基于一臺皮帶輸送機(jī)的多物料皮帶稱重控制系統(tǒng)

上海香川電子衡器有限公司

【摘 要】 本文介紹了最新獲得發(fā)明專利的采用多種控制模式，特別是采用數(shù)字式稱重傳感器與

數(shù)字式積算控制器的在一臺皮帶輸送機(jī)上完成多物料定量/非定量的皮帶稱重控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)特別

適用于需要多物料配料的建材工業(yè)系統(tǒng)皮帶秤和火電廠多料倉給煤機(jī)稱重系統(tǒng)。

 

 

一、引言

 

“連續(xù)累計自動皮帶秤”有兩種計量形式，第一種計量形式是采用重量傳感器檢測到物料的單位

長度的瞬時重量信號，同時速度傳感器檢測到速度脈沖信號。通過控制系統(tǒng)將重量信號與速度信號

進(jìn)行乘積運(yùn)算，從而求得被計量物料的真實流量（輸送量），屬于非定量計量形式。另一種計量形

式是在上述真實流量的基礎(chǔ)上，使控制系統(tǒng)將被計量物料的真實流量和用戶設(shè)定的輸送量（設(shè)定量）

進(jìn)行逐次比較，其差值信號反饋給變頻器，用于調(diào)節(jié)輸送膠帶速度，從而保證被計量物料的真實流

量和設(shè)定量相一致，屬于定量計量形式。

 

目前市場上使用的連續(xù)累計定量/非定量自動皮帶秤產(chǎn)品，均為一臺皮帶輸送機(jī)完成一種特定物

料的定量（或非定量）稱重，但是當(dāng)現(xiàn)場需要多物料連續(xù)累計稱重與配料時，只能在不同的皮帶輸

送機(jī)上，分別配置單一物料稱重的自動皮帶秤產(chǎn)品，最后再匯總混合配料。這樣既浪費(fèi)空間，又浪

費(fèi)了設(shè)備的配置。另外，在電力系統(tǒng)，由于料倉高度的限制，要實現(xiàn)較大的給料量，給煤機(jī)的進(jìn)料

倉在樓層標(biāo)高的限制下只能分成數(shù)個小料倉。為此上海大和衡器有限公司研制開發(fā)了在一臺皮帶輸

送機(jī)上完成多物料定量/非定量皮帶稱重控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過選用具有4種不同的控制模式來適應(yīng)

不同的應(yīng)用場合，使得上述兩種現(xiàn)場的條件得以實現(xiàn)。該項目已于2011年12月獲得國家專利局批

準(zhǔn)授予的發(fā)明專利證書。

 

二、連續(xù)累計模擬模式

 

該模式由多組稱重裝置中的稱重信號與一個測速器的速度信號分別送入多個稱重控制儀表，經(jīng)

積分演算，多個儀表分別送出多個給料量信號，再由總控制器完成多種不同物料的給料量信號數(shù)據(jù)。

請參閱圖1、圖2中A、B、C三個進(jìn)料口同時給料時，A、B、C三組稱重裝置中的稱重信號WA、

WB、WC與一個主電機(jī)測速器的速度信號S，分別送入三個CFC-201積算控制儀表Cont.A、Cont.B、

Cont.C，儀表分別對傳感器的稱重（重量）電壓信號和測速傳感器的速度脈沖信號進(jìn)行

處理和計算，經(jīng)積分演算，三個儀表分別送出三個給料量信號QA、QA+QB、QA+QB+QC，通過串

 

口轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)模塊，進(jìn)入計算機(jī)完成三種不同物料的QA、QB、QC給料量信號數(shù)據(jù)分別計算與顯示。

 

圖1 連續(xù)累計模擬模式方框原理圖

 

P21P41SE0P40

模擬稱重式傳感器

5SE0P41(速度脈沖輸入）

P40(公共端）

261314SE2344S3SCFC-2012CON11234568F-CN1P21A(DC6V輸入）28P21B(DC15V輸入）

CN245326Cont.B5SE3LOADCELL53S44S23SE33SE3243S4S5

接線盒TB33S324S4SE35LOADCELL6

模擬稱重式傳感器

5SE0P41(速度脈沖輸入）

P40(公共端）

261314SE3344S3SCFC-2012CON11234568F-CN1P21A(DC6V輸入）28P21B(DC15V輸入）

CN245326Cont.C

三串口

轉(zhuǎn)以太

網(wǎng)模塊

RS232RS232RS232

接線盒TB0

顯示

QAQBQCPG5SE1LOADCELL13S44S23SE13SE1243S4SP40P21P41SE05

接線盒TB13S324S4SE15LOADCELL2

模擬稱重式傳感器

速度傳感器

電源

信號

公共端

5SE0P41(速度脈沖輸入）

P40(公共端）

261314SE1344S3SCFC-2012CON11234568F-CN1P21A(DC6V輸入）28P21B(DC15V輸入）

CN245326

計算機(jī)PCCont.A5SE2LOADCELL33S44S23SE23SE2243S4S5

接線盒TB23S324S4SE25LOADCELL4

 

圖2 連續(xù)累計模擬模式電氣原理圖

 

稱重計算過程如下：

 

假設(shè)輸料皮帶的運(yùn)行長度為l，運(yùn)行的時間為tl，在時間tl里輸送的物料量為Q，則Q可表示為方

程（1）

 

Q= （kg） （1）

0tlWvdt∫

 

其中，W：單位長度皮帶上的料的重量（kg/m）

 

 V：皮帶的運(yùn)行速度（m/s）

 

由方程（1）可知，只要測出單位長度上的料的重量和皮帶的運(yùn)行速度，就可以求得在時間tl里

輸送的物料的重量。

 

W的值可根據(jù)模擬式重量傳感器測出，測出的值為模擬量，v的值可根據(jù)速度傳感器測出，測

出的值為數(shù)字量。

 

CFC-201型積算控制儀表將模擬量W在儀表內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得出數(shù)字量W，然后將此

數(shù)字量W與測速傳感器測出的數(shù)字量v通過CFC-201積算控制儀表內(nèi)部進(jìn)行積分運(yùn)算。如下：

 

①Cont.A控制儀表作用，= AQ∫tlAvdtW0

 

②Cont.B控制儀表作用，+=∫+ AQBQtlAvdtW0∫tlBvdtW0

 

③Cont.C控制儀表作用，++=++ AQBQCQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0

 

Cont.A，Cont.B，Cont.C稱重儀表，型號為CFC-201。

 

最后，分別將三個積算控制儀表計算出的在時間tl里面的總的重量值以串口通訊方式發(fā)送到計

算機(jī)，計算機(jī)收到此數(shù)值后，可以顯示在顯示器上，我們可以根據(jù)顯示器上的值，進(jìn)行簡單的減法

運(yùn)算，分別得出最終的A、B、C三種物料的累計重量，如下：

 

AQ= ∫tlAvdtW0

 

BQ=+-=+- AQBQAQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlAvdtW0

 

CQ=++--=++--

AQBQCQAQBQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0

 

三、連續(xù)累計數(shù)字模式

 

該模式由多組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號與一個測速器的速度信號分別送入數(shù)字式總控制器，

直接得到多種不同物料的給料量信號數(shù)據(jù)。請參閱圖3、圖4。A、B、C三個進(jìn)料口同時給料時，

三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號DA、DB、DC與一個測速器的速讀信號S分別送入CFC-500型數(shù)字式

積算控制器，控制器對三路傳感器的稱重（重量）數(shù)字信號和一路測速傳感器的速度脈沖

信號進(jìn)行處理和計算，經(jīng)積分演算，直接得到三種不同物料的QA、QB、QC給料量信號數(shù)據(jù)。

 

圖3 連續(xù)累計數(shù)字模式方框原理圖

 

35SE5LOADCELL53S44S235SE6LOADCELL63S44S23P21P41SE0P40PG

電源信號公共

端

ADC2AMP2ADC3AMP3ADC4AMP4ADC5AMP5ADC6AMP6

數(shù)

字傳感器

1

數(shù)字

傳感器

2

數(shù)字

傳感器

3

數(shù)字傳

感器

4

數(shù)字

傳感器

5

數(shù)字傳

感器

6

速度

傳感器

QAQBQCCFC-500Channel 1Channel 2Channel 3LCD顯示配合減法運(yùn)算

5SE1LOADCELL13S44S235SE2LOADCELL23S44S23ADC1AMP15SE3LOADCELL33S44S235SE4LOADCELL43S44S2

 

圖4 連續(xù)累計數(shù)字模式電氣原理圖

 

1、數(shù)字式流量積算及運(yùn)算過程：

 

圖4為數(shù)字稱重傳感器得出的值。分別為，+，++ AWAWBWAWBWCW

 

然后通過CFC-500型三通道數(shù)字式積算控制器，該控制器既有流量積算控制，又具有一般運(yùn)算

 

器的功能，抗干擾，可靠性高等功能，因此可分別算出，，。 AQBQCQ

 

2、稱重計算過程如下：

 

由上述連續(xù)累計模擬模式（1）中的方程（1）可知，只要測出單位長度上的料的重量和皮帶的

運(yùn)行速度，就可以求得在時間tl里輸送物料的重量。其中W的值可根據(jù)數(shù)字式重量傳感器測出，為

數(shù)字量。v的值可根據(jù)速度傳感器測出，也為數(shù)字量。

 

CFC-500型三通道數(shù)字式積算控制器具有3路數(shù)字量分別同時進(jìn)行積算的功能，即能將3組不

同的數(shù)字量W和v同時處理，進(jìn)行積分運(yùn)算，并能在儀表的顯示屏上顯示出來。如下：

 

Channel 1：=

；

AQ∫tlAvdtW0

 

Channel 2：+=+

；

AQBQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0

 

Channel 3：++=++

。

AQBQCQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0

 

上式中Channel 1，Channel 2，Channel 3為儀表CFC-500的3個數(shù)字量積算通道。其中Channel

3為三種物料的總連續(xù)累計輸送量。

 

最后，，+，++的值將在儀表的顯示屏上顯示出來，使用者可以根據(jù)此3

個值，簡單的進(jìn)行減法運(yùn)算，如下：

AQAQBQAQBQCQ

 

AQ=

；

∫tlAvdtW0

 

BQ=+-=+-

；

AQBQAQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlAvdtW0

 

CQ=++--=++--

。 AQBQCQAQBQ∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0∫tlCvdtW0∫tlAvdtW0∫tlBvdtW0

 

上式中、、分別為A、B、C三種物料的連續(xù)累計輸送量。 AQBQCQ

 

四、料位定量給料控制模式

 

根據(jù)設(shè)定的三種不同物料的給料量，三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號與一個測速器的速度信號

分別送入數(shù)字式總控制器，直接得到三種不同物料的實際給料量信號數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，分別自動

調(diào)節(jié)三個進(jìn)料口處的料層高度，以便保證三種不同物料的設(shè)定給料量。參閱圖5、圖6中A、B、C

三個進(jìn)料口同時給料時，根據(jù)設(shè)定的三種不同物料的qA、qB、qC給料量，三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)

字信號DA、DB、DC與一個測速器的速度信號S分別送入CFC-500型數(shù)字式積算控制器，控制器

儀表對三路傳感器的稱重（重量）數(shù)字信號和一路測速傳感器的速度脈沖信號進(jìn)行處理

和計算，經(jīng)積分演算，直接得到三種不同物料的實際流量信號QA/t、QB/t、QC/t數(shù)據(jù)與設(shè)定流量值

qA/t、qB/t、qC/t比較，由積算控制儀表發(fā)出流量差值QA/t - qA/t、QB/t - qB/t、QC/t -qC/t指令，分別

由氣動或電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)三個進(jìn)料口處的料層高度，以便調(diào)整三種不同物料的實際流量

QA/t、QB/t、QC/t與設(shè)定流量qA/t、qB/t、qC/t保持一致。

 

CBA

數(shù)字式積算控制器

數(shù)字式稱重

傳感器

速度傳感器

比例調(diào)節(jié)器1

比例控制

比例控制

比例控制

比例調(diào)節(jié)器2

比例調(diào)節(jié)器3Q -q /AA（（tQ -q /BB（（tQ -q /CC（（tq /Btq /Atq /Ct

 

圖5 料位定量給料控制模式方框原理圖

 

圖6 料位定量給料控制模式電氣原理圖

 

根據(jù)上述連續(xù)累計數(shù)字模式（2）的說明，已經(jīng)清楚怎樣利用數(shù)字傳感器和數(shù)字控制器準(zhǔn)確地

計算出3種不同物料的總重量。現(xiàn)說明利用上述數(shù)字控制器和數(shù)字傳感器，然后再結(jié)合其他一些部

件，就能準(zhǔn)確完成定量給料的過程。其詳細(xì)描述如下：

 

首先，數(shù)字量控制儀表CFC-500除了具有上述介紹的功能外，還具有以下2個功能：（假設(shè)在

時間t內(nèi)，物料的累計重量為Q，然后Q/t為單位時間的重量，即為流量。）

 

（1）能夠接收外部給定的4-20mA的流量設(shè)定信號，這里我們將此定義為：，，

。

tqA/tqB/

tqC/

 

（2）能在顯示屏上顯示3個不同通道計算出的3個瞬時流量值，并且能以4-20mA的形式輸

出,我們將此3個值定義為：，，。 tQA/tQB/tQC/

 

我們將其對應(yīng)的差值信號：（tqQAA/).，（tqQBB/).，（tqQCC/).分別通過比例調(diào)節(jié)

器3、比例調(diào)節(jié)器2、比例調(diào)節(jié)器1，分別輸出一個合適的電控制信號，這個電控制信號作為輸入量

給氣動電磁閥或驅(qū)動電機(jī)，從而產(chǎn)生和輸入信號成比例的輸出量——力。該力又作為輸入量加給氣

動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制其閥門的位置，從而改變進(jìn)料口的料層高低來改變進(jìn)料的多少，通過此閉

環(huán)控制，可以將設(shè)定流量和實際瞬時流量的差值接近于零，從而實現(xiàn)三種不同物料的定量控制。此

控制方式稱之為比例控制，比例控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，首先在于其轉(zhuǎn)換過程是可控的，設(shè)定值可無級調(diào)

節(jié)；其次在于方便迅速，可精確地實現(xiàn)工作循環(huán)過程，滿足切換過程要求。

 

但是，如果改變了A物料的流量的同時，也在改變B物料的流量，甚至也在改變C物料的流

量，那會造成非�；靵y的局面，為了防止這種不利局面，CFC-500儀表具有有序定量給料的功能，

雖然是3個通道，但是我們將通過儀表內(nèi)的邏輯控制接點(diǎn)的開閉來實現(xiàn)物料的有序定量控制（如上

圖中輸入2和輸入3的情況），A物料的定量控制一旦完成后，其閥門位置將保持不動，然后調(diào)整

B物料，B物料的定量控制一旦完成后，其閥門位置也將保持不動，最后調(diào)整C物料，一旦C物料

調(diào)整完成后，整個過程就結(jié)束了。

 

該方案在實現(xiàn)三種不同物料的定量控制的同時，也可采用上述連續(xù)累計數(shù)字模式（2），通過

實際輸出量QA、QB、QC的運(yùn)算實現(xiàn)連續(xù)累計稱重功能。

 

五、速度、料位定量給料控制模式

 

根據(jù)設(shè)定的一種主原料和兩種副原料的給料量，三組數(shù)字稱重裝置中的數(shù)字信號與一個主電機(jī)

測速器的速度信號分別送入數(shù)字式總控制器，直接得到三種不同物料的實際給料量信號數(shù)據(jù)與設(shè)定

值比較，其中主原料的給料量差值由主電機(jī)變頻調(diào)速實現(xiàn)，兩種副原料的給料量差值通過自動調(diào)節(jié)

兩個進(jìn)料口處的料層高度，以便保證三種不同物料的設(shè)定給料量達(dá)到要求。參閱圖7、圖8中A、B、

C三個進(jìn)料口同時給料時，根據(jù)設(shè)定的一種主原料qA和兩種副原料qB、qC的給料量，三組數(shù)字稱重

裝置中的數(shù)字信號DA、DB、DC與一個主電機(jī)測速器的速度信號S分別送入CFC-500型數(shù)字式積算

控制器，儀表對三路傳感器的稱重（重量）數(shù)字信號和一路測速傳感器的速度脈沖信號

 

AB

進(jìn)行處理和計算，經(jīng)積分演算，直接得到三種不同物料的實際流量QA/t、QB/t、QC/t信號數(shù)據(jù)與

設(shè)定流量值qA/t、qB/t、qC/t比較，其中主原料的流量差值QA/t-qA/t，由積算控制儀表發(fā)指令給主

電機(jī)變頻調(diào)速實現(xiàn)，兩種副原料的流量差值QB/t - qB/t、QC/t -qC/t通過積算控制儀表發(fā)指令由氣

動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)兩個進(jìn)料口處的料層高度，以便保證三種不同物料的實際流量QA/t、

QB/t、QC/t與設(shè)定流量q/t、q/t、qC/t保持一致。

 

根據(jù)控制模式（3）說明了比例控制來進(jìn)行定量給料的原理。本控制模式需改變其中一個執(zhí)行

方式，副原料B和C的物料仍舊分別通過比例調(diào)節(jié)器2和比例調(diào)節(jié)器3來控制調(diào)節(jié)B處和C處閥門的

開度來改變流量，而主原料A的給料控制是通過比例調(diào)節(jié)器1來控制改變皮帶驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而

改變A物料的流量。也就是說：比例調(diào)節(jié)器1實現(xiàn)了皮帶速度定量控制，比例調(diào)節(jié)器2和比例調(diào)節(jié)

器3實現(xiàn)了料位定量控制。該控制模式可以實現(xiàn)對三種不同的物料的稱重與定量輸送，與此同時也

可采用連續(xù)累計數(shù)字模式（2）的方式，通過實際輸出量QA、QB、QC的運(yùn)算實現(xiàn)總的累計輸送功能。

本控制模式的控制原理與控制模式（3）基本一致。其反饋控制原理方框圖見圖8。

 

圖7 速度、料位定量給料控制模式

 

六、結(jié)論

 

本發(fā)明通過在一臺皮帶輸送機(jī)上完成了多種物料定量（或非定量）連續(xù)累計稱重。多組稱重裝

置同時用于一臺皮帶輸送機(jī)上，通過多次比較的四種控制模式實時測量單種物料與總計物料的給料

量。

 

圖8 速度、料位定量給料控制模式

 

本方案的一個顯著技術(shù)特點(diǎn)是：在皮帶秤上首次采用了數(shù)字式稱重傳感器與數(shù)字式積算控制器

的控制模式（2）、（3）、（4），傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，具有優(yōu)異的負(fù)荷特性、蠕變特性、溫度

特性、防潮防爆特性和長期穩(wěn)定性。可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無干擾數(shù)字輸送，特別適用于現(xiàn)場稱重傳感器

和演算控制儀表之間距離較長的場合。

 

本方案的另一個顯著技術(shù)特點(diǎn)是：由于多通道工業(yè)稱重儀表技術(shù)的發(fā)展，通過調(diào)節(jié)儀表內(nèi)的邏

輯控制接點(diǎn)的開閉時序，使得多點(diǎn)差值比例調(diào)節(jié)反饋控制技術(shù)在多物料稱重輸送系統(tǒng)中得以有效應(yīng)

用。該方案隨著稱重儀表通道數(shù)的增加，以及軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，將適用于更多種物料的稱重控

制系統(tǒng)。

 

本方案主要目的為了在一條皮帶輸送機(jī)上實現(xiàn)多物料同時計量的混配料系統(tǒng)；其次，由于很多

工業(yè)現(xiàn)場料倉高度和占地面積的限制，如要實現(xiàn)較大的給料輸送量，通過本方案的實施可以大大降

低空間高度與占地面積。

 

目前基于一條皮帶輸送機(jī)的多物料定量連續(xù)累計稱重控制系統(tǒng)的四種控制模式已開始部分應(yīng)

用于火電廠多料倉給煤機(jī)稱重控制系統(tǒng)中，相信隨著數(shù)字式稱重傳感器與數(shù)字式積算控制器在皮帶

秤領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣將會受到更多用戶的青睞。