【方原柏专栏】冶金行业皮带秤应用的难点和应对措施

1 概述

冶金行业中无论是钢铁行业部门还是有色金属部门，几乎都要与固体物料打交道，物料有的是原料，如矿石、煤、熔剂等，有的是半成品，如氧化铝、烟尘（如氧化锌）、焙砂等，有的是成品，如焦炭、选矿厂的精矿等。这些物料在生产过程中都需要进行瞬时流量和累积流量的检测，以便用于过程监控和计量。因此，冶金行业是国内皮带秤最早的一批用户，历来也是皮带秤的应用大户和重点行业。

但是皮带秤不同于一般的仪器仪表，它是在皮带输送机输送物料的过程中进行动态测量，使用效果不仅仅取决于皮带秤本身的质量，还取决于皮带输送机的状况以及维护校验的条件和制度。由于达不到使用要求，在冶金行业使用的多数皮带秤的运行状况不能令人满意，特别是一些用于进出厂的原料、成品计量和厂际间的物料交接计量的要求高准确度计量皮带秤，往往因准确度过低令领导和维护人员一筹莫展。

2 冶金行业皮带秤应用的特点

冶金行业皮带秤应用的特点在于应用数量大、物料种类多且性能差别大、物料瞬时流量覆盖范围大等。

2.1 应用数量大

国内每一个大中型钢铁厂的皮带秤的应用数量都在数百台，而大中型有色金属企业的皮带秤的应用数量稍微少一点，大致在数十台至数百台之间。这么多台皮带秤，维护量是非常大的，维护人员往往顾此失彼，很难使每大多数皮带秤都保持在最佳状态。

2.2 物料种类多且性能差别大

冶金行业固体物料的品种繁多，像矿石、精矿、石灰石、石英石、砂石、粘土、焦炭、煤、焙砂、烟尘、返料、水泥、氧化铝、铝粉、锌粉等等，其性能差别非常大。如原矿的块度可能达到数十公分，单块重量数十公斤，而烟尘、煤粉的粒度由多数在-200目；含水量有的达到百分之十几，如选矿厂产出的精矿，有的含水量低于0.3%，如焙砂、烟尘、煤粉，属倾泻性物料，容易产生粉尘；有的物料比重很大，如一些金属的矿石和精矿堆比重达到3~4kg/cm³，有的非常轻，如焦炭堆比重仅为0.4~0.5kg/cm³；大部分物料为常温，但有的物料温度可超过100℃，如未完全冷却的烧结块或焦炭。不同种类不同性能的物料，在称量过程中遇到的难点不一样，需要用不同的办法解决。

2.3 物料瞬时流量覆盖范围大

虽然大多数物料的瞬时流量测量范围在每小时数吨、数十吨、数百吨的范围内，但是也有每小时数千吨的超大流量和每小时数十公斤的超小流量的应用，如临海港口的钢铁厂卸矿码头有每小时数千吨的超大流量，在有色金属工厂湿法淨液车间的锌粉添加有每小时数十公斤的超小流量。对不同的瞬时流量测量范围，更须采取不同的解决办法。

3 冶金行业皮带秤应用的难点

3.1 皮带输送机的条件和运行状况差

皮带秤，特别是高准确度皮带秤，一般对皮带输送机的条件和运行状况要求比较高，如要求皮带输送机平直、长度不要过长过短、皮带倾角不要太大、托辊槽形角不要太大、皮带柔性好、输送机不带卸料小车卸料犁、皮带运行不要跑偏、托辊对称性好润滑良好等等。而在冶金行业，工厂里实际运行的皮带输送机大都达不到上述要求，因为这里设备的设计选型维护只要满足能输送物料即可，根本不会考虑皮带秤的要求。所以我们在很多冶金工厂看到，一些主要用于计量的皮带安装在以下条件下：有凹弧断面曲线的皮带输送机上（甚至是安装在有两段凹弧断面曲线的皮带输送机上）；带卸料小车的皮带输送机上；长度达数千米的皮带输送机上；皮带严重跑偏的皮带输送机上；皮带破损严重的皮带输送机上；托辊未定期润滑不能转动的皮带输送机上等等。皮带秤在上述条件下运行，明显先天不足。

3.2 缺少校验设施

皮带秤的运行离不开校验设施，特别是准确度要求较高的皮带秤，如果生产现场事先未作考虑，如未设置校验料仓、卸料犁、卸料溜槽等，将给物料校验带来很大困难，而在冶金行业的生产现场，很难见到这一类的校验设施。缺少校验设施使生产现场物料校验费时费力，最终会造成物料校验间隔时间过长甚至长期不能进行物料校验的情况。

3.3 故障查找困难

皮带秤是一种动态计量设备，故障率高，日常维护工作量大，管理好皮带秤对维护人员的素质要求高，而且还需要经过多年实践积累一定的经验才可能从事皮带秤故障查找等相关的维护工作。

3.4 信息闭塞人才匮乏

长期在生产过程的一线员工，能得到参加技术培训、技术交流的机会非常少，对最新的有关皮带秤的新产品和各种新技术了解较少，收集这些信息的渠道不畅通，信息闭塞。在生产现场，维护皮带秤的员工大多数还要同时维护其他仪器仪表，因此对皮带秤结构、安装、维护、校验有深入了解的人不多，处理故障的经验较少，熟悉皮带秤应用技术的人才匮乏，难以维持皮带秤的正常运行，特别是对维护高准确度皮带秤的正常运行会感到力不从心。

3.5 运行准确度低

由于存在上述难点，其导致的综合结果就是皮带秤运行准确度低。我曾赴多个冶金工厂考查，有个企业曾一次列出多个应用现场，要求能达到1.0%的准确度，投运后三个月验收。这说明，在此前现场运行的所有皮带秤几乎都达不到这一看起来不算太高的指标。

4 国产皮带秤应用技术的新发展

4.1 称重传感器信号分路输出

江苏赛摩电气股份有限公司在一系列多称重传感器产品中以具有分路A/D转换技术的现场数字转换器取代原有的称重传感器接线盒，一方面是将原有称重传感器接线盒的接线方式由多个称重传感器信号并联改为在现场数字转换器中多个称重传感器信号独立A/D转换，另一方面是现场数字转换器将称重模拟信号就地转换为数字信号传送到称重控制器，从而为称重传感器故障诊断及该公司独创的“三计”技术创造了条件(见图1)。

 图1  多个称重传感器信号并联输出（上）和多个称重传感器信号分路输出（下）

4.2 新型秤架

虽然众多的国内皮带秤生产厂商仍沿用隶属于赛默飞世儿科技集团（Thermo Fisher Scientific）的美国拉姆齐公司各种类型的秤架，但近十几年来，用单托辊直接承重式秤架取代单托辊杠杆式秤架、用组合式直接承重式秤架和多托辊悬浮式秤架取代多托辊杠杆式秤架已成为国内秤架发展的趋势。特别是一些实力较强、具有创新精神的国内皮带秤主流厂家与用户结合，近年来推出了较多的新产品，如各类悬浮式秤架、同一皮带输送机多台秤架的产品。

为解决皮带秤计量准确度低、长期稳定性差的难题，南京三埃工控股份有限公司开发了“阵列式皮带秤”（见图2），系统将多个称重单元顺序串联安装在皮带输送机上组成一个阵列，每个称重单元由一只称重传感器支承两组称重托辊，通常采用8个称重单元，这样一套阵列式皮带秤就有16组称重托辊。在该公司《QPS皮带秤全性能实验室》里，采用一个专用的数学模型对各单元的检测值进行计算与比较，然后就皮带张力对称重的影响进行修正。试验结果证实：在8个称重单元的条件下，可将皮带张力影响减少90%以上；皮带秤的实物标定准确度可以长期稳定地达到0.25%水平，实际测试时，可以达到0.1%的水平；这样的系统还可以降低皮带秤安装要求及托辊粘料对测量的影响，减小维护量。

 图2   阵列式皮带称重系统

铜陵市三爱思电子公司研究开发的“电子皮带秤计量、校验集成系统”，采用了2台多组托辊的悬浮式秤架，可以在皮带机正常物料输送的情况下用砝码自动地对皮带秤进行动态检验，几套试验项目的检定准确度优于0.3%。

江苏赛摩电气股份有限公司在南京西坝煤码头输煤皮带机上安装了双秤架的物料叠加自校准皮带秤系统，主计量皮带秤和辅助校准皮带秤采用了多组称量托辊的全悬浮式秤架。

4.3 “多计功能”累计器

江苏赛摩电气股份有限公司在高精度电子皮带秤中应用了其专利“三计技术”，即在该公司各类多托辊悬浮式秤架里，实时测量皮带输送机输送物料重量的4个称重传感器信号是分成4个独立信号进入现场数字转换器，在PLR三计皮带秤累计器里包含有3台秤的数据，通过将4路独立称重信号分别组合，形成一个4传感器组合和2个双传感器组合的3台秤，结合速度传感器的信号累计运算得到3组累计量（1组主累计量和2组辅累计量）及瞬时流量。累计器正常显示主累计量，同时2组辅累计量实时在线比对，如果2组辅累计量差值超过设定界限，则对构成2组辅累计量的称重传感器输出信号分别进行对比，误差超过设定界限的称重传感器即为有故障的一组辅助计量。同时，选择无故障的一组辅累计量替代主累计显示，从而保证皮带秤在某一称重传感器有故障或异常时仍然可以进行称重，提高了皮带秤运行的可靠性和准确性。在该公司的“标准物料与正常输送物料叠加法”的系统里，由于有2组独立的皮带秤秤架和1组料斗秤，因此也可用三计皮带秤累计器分别完成皮带秤物料重量的累计值显示、瞬时流量值显示、故障诊断、标准物料与正常输送物料叠加法校验等功能和料斗秤总量显示、故障诊断等功能。

4.4 克服皮带张力影响的累计器

前面已经介绍南京三埃工控股份有限公司开发的“阵列式皮带秤”，它可以通过数学模型修正皮带张力对称重的影响。而江苏赛摩电气股份有限公司2014年推出高精度维稳皮带秤技术能够自动检测皮带秤张力对称量的影响，并针对性地进行自动补偿，以实现电子皮带秤对环境的自检测、自适应和自调节。该技术在输送机不同位置安装多组皮带秤秤架，由于多组皮带秤秤架中的首尾2个秤架A、N安装点的皮带张力不同，导致相同物料重量通过这2组皮带秤架检测到的物料重量值不同，A组秤架受力大于N组秤架受力，位置差=A-N（见图3）。

图3  维稳皮带秤技术的工作原理

进一步的研究发现A组秤架到N组秤架位置差的大小反映了A组秤架到N组秤架之间皮带的软硬度及张力状态，此状态的变化是影响皮带秤长期稳定性的主要因素。利用偏离误差修正皮带秤校准时获得的量程校准数，使用修正后的量程校准数用于称量，可补偿皮带软硬度及张力变化对称量精度的影响，从而保证皮带秤的准确度和长期稳定性。

4.5 远程专家系统

南京三埃工控股份有限公司于2012年正式推出应用于阵列式皮带秤的“皮带秤远程专家系统”并开始在部分用户中使用。系统由安装于生产现场带GPRS RTU的阵列式皮带秤、公司总部带GPRS RTU的总部服务器及带GPRS RTU的其他人员（例如出差外地的安装调试人员）的电脑等组成。皮带秤远程专家系统的基本功能是：记录数百个工作参数和中间过程参数，将各生产现场的皮带秤始终纳入专家系统监控之下；记录各种自动执行程序和人机对话的操作时间、内容，为分析皮带秤工作状态提供基础资料；记录皮带秤去皮、计量、校准或检定过程的各种参数，为专家系统分析提供数据。

4.6 叠加式校验法

国内皮带秤生产厂家一直在通过试验寻找能真正替代物料试验的方法，安徽铜陵三爱思公司经过长时间的摸索，推出了“物料棒码叠加法”进行皮带秤的校验（见图4）。其前提是要在同一条皮带输送机上高质量地安装2台性能稳定的秤架1、秤架2；在秤架调零之后，即可输送物料，并将2台秤架同一段时间累计值的显示差值调整在要求的范围内（如差值小于0.1%）；在进行物料棒码叠加法试验时，正常输送物料，在秤架1上人工或远程自动加挂棒状砝码6；此时2台秤架的累计器同步累计并获得皮带运行整数圈时累计量的差值；按加挂砝码公式计算出调整系数K，该系数为2台秤架共用的调整系数，试验过程结束。现场运行数据表明，以该调整系数为依据，可以在现场随后进行的物料试验中使皮带秤达到0.25%的精度，从而初步证实物料棒码叠加法可以在生产现场取代物料试验。

图4  物料棒码叠加法原理图

1-秤架1前的托辊；2-秤架1；3-秤架间过渡托辊；4-秤架2；

5-秤架2后的托辊；6-砝码远程加载系统；7-测速滚筒；8-皮带输送机纵梁

物料棒码叠加法受到用户的普遍关注，因为它不需要单独的物料试验，可以在正常物料输送时完成皮带秤的校验工作。为了让更多的用户，特别是一些计量准确度不一定要求达到0.5%时，铜陵三爱思公司还可提供一种价格较低的方案：由2组单托辊直接承重式秤架外加2组专用托辊组成的带在线校验系统的工艺计量秤。其特点是：双秤合一的计量，优于传统的双托辊秤；双秤的实时比对，超差立即报警输出；独创的校验系统，支持用砝码替代实物进行在线校验。

江苏赛摩电气股份有限公司则采用“标准物料与正常输送物料叠加法”对皮带秤实施在线自校准，既是“叠加”，肯定也是在同一条皮带输送机上安装2台秤架，所谓“标准物料”，是从被输送物料中取出的部分物料并经过称重后获知其重量值，在自校准时加入到正常输送物料之中。当经过调零操作之后，可在物料正常输送过程中，采用标准物料叠加到正常输送过程的物料之上，从而可得到在加入标准物料这段时间的两台秤架的称量值，其差值应该反映的是与“标准物料”重量值相关的部分，如果不一致，则采用物料试验的修正方式修改辅助校准皮带秤的满值系数，至此就完成在线自校准。

南京三埃工控股份有限公司在阵列式皮带秤上采用砝码试验替代物料试验也取得很好的效果。

4.7 外包服务

近年来，国内皮带秤生产厂家推出了一项新颖的为用户服务的项目：外包服务。当用户使用的皮带秤数量较大时，皮带秤的维护，特别是高准确度皮带秤的维护就成了用户很大的负担，而像南京三埃工控股份有限公司这样的技术实力强的公司，在推出“远程专家系统”的基础上，可以为用户提供包括通过互联网对用户的皮带秤进行监控和现场服务相结合的外包服务。当皮带秤出现故障时，可根据现场实际运行数据进行分析，找出故障原因，提出解决方案，必要时，再派人现场服务。

5 高准确度计量皮带秤应用难点和可能采取的应对措施

针对冶金行业皮带秤应用的难点，国内皮带秤生产厂家推出了如第4节所述的多项应用技术，表1列出了针对高准确度计量皮带秤的应用难点和可能采取的应对措施。

表1  针对高准确度计量皮带秤应用难点和可能采取的应对措施

当现场运行人员在皮带秤应用碰到难点时，比如当“皮带输送机运行状况差”时，可考虑采用新型秤架，特别是有16组称量托辊组成的阵列式皮带秤，而克服皮带张力影响的累计器可以应对皮带输送机运行状况差所造成的皮带张力变化大的不利称重条件；当“缺少校验设施”时，可考虑采用叠加式校验法，因此也就将采用新型秤架中的双秤架和“多计功能”累计器；当“故障查找困难”时，可考虑采用称重传感器信号分路输出、新型秤架、“多计功能”累计器和远程专家系统，这样可实现称重传感器故障诊断、皮带秤整机诊断和借助制造厂专业技术人员智慧的远程专家系统进行诊断，还可以委托制造厂外包服务；当“信息闭塞人才匮乏”时，可考虑采用称重传感器信号分路输出、“多计功能”累计器、远程专家系统和外包服务，这样可实现称重传感器故障诊断、皮带秤整机诊断、借助制造厂专业技术人员智慧的远程专家系统进行诊断和外包服务；当“运行准确度低”时，则表1中所列的全部措施都可以采取，以综合提高皮带秤的运行准确度。

6 结束语

冶金行业使用的多数皮带秤的运行状况不能令人满意，特别是一些要求高准确度计量的皮带秤，用户对照本文列出的皮带秤应用难点和国产皮带秤应用的最新技术，以便对症下药找出提高冶金行业高准确度皮带秤的方法。

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