一 前言

在水泥的生产工艺过程中, 决定水泥特性和质量的关键因素是水泥的生料配比, 因此水泥生料的配料过程是水泥生产中的关键环节。 所谓生料配料就是将水泥的原材料粉碎后, 按一定比例混合的过程。 由于水泥生产原料的多样性和组成的差异性存在, 致使采用人工配料的方法 ( 即人工计算生料配比, 手动控制配料过程)生产水泥的特性和质量难以得到保证, 这是由于人工方法无法快速、 准确、 实时地控制生料配料过程。

目前国内仍有许多中小型水泥厂采用人工配料或半自动配料, 影响产品质量和特性。 随着计算机技术和自动化技术的迅速发展, 人们对生产过程自动化程度的要求越来越高。 本文介绍的采用 RS-485 通信方式的水泥微机配料集散控制系统, 它集检测,计算、 控制于一体, 具有很好的稳定性和实时性;能基本实现水泥生产过程的自动化, 适合于国内中小型水泥厂的技改采用。

二 系统硬件组成

它是一个 DCS 集散控制系统, 可见系统由微机, RS-232/ 485 转换器及单片机测控模块组成。系统采用 RS-485标准总线实现上位机 ( 微机) 与多台前沿下位测控机的远距通信, 最大通信距离 1.2 公司, 下位机台数最多可达 255 台。

( 1) 上位机及通信接口

系统中的微机主要完成配料参数的输入、 计算、显示、 打印及与下位的通信等功能。 系统对微机的运行速度及其它配置要求不高、 普通的 PC 兼容机即可满足, 但从系统的稳定性及可靠性出发, 最好选用工控机。 PC 机一般均设有两个 RS232 串行接口, 我们可在其中一个 RS232 口上外接 RS-232/485 转换器或直接将一个 RS232口改制为 RS485 口;这样, 上位机与下位机之间便可以用最小的信号线 ( 即一对双绞线)来完成通信任务, 从而有效地减少系统的故障发生率,由于水泥生产现场环境恶劣, 如果采用一般的由 “ 微机+A/ D+D/A” 的控制方法, 势必会有许多的信号线及控制线, 不但会增加故障的发生率, 也给安装和维护带来一些不便。

( 2) 下位机测控模块

用于水泥配料的电子称一般为皮带电子称, 它还包括一个电磁振动给料器及其调节器;早期的皮带电子称大都采用单板机及复杂的逻辑电路控制, 在改造时, 除保留称架、 传感器及电磁振动给料器的强电部分外, 其余全部由我们研制的单片机测控模块取代。该模块与传感器及给料器之间构成一个闭环系统, 可在单片机软件支持下, 通过键盘控制独立工作, 也可由上位机优先监控工作。

下位单片机 AT89C51 是测控模块的核心, 信号的检测与处理、 控制输出等均由它完成;它是一种低功耗、 高速的8bit CMOS 芯片;具有 4KB 可编程 ROM , 128 字节RAM , 32 根 I/ O 线。 2 个 16 位定时/ 计数器和 5 个中断源等硬件资源。 它可在上位 PC 机的监控下工作,也可独立操作完成一台称控制过程。 传感器组的输出信号经软件可编程放大器放大, 再送到 4 1/2 位双积分型的 A/D 转换器 ICL7135。  P 1. 0～ P1. 2 控制可编程放大器的放大倍数, ICL7135 的工作时钟 由AT89C51的地址锁存信号输出线 ALE 经分频后提供,A/ D 转换的每个转换周期为 40002 个时钟周期, 分四个阶段:①系统调零阶段, 10001 个时钟周期;②模拟输入信号积分阶段, 10000 个时钟周期;③基准电压积分阶段;④积分输出回零阶段。 ICL7135 的 21 脚( busy)在②和③两个阶段为高电平, 因此将 busy 接AT89C51的 P 3. 2( INTO)控制内部定时/ 计数器的启停, pol极性信号送 P3.5, 这样, 既节省单片机的 I/O 口线, 又能正确读入输入信号的大小与极性, 且提高了 A/D 转换器的分辨率。 与上微机的通信采用 RS-485 通信方式, 通信接口选用一版 MAX485, 通过 RS-485/232 转换器与上位机相连。 键盘显示电路与单片机AT89C51 的 P0 口P2口连结, 采用定时中断扫描方式;显示分 8 位 ( 即 4 位 PV 检测值和 4 位 SV 给定值)逐位扫描;键盘设计为组合功能键、 仅用 ↙、 〈、∧ 、 ∨ 四个键即可完成系统参数的修改与设置。 控制输出由 AT89C51 的 P3.7 输出通 MOC3061 光耦直接控制振动给料器的控制电路。

三 系统软件设计

水泥生料配料系统控制软件主要包括配料的计算和下位机监控程序两部分。 在进行配料时, 如果保证各率值或矿物组成符合要求, 则要求原料组成要多;一般生料由三种原料配成, 但有时由水泥于原料成份不能满足要求, 则需要采用四种原料或某组份采用组合料。 设计时, 我们针对中小型水泥厂的特点, 采用误差尝试法, 即首先选择熟料的矿物组成或率值, 计算出熟料的成份 ( 或直接选择熟料的化学组成) , 通过尝试 , 逐步调整配比, 直到使之满足要求为止。 具体方法如下:

( 1)经化验, 得出原料的化学成份及煤的工业分析数据和煤灰的化学成份;

( 2) 计算煤灰掺入量:

采用立窑生产时, 煤灰全部掺入熟料中, 因此煤耗等于熟料热耗除以煤的热值。 熟料煤灰掺入量

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

( 3)选择熟料率值 ( 或矿物组成), 计算熟料的化学组成;

选择石灰饱和系数 ( KH), 硅酸率 ( n)及铁率( p), 设熟料中:

CaO+Sio 2 +Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 =∑ %

则有： 

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

( 4) 计算生料成分;

煅烧生料的化学成分 =要求熟料成分- q( 煤灰掺入量)

生料的化学成分=煅烧生料的化学成分÷ 1. 5

( 5) 求石灰石、 粘土及铁粉的配合比生料;
    计算时, 先求粘土配比 ( 运算时, X 可忽略), 然后再根据粘土配比求石灰石配比;

( 6) 计算生料成分, 并加以调整;按配比计算生料化学成分, 与要求的生料化学成分比较, 对生料配比适当调整;

( 7) 验算, 根据配比计算 KH、 n、 p 值。   

若配料结果的 KH、 n、 p 值已满足要求, 则不再调整;否则返回调整后再进行计算。 程序设计时, 主要按以上步骤编程, 但还应考虑原料的含水、 以及根据煤的有关数据将煤加入生料中等问题。 系统软件采用C 语言编制 , 我们还根据用户要求设计多种配料方案, 供用户选择;如使用不同率值进行控制, 还有金黑生料的配料, 半黑生料的配料, 全白生料的配料等不同的配料方案。

四 结束语

水泥生料微机配料系统实现了水泥生产关键环节( 配料过程)的自动化, 它能及时自动地修改和控制配料参数, 从而保证水泥特性和质量的高精度、 高标准要求。 该系统还具有实时显示和打印功能, 各种过程参数、 电子称的工作状态、 开停机状况等均可打印报表;系统也能对水泥生产的其它环节 ( 如:粉碎、 包装等) 进行控制, 但每增加一个控制点, 要相应地增加一台下位控制机。 该系统在对湖南烟山水泥厂改造后, 运行一年多以来, 效果良好, 降低煤耗量 7%,生料配比合格率提高 10%以上, 大大提高该厂生产效益。 实践证明, 该系统具有投资少、 功能强、 稳定性高、 维护方便等特点;对国内中小型水泥厂的技改很有推广价值。

 

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