摘要：在港口装卸作业的前端设置计量控制点，如在取料机或卸船机旋臂上安装皮带秤构成移动式皮带秤，其控制精度和工艺合理性要比用船舶的水尺计控和物料输送线中部的固定式皮带秤计控两种模式都优越。但因传统的移动式皮带秤采用检测皮带机倾角并加以角度修正的补偿技术有着种种先天的弊病，以致其应用未能普及。本文披露了一种新颖移动式皮带秤，该秤结合采用了阵列式皮带秤和非几何量补偿方式的三维姿态跟踪装置两项专利技术。计量技术机构对其在不同大小倾角及倾角变动过程中的计量性能进行了实测，实际检测数据表明其各种位置状态下的动态累积误差均优于0.5级准确度的指标。该秤已有成功应用的先例。
关键词：散料装船计量控制模式；移动式皮带秤；三维姿态跟踪技术；阵列式皮带秤
A New Type of High Accurate Mobile Belt Weigher and Its Applicationin Ports
Nanjing SanAi Industrial Automation Co.，Ltd Sheng Bai zhan
Abstract：
For handling operation in ports，the control precisionand technology rationality using with mobile belt weigher that located at the boom of stacker or unloader are more advantageous than other measure and control modes.But conventional mobile belt weighers are not disseminated and popular as a result of their compensation technique having sorts of congenital defects.
This article introduces a neoteric type of mobile belt weigher that has been adopted the belt weigher with array weighing units andthree-dimensional attitude stracking device based on non-geometric sense principle.The test data recorded by Jiang suInstitute of Metrology show its dynamic errors in automatic weighing are all less than±0.25% whether its girder-slope lean smaller or greater，fixed or changing.This new kind of mobile belt weighers have been used in some ports and stockyard successfully.
Keywords：
the measure and control mode of handling bulk cargo in ports；mobile belt weigher；three-dimensional attitude stracking technique；belt weigher with array weighing units；
1.计量控制点及相应设施的比较选择
大宗散状物料(煤炭、矿石等)的装、卸是港口的基本作业之一。为实现装卸作业的高效连续，装卸机械由间歇作业的抓斗改为斗轮、悬链斗等型式已成为不可阻挡的趋势[1]，而这些装卸机械的旋臂上都配备了皮带输送机，此外皮带输送机也是连接装货机械与卸货机械之间最有效且廉价的输送设备，下面图1反映了这种典型的输料工艺路线。
图1 港口散状料装卸典型输料路线
由于利用船舶吃水线来计量误差大，而采用汽车衡、轨道衡等非自动衡器又会破坏工艺的连续性，因此用皮带秤作为计量设备往往是不二的最佳选择。由于市场上的皮带秤品质良莠不齐，着眼长远效益，选用性能稳定、可靠的产品要比单纯追求价格低廉更加有利大。此外更要考虑，设置皮带秤的最佳位置，这对于提高港口作业效率、降低设备空转率，以及确保船舶航行安全等等，都有着重要的关联。
1.1计量控制点设在后端
计量控制点设在后端意味，装货时控制点靠近货船一侧，卸货时靠近料场一侧。由于料场与船舶之间有一长段的物料输送路途，装卸作业时，须设定一个停机提前量，在后端计量值尚未达到目标值时前端的取料或卸船设备就要停止工作，传送物料的输送机接着把在途的余料送完。上述停机提前量必须设定得十分准确，否则将会出现下述影响正常作业的情况：
A．倘若提前量定得过大，则在途物料全部运完后，仍未达到目标量。如需补足，则需要重复上述控制过程。发生此种情况后，要求对补加量有一个更为准确的控制，同时在两次补料作业过程间，存在一段输料设备空转期。导致装船作业时间延长和设备空转耗能，输料线越长、其影响越大。
B．倘若提前量定得过小，则将出现实际装卸量大于目标量的现象。装船则会使船舶超载造成安全问题，卸货则会造成量款不符的问题，若将超出的物料返回原处势必造成作业时间延长和作业成本增加的后果。如果为避免出现装卸量过大，就得在作业中途停机，使得输送线带料停机导致整条输送线无法再启动的严重后果。
1.2计量控制点设在中部
计量控制点设在中部是指在整条输料线的某个中间位置设置一台皮带秤，对装船物料进行计量与控制。虽然这种模式便于选用固定式皮带秤，有利于准确计量。但这一控制模式同样有一个提前量的设定问题，当这个设定量出现偏差时，后果与后端计控模式相同。
1.3计量控制点设在前端
前端模式是指，用于计量控制的皮带秤装货时安装在靠近料场一侧的取料机上，卸货时安装在靠近货船一侧的卸船机上。在这一控制模式下，皮带秤的期望累计总量是按预定的装卸物料量事先设定的，无需设定提前量，更不必为了使物料总量等于目标值而频繁地开停输送线皮带机。
在取料机或卸船机旋臂上的带式输送机上加装皮带秤，把皮带秤与移动式装卸机械结合起来，构成所谓移动式皮带秤，使装卸与计量同时完成，不仅避免了不准确的水尺计量，而且作业效率也能大大提高。显然，该模式的定量控制效果要优于前两种。
2.移动式皮带秤尚未普遍采用的原因
既然移动式皮带秤有上述优点，那为何至今未能普遍采用呢？究其主要原因，一是作为移动式皮带秤基础的普通固定式皮带秤的性能本身就欠佳，二是对皮带秤纵梁倾角变动的补偿原理有着先天性的缺陷。
由于皮带秤存在“皮带效应”，受气候和工况等环境条件的影响大，大多数普通固定式皮带秤不能长期可靠、稳定地工作。按照皮带秤传统理论，为了减小皮带效应的影响通常需在增强秤架刚度和提高托辊组准直性上做文章；因此皮带秤的结构笨重，对零件的制造、装配和安装精度要求苛刻。然而由于皮带秤工作环境恶劣，经调校好的初始状态难以长期保持，稍有疏忽就得费事费工重来。如能做到精心维护，注意监控调整，计量准确度大致在1～5%之间；倘若没有方便的实物校准条件和专业队伍随时维护情况会更糟。
堆料机与卸船机在作业时，其旋臂往往需要回转或俯仰，会在三维空间中随时发生位置变动，从而使料重在称重传感器受力作用线方向的分量发生变化，影响称重计量的结果；当输送机的纵梁与水平面存在倾角α时，物料对于称重传感器的作用力则为重力的分力W˙cosα。曾经出现过的移动式皮带秤基本都是在固定式皮带秤基础上，加装一个角度检测装置构成[2][3]，例如采用自整角机或倾角传感器等来测量皮带秤输送机机架纵梁的倾角α，然后根据所测α的大小在称重仪表中计算出cosα值，用以对称重传感器的输出值进行补偿。然而由于角度检测不易做得很精确，而余弦函数又是非线性的，在皮带秤机架倾角α较小角时cosα的改变值很小(例如α由0°变化到1°时，cosα的相对变化量仅0.015%)，而在倾角α较大时微小的角度变化会引起cosα的较大变化(例如α由17°变化到18°时，cosα的相对变化量达0.55%)，因此分辨力不均匀，误差也较大，补偿后的准确度不能满足要求，获得的称量数据仅能用于定性参考，移动式皮带秤也因此迟迟难以步入实用领域。
3.异军突起的新颖移动式皮带秤
南京三埃公司把若干经反复验证的创新技术用到了移动式皮带秤的开发上，并已在日照港获得成功应用。
3.1阵列式皮带秤的运用
为了造出真正实用的移动式皮带秤，南京三埃公司将已成功地在固定式皮带秤领域获得广泛应用的阵列式皮带秤(200710025317.0)安装到了移动式装卸机械上。SA/ICS-ZL型阵列式皮带秤突破了皮带秤传统理论，绕开一味增强刚度、提高难以见效的老办法，避免陷进的死胡同，并在秤体零部件结构、称重仪表和软件等各方面都有所创新和改进。它由数个单点传感器双托辊悬浮式称重单元(200620124906.5)连续级联组成，不仅获得了数倍于普通皮带秤的称量长度，而且由于皮带张力的变化在相邻称重单元趋势相反，结合软件的专有补偿功能，使皮带效应产生的不利影响在其整个称量长度之中“内部处理”掉了90％以上。配套的SA-600称重仪表严格按工业级要求制造，具有传感器异常早期诊断、报警，单元输出信号超差自动切除，超、缺料判断、报警等智能诊断判别功能，性能可靠。仪表嵌入了功能强大的软件，能根据各单元重量变化分布，对出、入口单元进行补偿；在现场环境温度变化时，依据各称重传感器的温度曲线进行个性化修正，把全温度范围内的称重传感器零点、灵敏系数、蠕变、滞后等参数均列入补偿内容；采用拉格朗日曲线拟合技术对阵列式皮带秤因流量不同所产生的误差进行线性修正。采用8个称重单元的阵列式皮带秤，其物料试验时的动态累计误差优于0.1%(长期使用中0.2%)[4][5]。
为了对阵列式皮带秤的日常生产和上级执法检验提供依据，南京三埃公司制订了严于国家标准的企业标准(Q/3200NJ3A600)，设置了0.2级，其准确度与相应技术指标均高于现行国际建议和国家标准的最高准确度等级0.5级的要求；企业标准还增加了在模拟恶劣工况下进行物料试验的条款，以高严酷度来考核阵列式皮带秤的耐久性，从而确保阵列式皮带秤性能的长期稳定。
3.2新发明—重量比率式倾角补偿装置的应用
南京三埃公司的新型移动式皮带秤之所以获得成功的原因，还在于摒弃了通过几何量检测来补偿角度的老办法，另辟蹊径采用重量比率法的三维姿态实时跟踪补偿方法，创造了基于非几何量检测原理的新颖倾角补偿装置这一专利技术，克服了现有公知技术存在的缺陷，使计量准确度得以大幅度提高[6]。
3.3对移动式皮带秤新型式的性能评价结果
为了对新颖的移动式皮带秤的计量性能进行客观评价，南京三埃公司委托江苏省计量科学研究院在对其生产的阵列式皮带秤按国家标准和检定规程进行型式评价的基础上再增加检验项目，对安装在工作时输送机机架倾角变动的阵列式皮带秤进行了现场实测。增加的检验项目、要求和方法依照专门编制的测试大纲QJF/NJ3A721-2012《可变倾角移动式皮带秤物料试验方法》，按机架在不同大小的倾角位置间变动中检测其动态累计误差。
3.3.1测试装置和样机
本次检测在“江苏省动态称重工程技术研究中心”进行。在被检皮带秤输送机的头尾部另设给料和卸料用皮带输送机来接续试验物料，使物料能在控制衡器与皮带秤样机之间循环输送，全流程装有视频监控，整个试验可在中央控制室操纵自动完成。该装置的系统物料流程框图如下所示：
图2 移动式皮带秤实验装置物料流程
样机为嵌装于一皮带输送机的SA/ICS-ZL型阵列式皮带秤，其关键部件包含：（1）单点悬浮双托辊称重单元阵列(6个单元)，（2）皮带秤三维姿态跟踪装置，（3）SA-600称重显示控制器。嵌装皮带秤称重单元的输送机置于一悬臂上，悬臂的尾部与转轴连接，前部由电动葫芦通过龙门挂耳吊住，电动葫芦的吊钩升降时，悬臂的倾角α会随之改变。整台样机安装于室外。
图3 处于小倾角状态的样机
图4 处于中倾角状态的样机
图5 处于大倾角状态的样机
样机的皮带宽度：B=1000mm，称量长度：Lw=12m，皮带速率：v=2.2m/s，最大流量：Qmax=800t/h，最大秤量：Max=1212.12kg，最小累计载荷Σmin=16t，皮带整圈运行时间t1=26s。下列图3中，样机位于右边，此时样机处于小倾角(α＜6°)状态，左边为给料输送机。图4中，样机处于中倾角状态。图5中，样机处于大倾角(α＞12°)状态。
3.3.2检测过程与结果实录
试验在输送机与称重仪表开机运行预热后进行，输送机架在中倾角位置处校准参数(实际校准时位置为α=8°)，此后，在整个试验期间无论机架处于何种位置不得再重新调整零点值、零点阈值、斜率系数等参数，并关闭自动调零装置，仅允许去皮操作。
1）零点误差(空秤走字)
测试大纲要求：空皮带运行整数圈历经时间ts（约3min）后的累计示值I0与0的偏差应符合国家计量检定规程JJG195-2002《连续累计自动衡器(皮带秤)》之5.6.2条的规定，即：
˙对0.5级皮带秤I0≤0.05%W；˙对1级皮带秤I0≤0.1%W；˙对2级皮带秤I0≤0.2%W
其中：W=Qmax˙ts/3600
测试过程与结果：试验运行空皮带7圈（ts=182s）后的累计示值I0如下：
第1次：I0=0kg；第2次：I0=0kg。
2）零点鉴别力
测试大纲要求：在称重单元上加或卸质量为m的鉴别力载荷，空皮带运行约3min后的累计示值应满足国家计量检定规程JJG195-2002《连续累计自动衡器(皮带秤)》之5.5.5.3条的规定，即：
˙对0.5级皮带秤m≤0.05%Max；˙对1级皮带秤m≤0.1%Max；˙对2级皮带秤m≤0.2%Max
测试过程与结果：鉴别力载荷按0.5级皮带秤指标要求：
m≤0.05%˙Max=0.05%×1212.12kg=606.06g，
加载与不加载运行空皮带7圈（ts=182s）后的累计示值分别如下：
第1次：不加载，I0=0kg；第2次：加载m=600g，Im=19kg；第3次：卸去m，I0=0kg。
加与不加鉴别力载荷的累计示值有明显差别，符合相应的规定。
3）物料自动称量
测试大纲要求：皮带输送机机架的纵梁无论处于小倾角(＜6°)，还是在大倾角(＞12°)，或者在大小倾角之间(0°~18°)变动，皮带秤的动态累计示值I相对于控制衡器的示值T的误差δ应满足国家计量检定规程JJG195-2002《连续累计自动衡器(皮带秤)》之5.2.1条的规定，即：
˙0.5级：-0.25%≤δ≤+0.25%；˙1级：-0.5%≤δ≤+0.5%；˙2级：-1.0%≤δ≤+1.0%
测试过程与结果：试验物料的约定真值由作为控制衡器的料斗秤给出，
（1）输送机架倾角上升到α=14.6°时:
第1次：T=17068kg，I=17081kg（δ=+0.076%）；
第2次：T=17074kg，I=17083kg（δ=+0.053%）；
第3次：T=17223kg，I=17219kg（δ=-0.023%）。
（2）输送机架倾角下降到α=2.2°时:
第1次：T=17134kg，I=17123kg（δ=-0.064%）；
第2次：T=17068kg，I=17041kg（δ=-0.16%）。
（3）输送机架倾角α变动时:
第1次：α由最小上升到最大，T=16730kg，I=16712kg（δ=-0.11%）；
第2次：α由最大下降到最小，T=17081kg，I=17057kg（δ=-0.14%）。
物料试验实测数据表明，配用了非角度检测原理的三维姿态跟踪装置的SA/ICS-ZL阵列式皮带秤，当输送机架的纵梁无论处于小倾角，还是在大倾角，或者在大小倾角之间变动时，其动态累计误差都不超过0.25%，符合0.5级皮带秤检定时要求的指标，把这种皮带秤装到移动式装卸机械上，有望做到保障计量准确度的前提下提高作业效率。2010年12月山东日照港安装了南京三埃公司生产的移动式皮带秤用于定量控制装船[7][8]，取得了良好的效果。
图6 日照港的斗轮式堆取料机
图7 安装在堆取料机悬臂上的阵列式皮带秤
参考文献
[1]邹胜、高飞.散料装卸船机的发展[J].起重运输机械，2005（8），9-13.
[2]方原柏.电子皮带秤[M].北京：冶金工业出版社，2007：90-92.
[3]薛峰.浅谈斗轮机的角度补偿[J].衡器，2012（1）：24-25、28.
[4]倪俊杰.阵列式皮带秤在企业管理中的应用[J].工业计量，2011（2），24-25、57.
[5]孙继和.阵列式皮带秤的选择和应用[J].衡器，2011（12），4-6.
[6]南京三埃工控股份有限公司.皮带秤倾角补偿装置[P].G01G11/00，CN201020686528.6，2010.12.29
[7]袁延强.移动式皮带秤在港口的应用[J].工业计量，2011（2），17-20.
[8]袁延强.三维姿态跟踪式可移动皮带秤在港口中的应用[G].中国衡器协会，第十届称重技术研讨会论文集，上海，2011：109-115.
【作者简介】
盛伯湛(1946～)，上海市人，冶金自动化专业，中国计量测试学会会员，中国认证认可协会注册审核员，先后从事电子秤应用技术和研发近四十年。国家衡器职业资格培训系列教材编审委员会委员，《衡器整机装配调试工》连续累计自动衡器章节执笔人，近年发表了数十篇论文和多项专利发明。
联系方式：211100，南京市江宁区胜利路12号，shengbzh46@sina.com
