是：如果某一稱重傳感器出現(xiàn)故障或異常，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，造成經(jīng)濟(jì)損失。
三計(jì)稱重技術(shù)采用的是N個(gè)稱重傳感經(jīng)過N路A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入稱重儀表，也就是每1路稱重傳感器對(duì)應(yīng)1路A/D轉(zhuǎn)換，通過每1路稱重傳感器的不同組合，形成三組計(jì)量。其優(yōu)點(diǎn)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)稱重傳感器的故障或異常，避免產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。
三、三計(jì)皮帶秤工作原理
以四個(gè)稱重傳感器支撐全懸浮秤架的皮帶秤為例，三計(jì)皮帶秤是將四個(gè)稱重傳感器分成四路獨(dú)立信號(hào)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，數(shù)字轉(zhuǎn)換器將稱重模擬信號(hào)就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送到稱重儀表，稱重儀表通過將四路獨(dú)立稱重信號(hào)分別組合并結(jié)合速度傳感器的信號(hào)計(jì)算得到三組輸送物料的累計(jì)量及瞬時(shí)流量，即一組主累計(jì)量和二組輔累計(jì)量。
主累計(jì)量由四個(gè)稱重傳感器支撐形成的全懸浮式秤架組合產(chǎn)生（圖4），另外兩組輔累計(jì)量分別由A、B稱重傳感器支撐形式單杠桿秤架（此時(shí)C、D稱重傳感器作為支點(diǎn)）圖5及C、D稱重傳感器支撐形成的單杠桿秤架（此時(shí)A、B稱重傳感器作為支點(diǎn)）圖6產(chǎn)生的。
圖4
圖5
圖6
稱重儀表正常顯示主累計(jì)量，基于二組輔累計(jì)量在校準(zhǔn)時(shí)是與主累計(jì)量一并進(jìn)行校準(zhǔn)的，此時(shí)二組輔累計(jì)量實(shí)時(shí)在線比對(duì)，如果二組輔累計(jì)量相差過大，超過設(shè)定范圍，則對(duì)構(gòu)成二組輔累計(jì)量的稱重傳感器輸出信號(hào)分別進(jìn)行對(duì)比，誤差超過設(shè)定范圍的稱重
傳感器即為有故障的一組輔累計(jì)量。
同時(shí)，選擇*的一組輔累計(jì)量替代主累計(jì)顯示，從而保證皮帶秤在某一稱重傳感器有故障或異常時(shí)仍然可以進(jìn)行稱重，提高了皮帶秤運(yùn)行的可靠性和計(jì)量精度的準(zhǔn)確性。
四、三計(jì)稱重給料機(jī)/給煤機(jī)工作原理
三計(jì)稱重給料機(jī)/給煤機(jī)采用二組全懸浮式單托輥秤架結(jié)構(gòu)（AB一組、CD一組，圖7），每組全懸浮式單托輥秤架由兩個(gè)稱重傳感器模塊支撐，二組全懸浮式秤架總計(jì)有四個(gè)稱重傳感器支撐。四個(gè)稱重傳感器分成四路獨(dú)立信號(hào)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器將稱重模擬信號(hào)就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送到稱重儀表，稱重儀表通過將四路獨(dú)立稱重信號(hào)分別組合并結(jié)合速度傳感器的信號(hào)計(jì)算得到三組輸送物料的累計(jì)量及瞬時(shí)流量，即一組主累計(jì)量和二組輔累計(jì)量。
圖7
主累計(jì)量由二組單托輥稱重秤架組成一雙托輥秤架，該秤架稱重區(qū)域長(zhǎng)，計(jì)量精度高，皮帶秤正常工作時(shí)由主累計(jì)量進(jìn)行計(jì)量。輔累計(jì)量由每組單托輥稱重秤架獨(dú)立組成，將每組單托輥稱重秤架得到的輔累計(jì)量通過軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線比對(duì)，如果二組輔累計(jì)量相差過大，超過設(shè)定范圍，則對(duì)構(gòu)成二組輔累計(jì)量的單托輥稱重秤架的稱重傳感器輸出信號(hào)分別進(jìn)行對(duì)比，誤差超過設(shè)定范圍的稱重傳感器即為有故障的一組輔助計(jì)量。
同時(shí)選擇*的一組輔累計(jì)量替代主累計(jì)量顯示，從而保證稱重給料機(jī)/給煤機(jī)在某一稱重傳感器有故障時(shí)仍然可以可靠的進(jìn)行稱重。大大的提高了稱重給料機(jī)/給煤機(jī)運(yùn)行的可靠性和計(jì)量精度的準(zhǔn)確性。避免了由于稱重傳感器發(fā)生故障，計(jì)量不準(zhǔn)，造
成經(jīng)濟(jì)損失。
五、三計(jì)皮帶秤的應(yīng)用
已投放市場(chǎng)的三計(jì)皮帶秤被應(yīng)用于碼頭裝船/卸船、煤礦裝車、火電廠入場(chǎng)煤/入爐煤計(jì)量等重要場(chǎng)所，以其優(yōu)異的可靠性受到用戶的肯定。使用三計(jì)皮帶秤，不僅在皮帶秤運(yùn)行中可及時(shí)地發(fā)現(xiàn)稱重傳感器故障，特別是發(fā)現(xiàn)稱重傳感器的異常（秤架*、支撐變形、結(jié)構(gòu)變化、螺栓松動(dòng)等），而且此時(shí)皮帶秤仍可以進(jìn)行可靠的計(jì)量，輸送系統(tǒng)不需要停機(jī)，從而避免由于稱重傳感器發(fā)生故障或異常造成計(jì)量不準(zhǔn)帶來的重大經(jīng)濟(jì)損失。
三計(jì)皮帶秤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)：
皮帶長(zhǎng)度：99.475m； 皮帶速度：2.715m/s； 皮帶寬度：800mm；
皮帶機(jī)傾角：16度； 輸送量：500t/h；
皮帶秤秤架采用四個(gè)稱重傳感器支撐的四托輥秤架結(jié)構(gòu)，儀表采用PLR三計(jì)積算器。
1、零點(diǎn)測(cè)試：
主累計(jì)量 輔累計(jì)量1 輔累計(jì)量2
0.000t 0.001t -0.000t
0.002t 0.002t -0.001t
0.001t 0.001t -0.002t
2、物料測(cè)試
物料量 主累計(jì)量 輔累計(jì)量1 輔累計(jì)量2
9.939t 9.944t 9.950t 9.939t
9.947t 9.948t 9.951t 9.945t
9.942t 9.945t 9.950t 9.940t
綜上所述，隨著賽摩三計(jì)皮帶秤稱重技術(shù)的出現(xiàn)，解決了皮帶秤多年來稱重傳感器出現(xiàn)故障不易發(fā)現(xiàn)的難題，同時(shí)解決了由于稱重傳感器異常影響計(jì)量的問題，提高了皮帶秤的可靠性及計(jì)量精度，三計(jì)皮帶秤必將給各行業(yè)的生產(chǎn)管理帶來便利，更好地滿足客戶的需求，為客戶帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。
作者