一 前言

在水泥的生產工藝過程中, 決定水泥特性和質量的關鍵因素是水泥的生料配比, 因此水泥生料的配料過程是水泥生產中的關鍵環節。 所謂生料配料就是將水泥的原材料粉碎後, 按一定比例混合的過程。 由於水泥生產原料的多樣性和組成的差異性存在, 致使采用人工配料的方法 ( 即人工計算生料配比, 手動控製配料過程)生產水泥的特性和質量難以得到保證, 這是由於人工方法無法快速、 準確、 實時地控製生料配料過程。

目前國內仍有許多中小型水泥廠采用人工配料或半自動配料, 影響產品質量和特性。 隨著計算機技術和自動化技術的迅速發展, 人們對生產過程自動化程度的要求越來越高。 本文介紹的采用 RS-485 通信方式的水泥微機配料集散控製係統, 它集檢測,計算、 控製於一體, 具有很好的穩定性和實時性;能基本實現水泥生產過程的自動化, 適合於國內中小型水泥廠的技改采用。

二 係統硬件組成

它是一個 DCS 集散控製係統, 可見係統由微機, RS-232/ 485 轉換器及單片機測控模塊組成。係統采用 RS-485標準總線實現上位機 ( 微機) 與多台前沿下位測控機的遠距通信, 最大通信距離 1.2 公司, 下位機台數最多可達 255 台。

( 1) 上位機及通信接口

係統中的微機主要完成配料參數的輸入、 計算、顯示、 打印及與下位的通信等功能。 係統對微機的運行速度及其它配置要求不高、 普通的 PC 兼容機即可滿足, 但從係統的穩定性及可靠性出發, 最好選用工控機。 PC 機一般均設有兩個 RS232 串行接口, 我們可在其中一個 RS232 口上外接 RS-232/485 轉換器或直接將一個 RS232口改製為 RS485 口;這樣, 上位機與下位機之間便可以用最小的信號線 ( 即一對雙絞線)來完成通信任務, 從而有效地減少係統的故障發生率,由於水泥生產現場環境惡劣, 如果采用一般的由 “ 微機+A/ D+D/A” 的控製方法, 勢必會有許多的信號線及控製線, 不但會增加故障的發生率, 也給安裝和維護帶來一些不便。

( 2) 下位機測控模塊

用於水泥配料的電子稱一般為皮帶電子稱, 它還包括一個電磁振動給料器及其調節器;早期的皮帶電子稱大都采用單板機及複雜的邏輯電路控製, 在改造時, 除保留稱架、 傳感器及電磁振動給料器的強電部分外, 其餘全部由我們研製的單片機測控模塊取代。該模塊與傳感器及給料器之間構成一個閉環係統, 可在單片機軟件支持下, 通過鍵盤控製獨立工作, 也可由上位機優先監控工作。

下位單片機 AT89C51 是測控模塊的核心, 信號的檢測與處理、 控製輸出等均由它完成;它是一種低功耗、 高速的8bit CMOS 芯片;具有 4KB 可編程 ROM , 128 字節RAM , 32 根 I/ O 線。 2 個 16 位定時/ 計數器和 5 個中斷源等硬件資源。 它可在上位 PC 機的監控下工作,也可獨立操作完成一台稱控製過程。 傳感器組的輸出信號經軟件可編程放大器放大, 再送到 4 1/2 位雙積分型的 A/D 轉換器 ICL7135。  P 1. 0～ P1. 2 控製可編程放大器的放大倍數, ICL7135 的工作時鍾 由AT89C51的地址鎖存信號輸出線 ALE 經分頻後提供,A/ D 轉換的每個轉換周期為 40002 個時鍾周期, 分四個階段:①係統調零階段, 10001 個時鍾周期;②模擬輸入信號積分階段, 10000 個時鍾周期;③基準電壓積分階段;④積分輸出回零階段。 ICL7135 的 21 腳( busy)在②和③兩個階段為高電平, 因此將 busy 接AT89C51的 P 3. 2( INTO)控製內部定時/ 計數器的啟停, pol極性信號送 P3.5, 這樣, 既節省單片機的 I/O 口線, 又能正確讀入輸入信號的大小與極性, 且提高了 A/D 轉換器的分辨率。 與上微機的通信采用 RS-485 通信方式, 通信接口選用一版 MAX485, 通過 RS-485/232 轉換器與上位機相連。 鍵盤顯示電路與單片機AT89C51 的 P0 口P2口連結, 采用定時中斷掃描方式;顯示分 8 位 ( 即 4 位 PV 檢測值和 4 位 SV 給定值)逐位掃描;鍵盤設計為組合功能鍵、 僅用 ↙、 〈、∧ 、 ∨ 四個鍵即可完成係統參數的修改與設置。 控製輸出由 AT89C51 的 P3.7 輸出通 MOC3061 光耦直接控製振動給料器的控製電路。

三 係統軟件設計

水泥生料配料係統控製軟件主要包括配料的計算和下位機監控程序兩部分。 在進行配料時, 如果保證各率值或礦物組成符合要求, 則要求原料組成要多;一般生料由三種原料配成, 但有時由水泥於原料成份不能滿足要求, 則需要采用四種原料或某組份采用組合料。 設計時, 我們針對中小型水泥廠的特點, 采用誤差嚐試法, 即首先選擇熟料的礦物組成或率值, 計算出熟料的成份 ( 或直接選擇熟料的化學組成) , 通過嚐試 , 逐步調整配比, 直到使之滿足要求為止。 具體方法如下:

( 1)經化驗, 得出原料的化學成份及煤的工業分析數據和煤灰的化學成份;

( 2) 計算煤灰摻入量:

采用立窯生產時, 煤灰全部摻入熟料中, 因此煤耗等於熟料熱耗除以煤的熱值。 熟料煤灰摻入量

式中:Q ─熟料中的煤灰摻入量 ( %), A ─煤灰分含量 (% ), P─熟料煤耗 (% ), B─沉落在熟料中的灰分 (% );

( 3)選擇熟料率值 ( 或礦物組成), 計算熟料的化學組成;

選擇石灰飽和係數 ( KH), 矽酸率 ( n)及鐵率( p), 設熟料中:

CaO+Sio 2 +Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 =∑ %

則有： 

Sio 2 =n( Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ) , CaO =∑ - ( SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ;

( 4) 計算生料成分;

煆燒生料的化學成分 =要求熟料成分- q( 煤灰摻入量)

生料的化學成分=煆燒生料的化學成分÷ 1. 5

( 5) 求石灰石、 粘土及鐵粉的配合比生料;
    計算時, 先求粘土配比 ( 運算時, X 可忽略), 然後再根據粘土配比求石灰石配比;

( 6) 計算生料成分, 並加以調整;按配比計算生料化學成分, 與要求的生料化學成分比較, 對生料配比適當調整;

( 7) 驗算, 根據配比計算 KH、 n、 p 值。   

若配料結果的 KH、 n、 p 值已滿足要求, 則不再調整;否則返回調整後再進行計算。 程序設計時, 主要按以上步驟編程, 但還應考慮原料的含水、 以及根據煤的有關數據將煤加入生料中等問題。 係統軟件采用C 語言編製 , 我們還根據用戶要求設計多種配料方案, 供用戶選擇;如使用不同率值進行控製, 還有金黑生料的配料, 半黑生料的配料, 全白生料的配料等不同的配料方案。

四 結束語

水泥生料微機配料係統實現了水泥生產關鍵環節( 配料過程)的自動化, 它能及時自動地修改和控製配料參數, 從而保證水泥特性和質量的高精度、 高標準要求。 該係統還具有實時顯示和打印功能, 各種過程參數、 電子稱的工作狀態、 開停機狀況等均可打印報表;係統也能對水泥生產的其它環節 ( 如:粉碎、 包裝等) 進行控製, 但每增加一個控製點, 要相應地增加一台下位控製機。 該係統在對湖南煙山水泥廠改造後, 運行一年多以來, 效果良好, 降低煤耗量 7%,生料配比合格率提高 10%以上, 大大提高該廠生產效益。 實踐證明, 該係統具有投資少、 功能強、 穩定性高、 維護方便等特點;對國內中小型水泥廠的技改很有推廣價值。

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