散裝水泥定量裝車自動控制系統的設計與安裝調試分析

劉 蛟

（葛洲壩石門特種水泥有限公司，湖南 常德 415302）

1 引言

隨著我國建設規模的不斷擴大，散裝水泥車輛駕駛員為了能獲得更大的收益，經常超過規定的載重，這種非法操作將給道路交通帶來很大隱患。針對這一情況，道路監督部門頒布了一個非常嚴格的限制令，要求水泥運輸車輛裝車后總重量控制在49t以內。為了避免散裝水泥運輸車輛因超重超載而發生交通事故，從根本上治理超載問題，某水泥廠針對散裝水泥裝車設施進行了改造。為了使散裝水泥車輛總重量控制在49t內，該水泥廠在水泥出廠裝載區加裝了地磅，對車輛實際裝車重量進行實時監督，并制定嚴格的規章制度進行控制管理。采取上述措施后，盡管該地散裝水泥車輛超載現象有了很大改善，但仍有少數車輛超載現象發生。經系統調查發現其原因是裝載控制工人在手動操作過程中發生誤判。車輛裝載散裝水泥時，下料速度很快，一般可達100～150kg/s，因此，裝載時需時刻注意裝載重量，如不注意就會造成裝載重量超載甚至水泥外泄等情況。由此可見，盡管企業對控制車輛超載進行了基礎設施改造，但卻無法從根本上杜絕車輛超載，以及因超載造成的產品浪費、環境污染、人工工作量大等一系列問題，研發自動化散裝水泥裝車系統對當前行業發展具有重要意義。

2 散裝水泥計量現狀與問題分析

傳統散裝水泥的裝載與計量程序分離，計量環節依靠地磅稱重，但這種方法存在較大弊端，如地磅設備安裝工程量大、費用投入大，且地磅稱重采用傳感器來實現，傳感器有較高的故障率，一旦發生故障，就會嚴重影響正常生產作業。另外，傳統散裝水泥裝載系統不能實現定量的連續裝載，如果在裝載過程中發生“放冒”現象，將會由于清理工作而影響生產效率。

隨著科技信息化的飛速發展，目前使用的散裝水泥裝車系統在自動化、智能化等方面已遠遠落后于時代。操作人員在實際運行過程中工作環境惡劣，存在工作效率低、干擾因素多、人工強度大、易發生安全事故等缺點。另外，為避免在散裝水泥裝車過程中不能精確定量，經常采用單車重復裝卸的方法，在一定程度上解決了超載問題，但工作量大、資源浪費、環境污染等問題成為制約水泥生產企業綠色、健康發展的主要因素。

3 散裝水泥定量裝車自動控制系統設計

3.1 系統方案設計分析

本系統設計的目的是避免由于系統中沒有計量控制而出現裝載超重現象，減少人工工作量，將該企業現有散裝水泥裝車系統的無計量裝置改造為自動控制的形式，要求散裝水泥定量裝車自動控制系統能有效地將裝載量控制在48.5～49t之間，并在裝載后進行控制。

3.2 系統組成分析

為解決現有散裝水泥裝車系統無計量裝置，本研究通過在散裝發運系統中加裝FB-CCM型科里奧利粉體定量給料秤（適用于P·O42.5水泥散裝裝車系統）的方法來實現水泥的定量裝載?？评飱W利粉體定量給料秤主要由SLVD手動單向螺旋閘閥、氣動閘閥、流量控制電動調節閥、粉體流量計及配套組建裝置等組成（見圖1），通過該系統可以實現與中控系統的無縫連接。

圖1 科里奧利粉體定量給料秤結構示意圖

3.3 系統工作原理分析

本研究中散裝水泥定量控制裝置系統的工作原理是將慣性力作用于測量輪上，從內向外轉移到流量顆粒上，使整個系統中流量輪保持恒定的角速度做回轉運行，流量顆粒隨測量輪導片運行時對其中的扭矩進行測量，通過扭矩、力矩、科里奧利慣性力三者的關系，計算出扭矩與物料的質量、流量的關聯。因此，科里奧利粉體定量給料秤原理與物料的質量流量有直接關系，質點在進行勻速轉動參照系中作相對徑向運動時，所受的力可視為慣性離心力、向心摩擦力、科里奧利力三個方面（見圖2），科里奧利力做切向運動，其矢量Fc表示為：

圖2 科里奧利粉體定量給料秤受力分布

式中：m表示質點的質量；ω表示轉動角速度（矢量）；v'表示相對于轉動參考系質點的運動速度（矢量）。其中，質點的運動根據參照系做均勻徑向轉動，因此，ω為恒定值，而質點任意位置的v'則為確定值，而且此值不會受質量因素的影響，由此可以證明，Fc產生的量值變化僅受質量的影響。在此基礎上，通過精確地測量Fc數值就可以計算出準確的物料流量。

根據物體在均勻轉動參照系中與科里奧利力的關系，在科里奧利粉體定量給料秤中增加測量盤，其目的是：測量盤上徑向分布數塊、葉片、盤的勻速回轉參數，物料下落到測量盤中心時，其運動方向發生改變，將會被測量輪的導向葉片所捕獲，并在離心力的作用下呈現出由葉片向外緣的運動形式。物料在運動過程中，主要受到徑向摩擦力Fr、反向離心力Fx、沿切向的科氏慣性力Fc，其中，沿切向的科氏慣性力Fc將產生反作用運動的轉矩M，而其他兩種力則不會產生反作用力矩，轉矩M的計算方式表示為：

式中：R表示測量盤的半徑（m）。

由于ω為恒定值，轉矩M與質量流量成正比關系，此時，物料顆粒間或與測量輪間產生的摩擦可以忽略，且對計算結果無影響。

此時，通過計算測量輪可得出物料的質量流量Q：

4 散裝水泥定量裝車自動控制系統安裝調試

2020年7月初，該企業對原有散裝水泥裝車系統進行改造升級，正式投入運營。對新系統的計量數據和汽車衡計量數據進行長期的多車次對比：第一階段（首次運行10d），新系統初始流量系數設定值為0.738，對比分析發現，汽車衡計量數據均高于科里奧利粉體定量給料秤，兩者的統計重量差值＞1t，經計算，誤差值＞1%，也有多次出現單次最大誤差值＞2%的情況；第二階段（運行11～15d），將流量系數調整為0.745后發現，雖然汽車衡計量數據與科里奧利粉體定量給料秤數據差值相較于第一階段有所降低，但重量差值仍＞1t，誤差值普遍＞1%；第三階段（運行16～40d），將流量系數調整為0.747，該階段汽車衡計量數據與科里奧利粉體定量給料秤數據仍具有差值，但多數偏差低于300kg，較多情況下重量差值＞1t，誤差值＞1%；第四階段（運行41～60d），將流量系數調整為0.752后，汽車衡計量數據與科里奧利粉體定量給料秤數據呈現為負值偏差，誤差值基本能夠保持＜1%；第五階段（運行61～65d），將流量系數調整為0.756，汽車衡計量數據與科里奧利粉體定量給料秤數據均達到較小的正偏差，且誤差值基本能夠保持＜1%；第五階段完成后至今，流量系數設定為0.754，汽車衡計量數據與科里奧利粉體定量給料秤數據正負偏差均有發生，但誤差值均＜1%。因此，該狀態是散裝水泥定量裝車自動控制系統參數的最佳狀態。

經實際穩定運行情況表明，數據調整后，系統運行數據未發生較大變化，并能保持穩定的計量效果。另外，本系統能實現解鎖散裝裝車與計量的連鎖控制，避免了散裝水泥裝載完畢后系統自行停止除塵器等設備，在等待下一輛汽車裝載過程中造成漏斗、管道粉塵外泄。采用這種單獨控制的方式，可有效避免水泥浪費和對環境的污染。

5 自動控制散裝水泥定量裝車系統優勢與效果

5.1 系統應用優勢

本系統設計計量輸送量可達250m3/h，根據車輛容量大小，通過質量流量計、閥門及控制系統可實現設定相應重量，系統即可自動運行，無需人工干預。本系統適用性較強，可用于散裝水泥的連續計量裝載，能實時反饋、顯示水泥的質量流量，且不受上、下區域氣壓的干擾，理論計量精度≤±1%，具有較強的穩定性和可靠性。系統經專業機構校準檢測，可達到國家標準。

5.2 系統應用效果

本次研究對散裝水泥定量裝車自動控制系統的改造極為方便，秤體安裝高度僅為700mm，不會對現有裝置、設備產生影響，整體改造周期短。本系統改造完成后，可對散裝水泥裝載進行精確控制，在系統中設定相應的裝載量，就能實現放散閥門的自動操控，達到精確定量裝載的目的，提高了裝料效率，避免出現重復裝載、物料浪費等情況。可確保散裝水泥定量裝車自動化過程穩定，不會因控制不當而產生粉塵外泄，提升對環境的保護。在系統改造階段，成本投入較少、安裝方便，整體改造時間只需1～2d，后期維護方便，裝載過程極其平穩，不會出現以往裝車時物料忽大忽小的情況。智能物流一卡通系統的應用，可減少工作中的漏洞，對企業的信息化建設有重要意義?？傊⒀b水泥定量裝車自動控制系統的改造，可以顯著提高企業的社會、經濟效益和價值。

6 結語

隨著我國社會基礎建設規模的不斷擴大，散裝水泥依托低成本、綠色環保等優勢得到了業界的廣泛應用，但由于散裝水泥裝載車輛屬于重型工程車輛，道路交通檢查尤其嚴格，因此，自動控制散裝水泥定量裝車系統的應用對于定量裝車和保障道路安全具有重要意義。本研究中的散裝水泥定量裝車自動控制系統改造成本投入少、安裝方便、改造時間短，而且后期維護非常方便，散裝裝車重量誤差≤1%。它通過直接設定裝車量，自動關閉放散閥門，一次定量灌裝到位，提高了散裝發運效率，減少環境污染，運行至今已為企業帶來巨大的經濟效益。