水溶肥料生产装置计量秤抗干扰改造与配料系统优化

Anti-Interference Transformation of Weighing Scales and Optimization of Batching System for Water-Soluble Fertilizer Production Unit

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2026.05.009

祁维军 Weijun QI , 胡彦文 Yanwen HU , 杨一仁 Yiren YANG , 左龙宁 Longning ZUO , 滕泽平 Zeping TENG

青海云天化国际化肥有限公司青海西宁 811600 Qinghai Yuntianhua International Fertilizer Co., Ltd., Xining, Qinghai 811600, China

摘要：

针对水溶肥料生产装置配料系统长期存在的计量精度差、故障率高、产能扩容受限等问题，对计量秤开展了技术改造。通过对计量秤进行结构重构、控制逻辑优化及联锁设计，实现了称重精度提升、故障率降低及产能扩容。改造后，染色剂计量偏差显著缩小，聚谷氨酸喷淋实现全流程监测报警，原料配料偏差控制在工艺要求范围内，装置产能得到有效提升，产品不合格率大幅下降，综合经济效益显著。

关键词：

水溶肥料; 计量秤; 技术改造; 控制优化;

Abstract：

To address the long-standing problems in the batching system of the water-soluble fertilizer production unit, including poor metering accuracy, high failure rates, and limited capacity expansion, a technical transformation is carried out on the weighing scales. Structural reconstruction, control logic optimization, and interlocking design are implemented on the weighing scales. As a result, weighing precision is improved, failure rates are reduced, and production capacity is expanded. After the transformation, the deviation of the dye additive metering is significantly reduced, full-process monitoring and alarm functions are realized in the polyglutamic acid spraying process, and the deviation of the raw material batching is controlled within the process requirements. This technical transformation enables a marked increase in production capacity, a substantial decrease in the product non-conformance rate, and a notable improvement in overall economic benefits.

Keyword：

water-soluble fertilizer; weighing scale; technical transformation; control optimization;

水溶肥料作为现代农业的核心投入品之一，其质量直接影响农作物的产量与品质^[1]。青海云天化国际化肥有限公司(以下简称青海云天化公司)于2020年10月建成投产100 kt/a水溶肥料装置，其中计量秤作为配料工序的核心设备，承担着原料精确配比、成本控制及物料平衡等关键职能，其计量准确性与运行稳定性直接决定产品养分的均匀度^[2]和生产的连续性。该装置配套的控制系统经长期生产运行后，配料系统逐渐暴露出严重依赖上位机控制的弊端。上位机故障频发会直接导致配料过程中止，不仅造成生产中断与产量损失，还会引发物料配比失衡、产品质量波动等问题，显著增加了原料损耗、返工修复及设备维护等生产成本。为适配装置扩能改造需求，青海云天化公司于2025年10月完成150 kt/a扩能改造和生产装置工艺流程优化及智能过程控制开发的技改工作，其中针对现有计量秤在结构设计、控制逻辑、抗干扰能力等方面存在的技术缺陷，开展了系统性技术改造与优化研究，对提升装置产能、保障水溶肥产品质量稳定性、降低生产运营成本具有重要的现实意义，同时也可为水溶肥行业同类装置的计量系统升级提供实践参考。

当前，国内外对水溶肥料装置计量秤的研究主要集中于静态称重与动态控制相结合的方向。国外品牌的计量秤在高精度传感器和称重仪表领域占据技术优势，针对特定工艺适配性的定制化改造研究相对不足；国内研究多聚焦于单一类型计量秤的精度优化，如减重秤的下料速率控制、液体秤的流量稳定性改进等^[3]，缺乏对多类型计量秤协同工作的系统性优化，且在抗干扰设计、联锁控制逻辑完善等方面存在提升空间。现有研究尚未充分解决复杂工况下气流、振动、设备联动等因素对称重精度的综合影响，也未形成涵盖固体、液体原料的全流程计量控制优化体系。

本文通过对水溶肥料装置中的染色剂计量秤、聚谷氨酸计量秤及原料配料秤的结构改造与控制逻辑优化，实现三大核心目标：①提升计量精度，确保各类原料配比误差满足工艺要求；②降低设备故障率，消除因通信中断、干扰因素导致的配料中止问题；③适配扩能需求，提高配料效率，保障产品质量稳定性。研究方法采用案例分析法系统梳理故障数据，通过试验研究法验证改造方案，运用数据分析方法对比关键指标，结合工程设计方法完成结构优化与控制逻辑重构。

1 水溶肥料装置计量秤概述

1.1 水溶肥料装置工艺流程

水溶肥料生产工艺流程：固体原料(如磷酸一铵、氯化钾、硫酸钾、尿素等)经原料配料秤动态计量后，由刮板机、斗提机等输送设备送入混合机；微量元素(如硼砂、锌等)由高精度微量元素秤精准计量后同步输送，其微量给料机构需根据物料流动性进行适配；染色剂经专用计量秤计量后直接投入混合机；工艺水或聚谷氨酸溶液则经液体秤计量，按设定时序通过喷淋系统均匀雾化后加入混合机，以确保液滴被固体颗粒充分吸附；所有物料经搅拌均匀后输送至包装工序^[4]。各类型计量秤分别置于配料、投料及液体添加等关键节点，秤的动态计量精度和运行稳定性直接影响生产连续性和产品质量稳定性。

1.2 计量秤的种类与工作原理

依据计量介质与工艺需求，装置共配置13台计量秤，可分为四类：8台原料配料秤为减重秤，通过悬浮式传感器实时监测料仓质量变化，由称重控制器根据设定值控制螺旋给料机的启停与转速，实现磷酸一铵、氯化钾、硫酸钾、尿素等固体原料的定量下料；1台微量元素秤同样采用减重原理，用于硼、锌、防结块剂及聚谷氨酸粉剂等微量添加剂的高精度计量；2台染色剂计量秤为单传感器斗秤，通过单一传感器采集料斗质量信号，经称重控制器转换后，触发下料阀动作，完成液体染色剂的计量；2台液体秤可根据生产需求切换计量工艺水或液体聚谷氨酸，基于容积式计量原理与称重传感器实现精准投料。上述四类计量秤通过三级分布式控制架构协同运行，由上位机向各称重控制器下发设定值，称重控制器完成计量控制并驱动可编程逻辑控制器(PLC)执行阀门、变频器及下料螺旋等动作，构成协调统一的自动配料系统，确保配料精度与生产的连续性。

1.3 控制系统架构

水溶肥料装置采用上位机、称重控制器和PLC三级分布式控制架构。上述13台计量秤均配备独立的称重控制器，通过RS485总线与操作站上位机进行数据交互。PLC同样与上位机建立通信连接，同时通过硬接线方式与各称重控制器及现场执行机构相连，构成完整的监控网络。

在配料过程中，上位机作为监控中心，向下位各称重控制器下发目标设定值，并实时采集称重数据、监控设备状态；称重控制器依据传感器反馈的实时称重信号进行闭环调节，完成精确计量，同时将控制指令(如阀门开关、变频器调速信号)通过硬接线发送至PLC；PLC负责逻辑运算与执行机构驱动，控制阀门开关、变频器调速及下料螺旋的启停，从而实现配料流程的自动化协同运行。该架构可确保数据采集、参数设定、过程控制与设备联动的统一协调，有效保障了配料精度与生产连续性。

1.4 计量秤的重要性

计量秤的性能直接决定了生产线的生产效率与产品质量：①计量准确性保障产品养分比例符合配方要求；②运行稳定性决定生产连续性，减少配料中止造成的损失；③配料速率需匹配扩能后的生产节奏；④添加剂计量精度直接影响产品外观，避免色差、白料等质量缺陷。此外，精准计量还可实现物料平衡，降低原料损耗，对成本管控意义重大。

1.5 计量秤的工艺参数

水溶肥料装置计量秤工艺参数见表 1，其中复肥原料包括磷酸一铵、氯化钾、硫酸钾和尿素，微量元素包括硼、锌、聚谷氨酸粉剂及防结块剂等。

表 1

水溶肥料装置计量秤工艺参数

计量秤	数量/台	介质	w(水)/%	堆积密度/(t·m^-3)	料仓容积/m³	每批次计量值/t		每批次下料时间/s
计量秤	数量/台	介质	w(水)/%	堆积密度/(t·m^-3)	料仓容积/m³	正常	最大	每批次下料时间/s
原料配料秤	8	复肥原料	＜0.5	0.76~1.1	2	1	1.5	120
微量元素秤	1	微量元素	＜0.5	0.6~1.6	2	0.1	0.15	120
液体秤	2	工艺水/液体聚谷氨酸		1	0.05	0.03	0.05	30
染色剂计量秤	2	染色剂	＜0.5	1.2	0.5	0.004	0.007	30

2 现有计量秤存在的问题

2.1 配料系统依赖上位机控制的弊端

原配料系统采用三级分布式控制架构，但过度依赖上位机的监控与协调功能。上位机通信故障频发，年均发生21次因上位机故障导致的配料过程强制中止。每次故障平均排查处理时间为45 min，直接造成单批次产量损失。同时，配料中断导致物料混合不均匀，不合格产品比例上升约3%，增加了原料损耗与返工成本。此外，RS485总线通信链路单一，缺乏冗余设计，一旦上位机或总线发生故障，整个配料系统便会瘫痪，从而进一步加大生产风险。

2.2 染色剂计量秤存在的问题

染色剂计量秤原设计为单传感器静态料斗秤，安装于混合机顶部，运行过程中主要受三大干扰因素的影响：一是混合机转动产生向上的气流，导致料斗内物料受力不稳定，称重信号波动幅度可达±3 kg；二是除尘设备运行时产生负压，对料斗形成吸附力，造成称重值系统性偏差约+2.5 kg；三是装置内转动设备、清灰设备及震动设备产生的复合震动，通过支撑结构传递至秤架，导致称重信号高频波动，波动频率达5 Hz。这三大因素叠加，导致染色剂计量误差超过±5 kg，远超工艺允许的误差范围(±0.5 kg)。染色剂计量秤原设计结构见图 1。

图 1

改造前染色剂计量秤安装示意

染色剂计量秤改造结束后，在试车过程中发现，每次称重配料完成后，显示值会异常增加10 kg左右(见图 2)，且变化趋势与暂存仓卸料阀(KV-3206)的开关直接相关：KV-3206打开时显示值开始上涨，KV-3206关闭后数值缓慢恢复。该异常会引起染色剂实际投加量出现偏差，导致产品外观颜色深浅不均匀，甚至出现白料。

图 2

试车过程中染色剂计量秤显示值异常趋势图

2.3 液体秤与喷淋控制问题

液体秤在计量液体聚谷氨酸时，原设计为称量后通过球阀排放至暂存槽，再经输送泵喷淋至混合机。实际运行中存在三大问题：一是泵输送量波动范围达±15%，导致聚谷氨酸投加量不稳定；二是喷头易因物料结晶发生堵塞，堵塞率约12%，造成喷淋不均匀；三是泵故障空打发生率约5%，导致聚谷氨酸无法有效输送至混合机。上述问题导致暂存槽内频繁出现余液(单次余液量可达1~3 kg)或投加量不足的情况，造成产品出现色差甚至出现白料，白料发生率达6%。当液体秤用于计量工艺水时，上述问题不明显。

原系统未设置聚谷氨酸输送状态检测装置，无法实时监测暂存槽内的余液量、泵输送量是否符合设计要求，以及喷淋过程是否正常完成。检测手段的缺失导致故障无法被及时发现，需通过成品质量检验反向追溯问题，因而延误了故障处理时机，造成不合格产品数量增加。

2.4 计量秤通信与控制问题

13台计量秤全部采用三级架构中的RS485总线与上位机通信，称重控制器与PLC之间通过硬接线传输开关量和模拟量信号。实际运行中，称重控制器与上位机的通信中断年均发生12次，PLC与变频器之间的控制信号中断年均发生8次。通信中断的主要原因包括RS485总线阻抗不匹配、电缆老化、电磁干扰及上位机软件卡顿等，每次中断都会导致配料中止，影响生产连续性。染色剂计量秤和液体秤虽然主要用于液体计量，但其称重控制器依赖RS485通信，同样存在通信中断风险。

原控制回路中，称重控制器输出的开关量及模拟量信号需经过现场控制柜、转接柜等中间环节，过渡端子数量达32个/台，电缆连接点多。实际运行中，因电缆松动、保险丝熔断、端子氧化等因素导致的故障年均发生15次，占总故障数的36%。故障排查时，需逐点检测，平均处理时间达60 min，严重制约装置长周期稳定运行。

3 计量秤技术改造方案

3.1 染色剂计量秤改造

3.1.1 改造思路与设计

针对原单传感器料斗秤的抗干扰能力不足问题，本次改造基于减重秤原理重构设备结构，隔绝外部干扰，提升称重精度。具体改造措施如下：

① 结构改造。将染色剂暂存仓改为减重秤料仓，采用3只MTB-200kg型传感器实现料仓悬浮支撑，消除刚性连接带来的震动传递；采用螺旋下料方式替代原下料阀，中间加隔断阀(KV-3204)，避免气流冲击影响，改造后安装示意见图 3。②连接优化。染色剂暂存仓除尘风管和配料秤出口管由原厚帆布软连接更换为2 mm厚配料秤专用灯笼形软橡胶软连接，并确保连接管垂直对齐，消除应力干扰。③辅助设计。增加独立减震基座，减轻装置震动对秤体的影响。

图 3

改造后染色剂计量秤安装示意

3.1.2 控制逻辑优化

优化后的控制逻辑分为4个环节：①进料控制。染色剂添加至上限(≤500 kg)，完成备料。②下料触发。混合机进料完毕后延时50 s，打开下料阀(KV-3202)，启动螺旋下料，染色剂计量秤(WT-2113)开始减重计量。③计量终止。当减重值达到设定值时，关闭KV-3202，停止配料螺旋。④卸料控制。下一批次混合机进料开始后延时10 s，打开KV-3204，完成染色剂添加，进料完成后关闭KV-3204。

该逻辑通过时间差设计，实现称重过程与混合机运行的物理隔离，避免气流与震动干扰。

3.2 液体秤与喷淋控制改造

3.2.1 硬件改造

针对液体秤在计量液体聚谷氨酸时存在的缺陷，对涉及液体聚谷氨酸投加的相关设备进行专项改造(不影响其计量工艺水的功能)。

核心结构改造：拆除聚谷氨酸暂存槽，采用波纹软管直接连接液体秤与喷淋泵，并加高液体秤称重槽，实现“称重-喷淋”一体化设计。通过液体秤仪表实时监测称重槽内液体剩余量，判断输送完成状态与喷淋泵运行状态。改造前后液体秤安装示意见图 4。

图 4

改造前后液体秤安装示意

安全防护设计：在喷淋泵周围设置1 000 mm× 1 000 mm×100 mm的防溢流围堰，集中收集泄漏的废液，避免环境污染。

称重仪表优化：保留原SLP532-30kg传感器，更换CW-TR200A称重仪表(精度0.2%)，实现实时数据采集与报警触发。

3.2.2 联锁控制设计

构建“称重-喷淋-监测-报警-联锁”一体化逻辑。称重完成后延时10 s启动喷淋泵，喷淋倒计时100 s后停运喷淋泵；若秤内余液质量＞0.5 kg，则分散式控制(DCS)系统报警；若秤内余液质量＞1 kg，则触发混合器放料中断联锁，需人工确认复位。改造后的液体秤联锁逻辑见图 5，控制原理见图 6。

图 5

改造后液体秤联锁逻辑

图 6

改造后液体秤控制原理

3.3 全部计量秤通信与控制回路改造

3.3.1 结构与控制优化

针对原系统通信故障多、控制回路复杂的问题，对8台原料配料秤、1台微量元素秤、2台染色剂计量秤和2台液体秤统一进行了改造。

通信方式升级：将原RS485总线通信改为模拟量4~20 mA信号直连PLC，同时保留部分RS485用于数据采集，形成冗余通信体系。该方式能够提高抗干扰能力，降低通信中断风险。

结构简化：拆除现场控制柜和转接柜；将称重控制器的开关量及模拟量输出直接接入PLC远程IO模块，减少过渡端子与电缆连接点，简化控制链路。改造前后计量秤控制结构见图 7。

图 7

改造前后计量秤控制结构

控制功能集成：将所有称重控制器的闭环调节算法迁移至DCS系统，称重控制器仅作为信号变送单元，重构控制架构，实现集中控制与智能化操作；对于液体秤，其原有的喷淋控制逻辑也集成至DCS系统，实现统一监控。

3.3.2 DCS称重控制算法

(1) 进料控制算法。根据各仓配料的上限设定值，控制原料仓卸料阀开关；针对流动性好的物料，设置“设定比”功能以预判超调量，具体计算公式为：设定比=(设定值-历史超调量)/设定值×100%。以设定值700 kg、历史超调量50 kg为例，对应设定比计算结果为(700-50)/700×100%=92.9%，可有效避免超量进料问题。配料系统进料设定比参数操作面板见图 8。

图 8

配料系统进料设定比参数操作面板

(2) 配料减重算法。单批次称重值由称重配料仓进料实际质量扣除配料完成后的仓内剩余质量得到，即本批次称重值=称重配料仓进料实际质量-称重配料仓剩余质量。

(3) 两段速出料算法。以1^#原料配料秤为例，配料系统配料算法见图 9。当1^#仓原料配料秤的目标值为300 kg、添加量快慢速切换比例为80%时，批次称重值=设定值×80%(快出料)+设定值×20%(慢出料)，则快出料为240 kg，慢出料为60 kg。

图 9

配料系统配料算法

(4) 快慢速转换算法。变频器最高额定频率为52 Hz，对应设备最高运行转速。系统快速挡位设定比例为75%，对应电机最高转速的频率值为75%×52=39(Hz)；慢速挡位设定比例为20%，对应频率值为20%×52=10.4(Hz)。变频器快慢速转换DCS操作面板见图 10。

图 10

变频器快慢速转换DCS操作面板

(5) 累计算法。包含配料累计、总累计及配料次数统计功能，实现生产数据的可追溯。

4 改造后运行效果评估

4.1 运行数据跟踪与分析

改造完成后，对13台计量秤开展了为期一个月的连续运行数据跟踪，选取2025年10月15日10:05的实测数据(见表 2)进行分析，其中：偏差率=(实际添加量-设定添加量)/设定添加量×100%；9^#仓计量秤因添加量小(设定36 kg)，偏差率相对较高，但仍满足工艺要求。结果表明：1^#仓~8^#仓计量秤的实际添加量与设定添加量偏差均在±1%左右，计量秤计量添加量与实际添加量一致性良好。

表 2

改造后计量秤计量实测数据跟踪

位号	位号说明	进料量/kg	仓中剩余量/kg	设定添加量/kg	实际添加量/kg	计量秤计量添加量/kg	偏差率/%
WT-2101	1^#仓计量秤	236.5	109.82	126	126.68	126.2	0.54
WT-2102	2^#仓计量秤	867.77	365.81	500	501.96	500.6	0.39
WT-2103	3^#仓计量秤	386.36	87.71	300	298.65	295.7	-0.45
WT-2104	4^#仓计量秤	477.2	127.52	350	349.68	349.6	-0.09
WT-2105	5^#仓计量秤	456.61	350.7	105	105.91	105.6	0.87
WT-2106	6^#仓计量秤	1 105.06	422.73	680	682.33	682.4	0.34
WT-2107	7^#仓计量秤	894.26	338.74	550	555.52	555.7	1.00
WT-2108	8^#仓计量秤	1 397.65	533.27	860	864.38	864.7	0.51
WT-2109	9^#仓计量秤	762.27	723.11	36	39.16	37.9	8.78

改造完成后，染色剂计量秤的称重异常问题得到彻底解决，WT-2113显示值变化量由改造前的±10 kg降至±0.5 kg范围内(见图 11)，完全符合工艺精度要求。用于聚谷氨酸投加作业的液体秤不再出现余液残留问题，试运行阶段仅触发3次喷淋异常报警，故障原因均为喷头堵塞，及时排查处置后，皆有效规避了白料产品的产生。

图 11

试车过程中WT-2113软连接更换后显示值趋势图

4.2 运行效益评估

改造完成后，装置产能由100 kt/a提升至150 kt/a，配料效率显著提高。以单批次配料量为例，改造前完成2.5 t配料需用时120 s，改造后单批次配料量提升至3.5 t，用时仅为140 s，单位产能的配料时间大幅缩短。同时，产品质量也得到改善，外观颜色均匀度明显提升，市场认可度与产品竞争力显著提高。

改造后的成本控制成效突出，月均缺陷工单次数由15次降至2次，大幅降低了人工与停机损失；备件成本显著降低，核心控制单元由原8 000元/套的专用称重控制器优化为2 000元/套的通用称重模块，单套成本降幅达75%；因控制回路简化，年维护费用也大幅下降。综合来看，改造投资成本可在短期内收回，改造后整体综合经济效益显著，为装置的长周期稳定运行奠定了坚实基础。

4.3 运行稳定性评估

系统实现DCS集中控制，原有的通信中断问题得到彻底解决。设备无故障运行时间由改造前的不足300 h提升至3 000 h以上，满足连续生产的要求。

5 结语

针对水溶肥料装置计量精度不足、稳定性差及存在控制逻辑缺陷等问题，实施了系统性技术改造。染色剂计量秤采用减重秤设计并优化软连接部件，同时对控制逻辑进行隔离设计，有效消除了气流、震动与应力干扰，计量偏差控制在±0.5 kg范围内；液体秤通过一体化设计与联锁控制，实现了对液体聚谷氨酸投加过程的实时监测，彻底解决了产品出现白料与色差的问题，原有的工艺水计量功能未受影响；微量元素秤及原料配料秤通过通信升级、结构简化与DCS算法集成，消除了通信中断与控制回路故障，整体计量偏差控制在±1%以内。改造后的装置产能提升50%，综合经济效益显著，为复合肥料装置计量系统优化提供了可推广的技术方案。

本改造仅针对特定产能(150 kt/a)的水溶肥料装置开展，对于更高产能或不同工艺条件下的适配性需进一步验证。未来可结合工业互联网技术，引入AI算法，实现计量参数的自学习与自适应优化，提升系统智能化水平^[5]。同时，可增加传感器冗余设计与远程故障诊断功能，进一步降低故障风险，为复合肥生产的智能化、高效化发展提供技术支撑。

ckwx 参考文献

陈国锋. 我国水溶肥产业的现状与展望研究[J]. 广州化工, 2026, 54(12): 1-3.

赵英杰, 王萌, 张宪法, 等. 我国大量元素水溶肥料质量状况的分析与思考[J]. 肥料与健康, 2026, 53(2): 1-6. doi:10.3969/j.issn.2096-7047.2026.02.001

张金银. 高精度称重配料系统研发[D]. 武汉: 华中科技大学, 2016.

胡彦文, 祁维军, 曹文强, 等. 复合肥装置配料秤误差分析及选型探讨[J]. 中氮肥, 2023(5): 56-59.

许湘扬, 龙舰涵. 工业互联网在化工行业的应用与发展[J]. 现代工业经济和信息化, 2026, 16(4): 92-94.