基于增量叠加法的皮带秤在线校准系统

袁若浩 周晓峰 刘溢舟 王伟 / .湖北交投智能检测股份有限公司；.上海市质量监督检验技术研究院计量检测所

0 引言

皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过程中对物料进行连续自动称重的一种计量设备，可以在不中断物料传输的情况下，对物料质量进行累计计算。皮带秤作为一种动态称量方法，虽然远不及静态称量方法准确可靠，但皮带秤的优点在于整个计量过程是连续自动的，可实现物料在线实时校准。而校准过程中输送皮带张力、皮带速度等重要参数的变化给皮带秤称量系统造成的计量误差，可以采用周期性校准来保证整个称量系统达到规定的计量准确度要求。

该皮带秤在线校准系统可应用于沥青拌合站原料的称重配比、煤炭累计量称量、港口码头货物的计重运输等环节，并能实现物料在线监控与系统远程校准，极大地提高了计重工作效率。

1 基于增量叠加法皮带秤在线校准原理

基于增量叠加法的皮带秤校准系统主要由主皮带秤、副皮带秤、物料料斗、叠加标准砝码、砝码升降电机、缓冲托辊、速度传感器构成，其结构如图1所示。

图1 基于增量叠加法皮带秤在线校准原理

在进行砝码叠加校准前必须确保主副皮带秤的计量环境和误差保持一致。双秤比对试验可以使两台皮带秤保持一致的计量环境。它的原理为在主副皮带秤称量相同物料量的条件下，以主皮带秤为基准修正副皮带秤的计量系数从而使主副皮带秤得到相同的物料累计值。经过皮带秤调皮和双秤比对后，可以认为此时主副皮带秤具有相同的误差条件和计量准确度。

在增量叠加法校准过程中，物料要均匀稳定地通过皮带，保证皮带受到稳定的张力。皮带传输机首先以设定的速度带动皮带转动，通过速度传感器进行皮带速度监测与控制。当皮带运动速度达到稳定时，将理论上要叠加的标准砝码，通过砝码升降机，均匀铺在皮带上。待所有需施加的额定质量砝码均匀铺在皮带上后，主、副皮带秤记录流过物料的累计值。校准结束后，分别得到主皮带秤累计量和副皮带秤累计量，将两者累计量相减得到叠加砝码称量值。再通过与叠加的砝码额定值比较，从而确定主副皮带秤的修正系数[1]，修正系数公式为

式中：M1——理论叠加物料量；

Q1——主皮带秤累计流量；

Q2——副皮带秤累计流量

式中：ΔQ—— 主副皮带秤累计流量差值

由于皮带上的物料量不均匀和皮带速度值的变化，在T时间内的累计流量Q是瞬时流量Q（t）对时间的积分，为

式中：Q（t）—— 物料的瞬时流量；

q（t）—— 皮带秤的瞬时载荷质量；

v(t)——皮带瞬时速度

皮带的瞬时载荷质量通过安装在秤架下面的称重传感器获得。联立式（1）（3），可得主副皮带秤的修正系数C1：

式中：q1(t)——主皮带秤的瞬时载荷质量；

q2(t)——副皮带秤的瞬时载荷质量

根据理论修正式（4），分别将修正系数C1对主副皮带秤累计流量进行修正，修正后的ΔQ1为

由式（5）可知，修正后主副皮带秤累计流量的差值等于理论叠加物料量，说明此修正方法在理论上可行。两台皮带秤的误差为

2 系统设计

1）硬件设计

基于增量叠加法皮带秤在线校准系统硬件包括可编程控制器（PLC）、螺旋输送机电机、皮带输送机电机、数字变送器、料斗门电机、智能积算器、称重传感器、测速传感器。PLC用于实现皮带输送机的运动控制、螺旋输送机的运动控制、料斗门的动作控制、定时以及传感器的数据采集。上下位机间采用RS232串口进行通信。

料斗门电机采用直流驱动电机，其他电机均采用交流异步驱动电机。上位机通过串口将命令发送至下位机（PLC）实现各部件的运行、停止和料斗门开合度的控制,同时PLC将经过数字变送器和智能积算器处理的信号传至上位机，实现物料累计和瞬时流量的显示，控制系统原理如图2所示。

图2 控制系统硬件

数字变送器配有24位A/D转换器，输出4～20 mA模拟信号。它将称重传感器的电流信号和测速传感器的脉冲信号转化为瞬时载荷质量和皮带的瞬时速度，然后再将信号送入智能积算器，智能积算器可以通过皮带秤的瞬时流量积分计算得到皮带秤的累计流量，最终将累计流量传至上位机。

2）软件设计

本地上位机软件设计开发采用VB（Visual Basic）编程语言，实现校准控制、运动控制命令下传PLC以及各种传感器数据的显示与采集。在本地上位机软件设计中，程序根据校准时的要求向下位机PLC发送各种命令，控制PLC进行参数设置、驱动各部件电机、数据采集和传输等操作。根据对采集到数据的判断和分析处理来完成对皮带秤的校准工作。具体流程为校准开始前，对整套校准系统进行30 min的预热，包括智能仪表以及要求皮带输送机以恒定的速度运转，并对主副皮带秤至少调皮3次以上，完成主副皮带秤比对；然后开启砝码升降驱动电机，往皮带输送校准标准砝码，待标准砝码稳定匀速地放于皮带表面后，开启叠加砝码校准程序，直至设定质量标准砝码完全通过副皮带秤有效称量区，砝码叠加校准结束。

皮带秤的远程校准主要应用网络技术。首先远程校准控制端将校准命令通过网络传输至服务器，服务器再通过射频无线网络将控制信息传至基站（本地计算机），计算机与本地上位机软件进行通信，最终本地上位机软件将命令送至PLC，完成相应的校准操作[2]。

3 基于增量叠加的皮带秤校准

1）双秤比对

不同比对时间和物料流量对主副皮带秤计量影响，比对结果如表1、表2所示。

表1 物料流量17.5 t/h时不同时间下双秤比对结果

表2 不同流量下双秤比对结果

由表1可知，在相同物料流量下（比对选取物料流量17.5 t/h），随着比对时间增加，主副皮带秤计量误差会不断缩小；由表2可知，在相同比对时间下（比对选取4 min），物料流量越大，主副皮带秤计量误差明显越小。

根据双秤比对校准结果，对主副皮带秤进行零点修正，以主皮带秤为基准修正副皮带秤，保证主副皮带秤的计量环境和误差保持一致。

2）不同物料流量重复性试验

考虑到校准成本和校准效率等，增量叠加比例为35%，比对时间大于4 min，根据JJG 195-2019要求[4]，模拟载荷在7.5 t/h、11 t/h、17.5 t/h下的校准，校准结果如表3所示。

表3 基于增量叠加法的皮带秤校准重复试验

从结果可知，当物料流量越小时，主副皮带秤称量结果越稳定，校准系统重复性测量越小。

3）验证

为了验证增量叠加法校准准确度，分别在物料流量7.5 t/h、11 t/h、17.5 t/h进行0.5级实物料斗校验法和增量叠加法的校准实验，通过比对两种方法校准得到的副皮带秤校准相对误差来判断基于增量叠加法皮带秤校准方法的可行性，比对结果见表4。

表4 实物料斗校验法与增量叠加法校准误差比对结果

通过两种方法的比对发现，副皮带秤累计值相对误差均在±0.5%范围内，证明采用增量叠加法进行在线皮带秤校准是可行的[5-6]。

4 结语

皮带秤虽然不具有静态称量的高准确度，但以其自动连续的计重累计优势，提高了物料称量效率。基于增量叠加法皮带秤在线校准系统，在校准过程中整圈砝码累计叠加量可以达到总累计量的50%，增加了校准结果的可靠性，提高了校准效率，为皮带秤在线计量校准提供了新思路，也为皮带秤的推广应用提供了技术条件。

随着科学技术的进步，仪器的自动化、智能化程度越来越高，计量器具的在线校准、远程校准已经成为一个趋势。该皮带秤在线校准系统的研究，正是基于新思路、新思想指导下，为皮带秤的校准溯源提供了更多可能。