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0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)配料系統(tǒng)（也稱(chēng)電子皮帶秤）已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 [1] 。在很多生產(chǎn)工藝過(guò)程中，人們除了要求衡器能準(zhǔn)確地進(jìn)行稱(chēng)量，滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量的需要外，還要求稱(chēng)重過(guò)程能大幅度提高生產(chǎn)效率 [2,3] 。水泥是由石灰石和礦渣等材料按一定的配比混合煅燒而來(lái)，對(duì)散料在皮帶輸送過(guò)程中常需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)稱(chēng)量，而且還要對(duì)輸送中的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制和達(dá)到準(zhǔn)確的配比。配料的精確度直接關(guān)系著水泥的質(zhì)量。如果配料的精確度達(dá)不到要求，輕則造成原料、能源的浪費(fèi)，重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，并且有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故。自動(dòng)配料系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和智能化、企業(yè)的科學(xué)管理、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段 [4] 。

本文基于PLC設(shè)計(jì)了一種智能水泥自動(dòng)配料系統(tǒng)，計(jì)量精度高，操作方便，對(duì)于實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)自動(dòng)化，具有重要的意義。

1 水泥自動(dòng)配料系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動(dòng)配料系統(tǒng)是自動(dòng)衡器，是物料在輸送過(guò)程中連續(xù)自動(dòng)地完成稱(chēng)重任務(wù)，并且要自動(dòng)完成累計(jì)，具有連續(xù)和自動(dòng)稱(chēng)重的特點(diǎn)。在稱(chēng)重過(guò)程中所得到的稱(chēng)重值，就是一段時(shí)間內(nèi)物料的流量累計(jì)量。這不僅和皮帶上輸送的物料重量有關(guān)，還和皮帶運(yùn)行的速度有關(guān)。所以，在采集皮帶上物料重量的同時(shí)，必須采集皮帶運(yùn)行的速度，并把這兩個(gè)值送到控制器進(jìn)行乘積和積分運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果即為此時(shí)配料系統(tǒng)的配料速度和已經(jīng)配料的累計(jì)值。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)下，自動(dòng)配料系統(tǒng)利用稱(chēng)重傳感器和測(cè)速傳感器把皮帶上通過(guò)的物料重量與皮帶速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換得到的兩組信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鈕盒，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸送給主控制器進(jìn)行計(jì)算、調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)合適的控制值，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后傳給變頻器，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在此過(guò)程中系統(tǒng)的給定值，也就是自動(dòng)配料系統(tǒng)每小時(shí)所需要配料的噸數(shù)，可以是通過(guò)控制系統(tǒng)的鍵盤(pán)本地輸入，也可以是由DCS遠(yuǎn)程給定的。稱(chēng)重累計(jì)結(jié)果送給顯示器并同時(shí)由DCS進(jìn)行上傳。

1）控制器

由于本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)配料系統(tǒng)應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，潮濕、灰塵等干擾因素比較多，所以對(duì)控制器的抗干擾性能以及穩(wěn)定性有很高的要求。PLC是專(zhuān)為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)是它的最重要特點(diǎn)之一。綜合自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制要求，本設(shè)計(jì)選用西門(mén)子的S7200PLC作為控制器。

2）壓力傳感器

壓力傳感器是自動(dòng)配料系統(tǒng)檢測(cè)物料重量的部件，它的性能指標(biāo)很大程度上決定了自動(dòng)配料系統(tǒng)的測(cè)量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用德國(guó)HBM的波紋管電阻應(yīng)變式傳感器，其原理如圖3所示，圖中R4為應(yīng)變電阻，A，B兩點(diǎn)接入輸入電壓，通常為10V左右，C，D間為信號(hào)輸出電壓，其范圍在0mV～10mV。工作原理如下：當(dāng)應(yīng)變電阻R4受力后，將引起R4發(fā)生形變，從而使R4的阻值發(fā)生變化，受力越大形變的程度也就越大，阻值變化也就越大，并且阻值的變化大小和受力的大小成正比例關(guān)系。R4的阻值變化后，R4承受的電壓值隨之發(fā)生變化，如果將B點(diǎn)設(shè)為參考電位點(diǎn)，在受壓前后D點(diǎn)相對(duì)B點(diǎn)的壓差就產(chǎn)生了變化。而C點(diǎn)的電壓沒(méi)有變化，結(jié)果就是引起C點(diǎn)和D點(diǎn)之間有了一定的電壓。
自動(dòng)配料 水泥配料計(jì)算

3）測(cè)速傳感器

皮帶速度檢測(cè)的準(zhǔn)確程度直接影響到配料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。本設(shè)計(jì)采用磁電式測(cè)速傳感器。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了和從動(dòng)輪同軸的測(cè)速齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)速傳感器接近測(cè)速齒輪時(shí)輸出脈沖信號(hào)。

電機(jī)速度越高，測(cè)速齒輪旋轉(zhuǎn)越快，測(cè)速傳感器輸出脈沖頻率也就越高，單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)也越多。通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)收到的脈沖數(shù)，算出從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，也就可以計(jì)算出皮帶的線速度。

4）鍵盤(pán)、顯示器

TD400C是S7-200文本顯示設(shè)備，為背光液晶顯示，分辨率為192×64，具有2行（大字體）或4行（小字體）顯示功能，使操作員或用戶(hù)能夠與應(yīng)用程序進(jìn)行交換，可以查看、監(jiān)視和更改應(yīng)用程序固有的過(guò)程變量。在TD400C上自定義了16個(gè)功能按鍵，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、運(yùn)行、停止等智能化功能。

5）變頻器

采用模擬電路控制滑差調(diào)速電機(jī)方式具有價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，但是在低速時(shí)滑差電機(jī)調(diào)速方式特性差、效率低，且現(xiàn)場(chǎng)外部工作環(huán)境惡劣，粉塵多，易進(jìn)入滑差電機(jī)內(nèi)部而出現(xiàn)磨損、卡死等現(xiàn)象，維修、維護(hù)麻煩，造成工作故障多，影響正常生產(chǎn) [5] 。本設(shè)計(jì)采用富士P11S系列變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，可提高配料精度和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)故障。

2 控制策略

目前的自動(dòng)配料系統(tǒng)多通過(guò)固定時(shí)間間隔對(duì)物料重量和皮帶速度采樣，然后把采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，即對(duì)皮帶上物料重量的檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)有效稱(chēng)量段上的物料重量，對(duì)這段皮帶上物料的重量進(jìn)行平均，所得到的結(jié)果作為單位長(zhǎng)度上物料的重量。

這種方法在下料平穩(wěn)的情況下，檢測(cè)到物料的重量值基本符合實(shí)際值，但在實(shí)際過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)下料不穩(wěn)的情況，尤其在物料潮濕發(fā)粘的情況下，還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一會(huì)有料一會(huì)沒(méi)料的情況，在這種情況下，對(duì)皮帶上的物料進(jìn)行平均運(yùn)算，結(jié)果與實(shí)際值相差很大，影響系統(tǒng)的精度。

本設(shè)計(jì)不通過(guò)固定的時(shí)間間隔來(lái)對(duì)系統(tǒng)采樣，而是皮帶運(yùn)行固定一段距離來(lái)對(duì)系統(tǒng)的物料重量采樣一次，壓力傳感器檢測(cè)的是皮帶上某段物料的重量，把這段長(zhǎng)度作為系統(tǒng)的固定采樣長(zhǎng)度，消除因?qū)⑽锪线M(jìn)行平均而帶來(lái)的誤差。改進(jìn)后的配料系統(tǒng)控制算法如下：

1）累積量的計(jì)算方法：

式中：

X (n) 為系統(tǒng)第n次采樣時(shí)配料累積值；

M ( n)為系統(tǒng)第n次采樣時(shí)有效稱(chēng)量段上物料重量。

2）第n次采樣時(shí)瞬時(shí)流量的計(jì)算方法：

式中：

P (t )為系統(tǒng)顯示的瞬時(shí)流量值；

V (t )為皮帶的瞬時(shí)速度；

L為有效稱(chēng)量段長(zhǎng)度。

3）流量控制方法：

式中：

S (t )為配料系統(tǒng)在t時(shí)間每小時(shí)配料量；

F為系統(tǒng)設(shè)定的每小時(shí)配料量；

x為配料系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，整小時(shí)數(shù)加一；

x '為x減去系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行的整小時(shí)數(shù)。

4）控制皮帶速度的計(jì)算方法：

式中V i (t)為皮帶單位時(shí)間應(yīng)該運(yùn)行的長(zhǎng)度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序分為初始化程序、信號(hào)采集、判斷運(yùn)行模式以及模擬量輸出，流程如圖4所示，其中自動(dòng)調(diào)節(jié)程序是配料系統(tǒng)計(jì)量的核心，通過(guò)讀取系統(tǒng)設(shè)定流量以及瞬時(shí)的荷重值和速度值，輸出合適的電流來(lái)控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制皮帶加快或減慢。

3.2 累積量計(jì)算程序

本設(shè)計(jì)中對(duì)累積量的計(jì)算通過(guò)記錄采樣時(shí)有效稱(chēng)量段上物料的重量，等待皮帶運(yùn)行的長(zhǎng)度等于有效稱(chēng)量段的長(zhǎng)度后，累積量增加n（Kg），如此循環(huán)進(jìn)行，程序流程圖如圖5所示。
自動(dòng)配料 水泥配料計(jì)算

3.3 電機(jī)速度調(diào)節(jié)程序

電機(jī)的速度是由系統(tǒng)設(shè)定流量、傳感器的即時(shí)荷重、系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)的累積量共同決定的，流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種智能化水泥自動(dòng)化配料系統(tǒng)，具有操作方便、配料精度高、稱(chēng)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾因素眾多的現(xiàn)狀，有效地提高了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度和可靠性，解決了以往皮帶秤配料系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差較大、動(dòng)態(tài)特性不理想的問(wèn)題。

本系統(tǒng)應(yīng)用于安徽某水泥廠，能夠按照用戶(hù)要求自動(dòng)完成下料、稱(chēng)量、配料全過(guò)程，很大程度地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)于提高水泥的質(zhì)量有著十分重要的意義。

 

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