蘇 毅

（廣西計(jì)量檢測(cè)研究院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

在工礦企業(yè)廣泛使用的皮帶輸送機(jī)、鏈板輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)等散裝物料連續(xù)輸送機(jī)械上安裝核子秤可方便實(shí)現(xiàn)散裝固體物料的連續(xù)在線計(jì)量[1]。核子秤能夠動(dòng)態(tài)檢測(cè)散裝物料輸送機(jī)械上物料的流量，使得物料流量的定值自動(dòng)控制成為可能。一些科技人員采用PID控制方式進(jìn)行了有益的探索[2-7]。20世紀(jì)90年代筆者及國(guó)內(nèi)某高校的學(xué)者率先把核子秤應(yīng)用于糖廠輸蔗機(jī)蔗流量定值自動(dòng)控制中，控制算法也是采用PID[2]。但存在的問(wèn)題是，PID的參數(shù)與設(shè)備機(jī)械特性、檢測(cè)儀表、控制系統(tǒng)等均有關(guān)系，由于糖廠生產(chǎn)工藝的特殊性和生產(chǎn)設(shè)備的復(fù)雜性，難以確定合適的PID參數(shù)，控制過(guò)程中常常發(fā)生過(guò)沖震蕩，因而控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度較差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生塞輥事故；因此，研究實(shí)用的控制算法或數(shù)學(xué)模型，對(duì)核子秤的推廣應(yīng)用具有重要意義。本文利用物質(zhì)對(duì)γ射線吸收的物理關(guān)系及流量與速度的關(guān)系，推導(dǎo)得到皮帶速度與皮帶機(jī)負(fù)荷和物料流量之間關(guān)系的控制算法，獲得了滿(mǎn)意的控制效果。

1 核子秤調(diào)速原理

核子秤是核技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品，是非重力式非接觸電子秤。它利用γ射線穿過(guò)物料時(shí)被吸收的特性，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到被稱(chēng)物料的重量。秤體由放射源、電離室探測(cè)器、支架、測(cè)速裝置、輸送機(jī)械等5部分組成[1]。本文以皮帶輸送機(jī)為例，把放射源、電離室探測(cè)器、支架、測(cè)速裝置安裝在皮帶輸送機(jī)上，構(gòu)成核子皮帶秤，如圖1所示。

核子秤的核心部件是放射源和電離室探測(cè)器。放射源是一個(gè)用鉛制成的密閉容器，壁厚≥8 mm，放射性元素137Cs，活度為3.7×109Bq，容器下方開(kāi)孔，使γ射線按一定的放射角照射在皮帶機(jī)運(yùn)送的物料上。

探測(cè)器內(nèi)置電離室、電源板和前置放大器。當(dāng)放射源輻射的γ射線照射到皮帶輸送機(jī)上的物料時(shí)，射線的一部分被物料按載荷量成比例吸收，沒(méi)有被吸收的另一部分穿透物料進(jìn)入電離室。被電離室接收部分便是皮帶機(jī)單位長(zhǎng)度上物料載荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)部分。電離室接收的射線強(qiáng)度與物料的厚度、密度有關(guān)[8]，表達(dá)式為

式中：Ⅰ——穿透皮帶機(jī)上物料后，電離室處γ射線強(qiáng)度；

Ⅰ0——皮帶機(jī)空載時(shí)電離室處γ射線強(qiáng)度；

μ——物料對(duì)γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；

ρ——物料密度；

d——物料厚度。

設(shè)皮帶機(jī)上物料寬度為b，長(zhǎng)度l上面的物料重量為W，則有

將式（2）帶入式（1）后可得

式中：F——皮帶機(jī)單位長(zhǎng)度上的物料重量，定義為皮帶機(jī)負(fù)荷。

對(duì)一特定的皮帶機(jī)和特定的物料，b和μ可視為常數(shù)，故可令

式中：K1——負(fù)載常數(shù)，其值由實(shí)物標(biāo)定得到。

電離室在γ射線照射下產(chǎn)生一弱電流信號(hào)，經(jīng)I-V型前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓值正比于電離室處的γ射線強(qiáng)度，所以式（5）可改寫(xiě)成

式中：U1——有載時(shí)電離室探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)；

U0——空載時(shí)電離室探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)。

速度傳感器用于檢測(cè)皮帶輸送機(jī)的線速度，其輸出信號(hào)與速度成正比，即

式中：V——物料傳輸速度；

U2——測(cè)速器輸出信號(hào)；

K2、K3——速度常數(shù)。

皮帶機(jī)輸送物料的流量P為

從式（8）可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)定流量控制，必須使流量設(shè)定值Pd滿(mǎn)足

即FV為恒定即可。F隨物料堆積形狀而變化，因此通過(guò)控制皮帶機(jī)速度V實(shí)現(xiàn)定流量控制。

設(shè)計(jì)算機(jī)輸出的速度控制信號(hào)為Vout，Vout與V是非線性關(guān)系，依賴(lài)于具體的皮帶輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量擬合兩者的關(guān)系曲線。皮帶輸送機(jī)的速度控制器依其采用的拖動(dòng)電機(jī)類(lèi)型而異，常用的有電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。電磁調(diào)速器、變頻調(diào)速器、直流調(diào)速器大多帶有自動(dòng)控制輸入接口，把計(jì)算機(jī)的D/A卡輸出口與之相連，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

式（4）中把b和μ假設(shè)為常數(shù)，對(duì)于限制物料寬度的輸送機(jī)械，如帶料槽的鏈板輸送機(jī)，并且物料的顆粒比較均勻，這種假設(shè)是正確的。而對(duì)于普通的皮帶輸送機(jī)，這種假設(shè)在物理上并不嚴(yán)謹(jǐn)，若皮帶機(jī)上物料的寬度和物料堆積形狀變化很大，b和μ就不是常數(shù)。但核子秤對(duì)物料重量的計(jì)量是長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，b和μ的平均值就可視為常數(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)大量的不同種類(lèi)的物料和不同寬度的皮帶輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，把b和μ假設(shè)為常數(shù)是成立的。

2 延后控制

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，核子秤秤體往往安裝于皮帶機(jī)的中部，離皮帶機(jī)卸料口有一段距離L。如圖2，核子秤安裝在A處，這意味著核子秤在A點(diǎn)檢測(cè)到的負(fù)荷信號(hào)UA，要等到負(fù)荷走到B點(diǎn)，才能用式（10）計(jì)算Vout，并輸出皮帶機(jī)速度控制信號(hào)。

圖2 核子秤安裝位置示意圖

核子秤在A點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣間隔為Δt，采樣時(shí)皮帶速度為Vi，則一個(gè)采樣周期內(nèi)皮帶走過(guò)的長(zhǎng)度 ΔLi為

據(jù)此，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)3行n列的動(dòng)態(tài)矩陣，可表示為

每次采樣獲得一列數(shù)據(jù)，先把矩陣中每列數(shù)據(jù)向右移動(dòng)一列，當(dāng)前采樣的數(shù)據(jù)填充到0列。n是不確定的，以滿(mǎn)足ΔLi=L 而定。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于核子秤的皮帶輸送機(jī)物料流量自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。計(jì)算機(jī)采集核子秤電離室探測(cè)器輸出的負(fù)載信號(hào)U1和速度信號(hào)U2，與物流量設(shè)定值Pd計(jì)算出速度控制信號(hào)Vout，Vout輸出到調(diào)速器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。從圖3可見(jiàn)，影響Vout與V的非線性環(huán)節(jié)有調(diào)速器、電動(dòng)機(jī)和皮帶機(jī)，因此要依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)量Vout與V的對(duì)應(yīng)值，繪制Vout與V的關(guān)系曲線，按照Vout與V的關(guān)系曲線進(jìn)行控制。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)已在多家糖廠推廣使用。糖廠的輸蔗機(jī)承擔(dān)原料蔗的撕解和向壓榨機(jī)送蔗料的任務(wù)，要求進(jìn)入壓榨機(jī)的蔗料流量要均勻，流量過(guò)小抽出率低，流量過(guò)大會(huì)發(fā)生塞輥事故。為了達(dá)到全廠動(dòng)力平衡，提出均衡壓榨的工藝要求，即恒流量壓榨。既要對(duì)榨量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量，也要對(duì)入榨蔗流量實(shí)施精確定值控制。

圖4 某糖廠班報(bào)表

輸蔗機(jī)為帶料槽的鏈板機(jī)，寬度一般大于1400mm，拖動(dòng)電機(jī)為電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)是載荷大、慣性大、運(yùn)行帶速低。采用雙源核子秤以保證鏈板機(jī)料槽蔗料在放射源射線覆蓋之下?？刂朴?jì)算機(jī)選工控機(jī)，Delphi可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái)編程。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)蔗流量定值自動(dòng)控制、榨量動(dòng)態(tài)計(jì)量、核子秤自動(dòng)標(biāo)定、報(bào)表生成等功能。系統(tǒng)投入使用時(shí)，只需按生產(chǎn)調(diào)度的指令在計(jì)算機(jī)輸入小時(shí)榨量（蔗流量設(shè)定值），系統(tǒng)根據(jù)流量設(shè)定值和核子秤檢測(cè)到的載荷量，計(jì)算鏈板機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并輸出到電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的控制器，從而精確控制入輥的蔗流量。經(jīng)過(guò)多個(gè)榨季的運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制準(zhǔn)確度≤±1%，從控制效果圖來(lái)看，瞬時(shí)流量曲線幾乎為一條直線。圖4是某糖廠壓榨車(chē)間的班報(bào)表掃描圖，設(shè)定的控制流量是156t/h，8h中控制最大絕對(duì)誤差是0.72t，相對(duì)誤差為0.5%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文推導(dǎo)的控制算法完全與被控對(duì)象的機(jī)械特性無(wú)關(guān)，避免了PID控制參數(shù)設(shè)置的麻煩，減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量；而且適用于皮帶輸送機(jī)、鏈板輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)等所有種類(lèi)的散裝物料連續(xù)輸送機(jī)械。實(shí)踐證明，使用本文算法控制的自動(dòng)核子皮帶秤物料流量控制準(zhǔn)確度≤±1%，而且控制穩(wěn)定性好，無(wú)過(guò)沖震蕩，具有較大推廣價(jià)值。

[1]施漢謙，宋文敏.電子秤技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

[2]蘇毅.核子秤及其在糖廠輸蔗機(jī)蔗流量計(jì)量及自動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].甘蔗糖業(yè)，1998（3）：47-51.

[3]鐘傳生.HC-2000型核子秤在流量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（3）：69-70.

[4]陳躍華，方康玲.核子秤配料過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢科技大學(xué)：自然科學(xué)版，2003（4）：390-392.

[5]張永明.KD-418XV型微機(jī)核子秤配料系統(tǒng)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，1998（6）：445-448.

[6]儲(chǔ)路，楊杰.核子秤在定量裝載方面的應(yīng)用[J].煤炭機(jī)電，2001（4）：43-44.

[7]李曉平，仲偉慶.基于PID增益模糊調(diào)整的核子秤恒流量控制系統(tǒng)[J].工業(yè)計(jì)量，2006（1）：26-27.

[8]劉士興，張永明.高靈敏低源強(qiáng)微機(jī)核子秤的研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2002（3）：265-267.