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1 水泥的生產(chǎn)工藝與配料 在水泥的生產(chǎn)工藝過程中，決定水泥質(zhì)量的關(guān)鍵因素是水泥的生料、熟料的配比，由于生產(chǎn)水泥配料的方法的多樣性和組成的差異性的存在，人工方法無法快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的控制配料過程，因此采用人工配料方法生產(chǎn)的水泥質(zhì)量難以得到保證。目前國內(nèi)仍有許多中小型水泥廠采用人工配料或半自動(dòng)化配料，嚴(yán)重影響了水泥的質(zhì)量和產(chǎn)量，而一些現(xiàn)有的微機(jī)配料系統(tǒng)由于設(shè)備技術(shù)落后面臨更新?lián)Q代。因此開發(fā)適合中小水泥廠的新一代微機(jī)配料系統(tǒng)具有廣泛的市場需求，并將為水泥企業(yè)帶來較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
水泥微機(jī)配料系統(tǒng)要求能夠適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，計(jì)量準(zhǔn)確，有數(shù)據(jù)加工處理能力。采用一系列新技術(shù)，新思想，例如采用現(xiàn)場總線技術(shù)和智能模塊構(gòu)成新型微機(jī)配料系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。新型微機(jī)配料系統(tǒng)應(yīng)具有成本低廉，可靠性高，易于使用和維護(hù)等特性，從而容易為現(xiàn)場運(yùn)行人員接受，便于廣泛推廣和應(yīng)用。此外工廠自動(dòng)化的發(fā)展方向是全廠的自動(dòng)化控制與管理，新型微機(jī)配料系統(tǒng)組成的全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，HBM稱重傳感器可以解決自動(dòng)化孤島的問題。
料斗秤水泥配料系統(tǒng)，具有靜態(tài)計(jì)量準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。本文以料斗秤為例，介紹了一種基于可編程智能模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和RS485總線通訊方式的水泥微機(jī)配料系統(tǒng)。
2 微機(jī)配料系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1，水泥廠配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想
1)利用先進(jìn)、有效的智能稱重控制技術(shù)開發(fā)研制出高品質(zhì)、新一代的水泥智能配料系統(tǒng)，不斷提高我國水泥配料設(shè)備的檔次和生產(chǎn)管理水平，促進(jìn)我國水泥產(chǎn)品質(zhì)量和行業(yè)競爭能力的提高。
2)利用最新的工業(yè)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種高性能、高可靠、低成本的自動(dòng)化系統(tǒng)。
3)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和硬件設(shè)備的選型充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的開放性和可移植性，保證系統(tǒng)具有良好的規(guī)模伸縮性，以便于不同規(guī)模水泥窯進(jìn)行配料系統(tǒng)的實(shí)施，逐步實(shí)現(xiàn)全廠的生產(chǎn)與管理綜合自動(dòng)化。
2.2，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
為了保證水泥微機(jī)配料系統(tǒng)的通用性、先進(jìn)性，達(dá)到高性能價(jià)格比、系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的目標(biāo)，采用以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
1）采用通用型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和RS485現(xiàn)場總線來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理、控制和輸出。
2）模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)、維護(hù)方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)；
3）基于豐富的PC軟件，使料斗秤控制器應(yīng)用軟件開發(fā)周期短；
4）可靠的接地并附加信號(hào)調(diào)理及隔離模塊保證信號(hào)的穩(wěn)定；
5）嚴(yán)格的測試程序保證系統(tǒng)的可靠性。
2.3，水泥廠配料系統(tǒng)功能
1）顯示臺(tái)時(shí)、配比、料給量、料重、信號(hào)和累計(jì)量，對(duì)班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量和年產(chǎn)量進(jìn)行自動(dòng)累計(jì)；
2）工況圖動(dòng)態(tài)顯示，如電振機(jī)的振動(dòng)，電機(jī)的開關(guān)門，出料。動(dòng)作過程真實(shí)生動(dòng)，且有文字提示；
3）數(shù)據(jù)編輯的功能：輸入臺(tái)時(shí)、配比、系數(shù)；
4）自動(dòng)識(shí)別缺料、卡秤，故障自動(dòng)報(bào)警并全線自動(dòng)停機(jī)，屏幕指示故障內(nèi)容；
5）計(jì)算機(jī)輔助標(biāo)秤功能，操作方便準(zhǔn)確可靠；
6）計(jì)算精度：0.5%；
7）微機(jī)控制1-8路；
8）方便的手動(dòng)控制功能，可進(jìn)行單路上料的控制；
9）信號(hào)檢測采用RS485總線傳輸，傳輸距離可達(dá)1.2公里；
10）微機(jī)配料稱與廠級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。
3，配料系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)料斗秤微機(jī)配料系統(tǒng)的組成如圖1所示。該系統(tǒng)由3級(jí)兩個(gè)層次組成。稱重傳感器和執(zhí)行器及信號(hào)變換模塊構(gòu)成第 1級(jí)——檢測及驅(qū)動(dòng)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成第2級(jí)——現(xiàn)場控制；管理計(jì)算機(jī)為第3級(jí)——車間管理、廠長管理。第1級(jí)和第2級(jí)組成了基礎(chǔ)自動(dòng)化層，第3級(jí)為管理自動(dòng)化層。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)，管理人員可以隨時(shí)在網(wǎng)上查看現(xiàn)場生產(chǎn)信息。
3.1，稱重傳感器信號(hào)變換
A/D變換采用IOM4017模塊，D/O變換采用IOM4050模塊，其中電磁振動(dòng)給料機(jī)由一塊IOM4050控制，開門電機(jī)由一塊IOM4050控制。IOM4017和IOM4050模塊是自主開發(fā)的A/D和D/O轉(zhuǎn)換模塊，具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。它只需二根導(dǎo)線通過RS485網(wǎng)絡(luò)即可與控制主機(jī)相互通訊。使用多個(gè)模塊可以方便的構(gòu)成RS485分布式的控制系統(tǒng)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可串接255個(gè)模塊，該網(wǎng)絡(luò)通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換即可連到控制計(jì)算機(jī)。
3.2，水泥配料系統(tǒng)RS485總線
RS485是一種半雙工傳輸?shù)耐ㄓ嵖偩€，只有兩條信號(hào)線，一條為信號(hào)線正，一條為信號(hào)線負(fù)，分別標(biāo)為A和B，或DATA+、DATA-。RS485采用差分傳輸，最大傳輸距離為1.2Km米。模塊連接時(shí)總線的信號(hào)正與各個(gè)模塊的DATA+相接，總線的信號(hào)負(fù)與模塊的DATA-相接。
4，軟件設(shè)計(jì)
VisualC++是為開發(fā)Windows應(yīng)用程序而創(chuàng)建的一種循序漸進(jìn)的編程工具。它的高性能及高度集成的開發(fā)環(huán)境，可使用戶方便地創(chuàng)建和調(diào)試Windows應(yīng)用程序。與VisualBasic相比，VisualC++具有高效、高可靠的特點(diǎn)，是編寫微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)選軟件之一。本系統(tǒng)采用VisualC++編寫。微機(jī)配料系統(tǒng)采用單文檔界面，使用靜態(tài)鏈接庫，形成一個(gè)可執(zhí)行文件。
水泥微機(jī)配料控制系統(tǒng)以PC總線式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)為主機(jī)（上位機(jī)），配以自行開發(fā)設(shè)計(jì)的各種接口裝置（FTC-01智能流量控制器、AMP-03信號(hào)放大器等）構(gòu)成集散型式配料控制系統(tǒng)（DCS）。由于采用集散型結(jié)構(gòu)，上位機(jī)只完成對(duì)配料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和對(duì)下位機(jī)（智能流量控制器）的協(xié)調(diào)調(diào)度等工作，即集中管理。下位機(jī)（智能流量控制器）則具體完成對(duì)每臺(tái)秤的控制操作，即流量控制，使其按照工藝人員設(shè)定的配方（流量），準(zhǔn)確、穩(wěn)定地下料，每個(gè)控制器只對(duì)一臺(tái)秤進(jìn)行控制，即分散控制。采用這種集中管理、分散控制的系統(tǒng)，可以極大限度的減少備件儲(chǔ)備量、降低維護(hù)費(fèi)用、縮短故障停機(jī)時(shí)間、減輕設(shè)備維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。整個(gè)系統(tǒng)在軟、硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了水泥生產(chǎn)工藝及操作、維護(hù)人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和操作更方便，維護(hù)更簡單。同時(shí)也考慮了使用單位今后發(fā)展的需要。水泥微機(jī)配料控制系統(tǒng)留有充分的軟、硬件接口，以便與網(wǎng)絡(luò)和其它可選設(shè)備相連構(gòu)成綜合性的控制系統(tǒng)。
水泥自動(dòng)配料系統(tǒng)，水泥生料成分的穩(wěn)定性直接影響水泥的安定性和強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，無論怎樣調(diào)整配方，一個(gè)廠的熟料強(qiáng)度和f-CaO含量，根本上與該廠生料成分的合格率成正比：生料成分合格率越高，則熟料強(qiáng)度越高、f-CaO越低；相反，如果生料合格率很低，要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥熟料是不可能的。
大型水泥廠生料成分用率值來反映，因?yàn)樗麄冇心芰徺I價(jià)格昂貴的X射線熒光分析儀快速測定生料所有主要化學(xué)成分；而中小型水泥廠只能通過控制CaO和Fe2O3來控制生料成分。但這并不表明中小型水泥廠不懂得率值配料的重要性，相反，他們一直在研究如何通過控制CaO和Fe2O3來巧妙地控制生料的成分。
率值配料不是一個(gè)新概念。早在1987年河南硅酸鹽學(xué)會(huì)的劉篤新工程師在《河南建材》上發(fā)表的《關(guān)于水泥生料配料公式研究》中就提出了率值配料的概念，1991年還出版專著《水泥生料配料的率值公式法》，詳細(xì)探討了生料反饋回調(diào)的各種方法，證明在原材料成分波動(dòng)時(shí)單控制生料CaO、Fe2O3不能穩(wěn)定生料三率值，進(jìn)一步明確了率值配料的概念。他沒有止步于揭示鈣鐵控制的缺陷，而是進(jìn)一步研究了6種回調(diào)方法，提出了鈣鐵控制下保證率值合格的最佳回調(diào)方法，最大限度地避免了鈣鐵控制的缺陷。水泥廠目前普遍采用的回調(diào)方法實(shí)際上就是劉篤新工程師倡導(dǎo)的方法。 此后，率值配料的理論并沒有新的突破。目前率值配料的基本假定是：要實(shí)現(xiàn)率值配料必須要測定出生料硅、鐵、鋁、鈣4種化學(xué)成分。
率值配料設(shè)備的研制都基于這一基本思想。 率值配料設(shè)備的研制可追溯到上世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)遼寧自動(dòng)化研究所在琉璃河水泥廠干法生產(chǎn)線上開展“生料配料自動(dòng)控制系統(tǒng)”研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目于1978年榮獲全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)；1981～1985年間合肥水泥研究院為日產(chǎn)2000噸熟料干法生產(chǎn)線配備了生料質(zhì)量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；1986～1990年間，合肥水泥研究院研究了QCS生料質(zhì)量自動(dòng)控制系統(tǒng)，專門為中小型水泥廠服務(wù)，并在江西、廣東分別通過省級(jí)鑒定，在全國幾十家中小水泥廠推廣應(yīng)用；期間，天津水泥設(shè)計(jì)研究院也開展了該系統(tǒng)的研制工作，應(yīng)用于老廠改造和新廠建設(shè)中。據(jù)報(bào)道，1987年1月中國建材研究院水泥所研制成功RCS－861生料成分自動(dòng)控制系統(tǒng)，在首都水泥廠應(yīng)用，使生料成分合格率提高了47%。近年來也有不少單位研制率值配料系統(tǒng)。其中武漢工業(yè)大學(xué)林宗壽教授1999年12月主持開發(fā)的生料率值控制系統(tǒng)知名度最高，在水泥廠廣為推廣應(yīng)用。不太知名的還有四川大學(xué)某公司、深圳開特自動(dòng)化有限公司、杭州某廠、新疆建材研究所、福建康利有限公司、遼寧某廠。 前述率值配料系統(tǒng)主要面向立窯水泥廠，為什么沒有面向新型干法水泥廠呢？因?yàn)樾滦透煞ㄋ鄰S在建廠設(shè)計(jì)之初就配備有率值配料控制系統(tǒng)，包括100多萬元的X射線熒光分析儀、原料預(yù)均化堆場，以及生料空氣攪拌均化庫等，率值配料系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，托利多稱重傳感器也就沒有引起大家注意。
二、水泥自動(dòng)配料系統(tǒng)當(dāng)前率值配料系統(tǒng)的問題
自從3年前武漢工業(yè)大學(xué)林宗壽教授在全國三十多個(gè)省、市、自治區(qū)巡回演講以來，立窯水泥廠開始對(duì)率值配料的重要性有所了解，率值配料系統(tǒng)受到前所未有的重視，林教授提出的率值配料系統(tǒng)也在全國得到廣泛應(yīng)用。另外，前述其他一些單位研發(fā)的率值配料系統(tǒng)也在不少水泥廠得到應(yīng)用。雖然所有率值配料系統(tǒng)都能在一段時(shí)間里運(yùn)行良好，但從實(shí)際效果看，還沒有一家單位能保證所有率值配料系統(tǒng)都能運(yùn)行良好，應(yīng)用失敗的廠家數(shù)量也很大，裝好又拆掉的廠家不在少數(shù)，這表明率值控制系統(tǒng)還不成熟，需要改進(jìn)的地方還很多。
水泥配料系統(tǒng)考察一下應(yīng)用率值控制系統(tǒng)的廠家，可發(fā)現(xiàn)率值系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)功能發(fā)揮得較好，能代替人工電話指揮生產(chǎn)，能進(jìn)行配料方案計(jì)算，比過去人工計(jì)算方便得多，這些令水泥廠感到新鮮，但在計(jì)算機(jī)技術(shù)普及的今天，這些功能只不過是計(jì)算機(jī)技術(shù)在水泥廠的簡單應(yīng)用，并沒有真正創(chuàng)新的東西，其基本理論仍然停留在劉篤新階段。特別是有大量水泥企業(yè)安裝該系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)越調(diào)越亂，不能正常應(yīng)用。對(duì)于出現(xiàn)的問題，研制廠家認(rèn)為責(zé)任在于水泥廠管理不善；而水泥廠自認(rèn)為管理狀況正常，是設(shè)備難以在短時(shí)間內(nèi)大幅度升級(jí)。
正是由于眾多廠家安裝率值控制系統(tǒng)后效果不明顯或使用不正常，使得率值配料系統(tǒng)喊得響，真正使用的并不多，這與我們首創(chuàng)的“立窯生料熱量測定技術(shù)”的推廣應(yīng)用情況形成反差，后者在短短的幾年里憑借其完善的設(shè)計(jì)、顯著的效果和廣泛的適應(yīng)性而很快得到普及。 率值配料系統(tǒng)的癥結(jié)究竟在哪里？我們認(rèn)為不應(yīng)責(zé)怪使用廠家，中小型水泥廠的設(shè)備及管理現(xiàn)狀難以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生根本的改變，這是中國的國情；相反，研究單位必須走出象牙塔，認(rèn)真研究水泥廠出現(xiàn)的問題并找到解決辦法，讓技術(shù)來適應(yīng)水泥廠的現(xiàn)狀。
1. 準(zhǔn)確監(jiān)控磨機(jī)工況是保證率值配料系統(tǒng)成功使用的基礎(chǔ) 率值控制系統(tǒng)根據(jù)出磨生料成分來反饋調(diào)節(jié)原料配比，對(duì)于零點(diǎn)漂移、修改控制指標(biāo)這樣的低難度問題當(dāng)然能順利解決，但碰到磨機(jī)工況不穩(wěn)定、原材料波動(dòng)大等情況，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善，胡亂判斷，后果就只能是越調(diào)越亂。因?yàn)榕淞匣卣{(diào)的前提是出磨生料成分是入磨各原料配比的正確反映，在磨機(jī)正常工作時(shí)，配料回調(diào)工作正常；當(dāng)磨機(jī)發(fā)生飽磨或空磨時(shí)，出磨生料不再反映入磨各原料的配比，這時(shí)如果仍按原來方法調(diào)節(jié)，必然越調(diào)越亂。目前在成功應(yīng)用率值配料系統(tǒng)廠家，化驗(yàn)室主任都瞪大眼睛日夜觀察磨機(jī)工況，一旦發(fā)現(xiàn)磨機(jī)工況不正常就不回調(diào)，搞得比應(yīng)用率值系統(tǒng)前還累。所以，只有實(shí)現(xiàn)磨機(jī)工況準(zhǔn)確監(jiān)控，才能保證率值配料系統(tǒng)成功使用。
2.二氧化硅、三氧化二鋁測定難、速度慢是制約當(dāng)前率值配料系統(tǒng)效果的主要原因 配料回調(diào)的關(guān)鍵在于速度要快，滯后1小時(shí)幾十噸不合格生料就過去了，而且如果原料成分波動(dòng)大，2小時(shí)的回調(diào)周期就失去了意義。 一般認(rèn)為，二氧化硅對(duì)率值影響最大，必須測定，而現(xiàn)有的測定方法有X射線熒光法和化學(xué)法。
水泥配料系統(tǒng)從實(shí)際效果看，小型X射線熒光儀對(duì)硅這樣的輕元素測定結(jié)果的精密度和穩(wěn)定性隨原料變化而變化，達(dá)不到滿意效果；而大型X射線熒光分析儀價(jià)格在100萬元左右，令立窯水泥廠望機(jī)興嘆。
另一方面，經(jīng)典化學(xué)分析法操作復(fù)雜、耗時(shí)，難以適應(yīng)水泥生產(chǎn)控制的需要；即使中國建材研究院劉玉兵等人于1990年首創(chuàng)的二氧化硅快速測定法，也需要近30分鐘左右才能完成一個(gè)樣品的測定，加上取樣、熔樣、計(jì)算，還要花費(fèi)一定的時(shí)間，要實(shí)現(xiàn)快速回調(diào)是不可能的。實(shí)際上水泥廠生產(chǎn)線較多，而控制組人員多，素質(zhì)也參差不齊，工人普遍感到工作量大，結(jié)果穩(wěn)定性差。
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