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一 前言

在水泥的生產(chǎn)工藝過程中, 決定水泥特性和質(zhì)量的關(guān)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(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 所謂生料配料就是將水泥的原材料粉碎后, 按一定比例混合的過程。 由于水泥生產(chǎn)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(jì)算生料配比, 手動(dòng)控制配料過程)生產(chǎn)水泥的特性和質(zhì)量難以得到保證, 這是由于人工方法無法快速、 準(zhǔn)確、 實(shí)時(shí)地控制生料配料過程。

目前國(guó)內(nèi)仍有許多中小型水泥廠采用人工配料或半自動(dòng)配料, 影響產(chǎn)品質(zhì)量和特性。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展, 人們對(duì)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(jī)配料集散控制系統(tǒng), 它集檢測(cè),計(jì)算、 控制于一體, 具有很好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性;能基本實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程的自動(dòng)化, 適合于國(guó)內(nèi)中小型水泥廠的技改采用。

二 系統(tǒng)硬件組成

它是一個(gè) DCS 集散控制系統(tǒng), 可見系統(tǒng)由微機(jī), RS-232/ 485 轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)測(cè)控模塊組成。系統(tǒng)采用 RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī) ( 微機(jī)) 與多臺(tái)前沿下位測(cè)控機(jī)的遠(yuǎn)距通信, 最大通信距離 1.2 公司, 下位機(jī)臺(tái)數(shù)最多可達(dá) 255 臺(tái)。

( 1) 上位機(jī)及通信接口

系統(tǒng)中的微機(jī)主要完成配料參數(shù)的輸入、 計(jì)算、顯示、 打印及與下位的通信等功能。 系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的運(yùn)行速度及其它配置要求不高、 普通的 PC 兼容機(jī)即可滿足, 但從系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性出發(fā), 最好選用工控機(jī)。 PC 機(jī)一般均設(shè)有兩個(gè) RS232 串行接口, 我們可在其中一個(gè) RS232 口上外接 RS-232/485 轉(zhuǎn)換器或直接將一個(gè) RS232口改制為 RS485 口;這樣, 上位機(jī)與下位機(jī)之間便可以用最小的信號(hào)線 ( 即一對(duì)雙絞線)來完成通信任務(wù), 從而有效地減少系統(tǒng)的故障發(fā)生率,由于水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣, 如果采用一般的由 “ 微機(jī)+A/ D+D/A” 的控制方法, 勢(shì)必會(huì)有許多的信號(hào)線及控制線, 不但會(huì)增加故障的發(fā)生率, 也給安裝和維護(hù)帶來一些不便。

( 2) 下位機(jī)測(cè)控模塊

用于水泥配料的電子稱一般為皮帶電子稱, 它還包括一個(gè)電磁振動(dòng)給料器及其調(diào)節(jié)器;早期的皮帶電子稱大都采用單板機(jī)及復(fù)雜的邏輯電路控制, 在改造時(shí), 除保留稱架、 傳感器及電磁振動(dòng)給料器的強(qiáng)電部分外, 其余全部由我們研制的單片機(jī)測(cè)控模塊取代。該模塊與傳感器及給料器之間構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng), 可在單片機(jī)軟件支持下, 通過鍵盤控制獨(dú)立工作, 也可由上位機(jī)優(yōu)先監(jiān)控工作。

下位單片機(jī) AT89C51 是測(cè)控模塊的核心, 信號(hào)的檢測(cè)與處理、 控制輸出等均由它完成;它是一種低功耗、 高速的8bit CMOS 芯片;具有 4KB 可編程 ROM , 128 字節(jié)RAM , 32 根 I/ O 線。 2 個(gè) 16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器和 5 個(gè)中斷源等硬件資源。 它可在上位 PC 機(jī)的監(jiān)控下工作,也可獨(dú)立操作完成一臺(tái)稱控制過程。 傳感器組的輸出信號(hào)經(jīng)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(zhuǎn)換器 ICL7135。  P 1. 0～ P1. 2 控制可編程放大器的放大倍數(shù), ICL7135 的工作時(shí)鐘 由AT89C51的地址鎖存信號(hào)輸出線 ALE 經(jīng)分頻后提供,A/ D 轉(zhuǎn)換的每個(gè)轉(zhuǎn)換周期為 40002 個(gè)時(shí)鐘周期, 分四個(gè)階段:①系統(tǒng)調(diào)零階段, 10001 個(gè)時(shí)鐘周期;②模擬輸入信號(hào)積分階段, 10000 個(gè)時(shí)鐘周期;③基準(zhǔn)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(gè)階段為高電平, 因此將 busy 接AT89C51的 P 3. 2( INTO)控制內(nèi)部定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的啟停, pol極性信號(hào)送 P3.5, 這樣, 既節(jié)省單片機(jī)的 I/O 口線, 又能正確讀入輸入信號(hào)的大小與極性, 且提高了 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率。 與上微機(jī)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(zhuǎn)換器與上位機(jī)相連。 鍵盤顯示電路與單片機(jī)AT89C51 的 P0 口P2口連結(jié), 采用定時(shí)中斷掃描方式;顯示分 8 位 ( 即 4 位 PV 檢測(cè)值和 4 位 SV 給定值)逐位掃描;鍵盤設(shè)計(jì)為組合功能鍵、 僅用 ↙、 〈、∧ 、 ∨ 四個(gè)鍵即可完成系統(tǒng)參數(shù)的修改與設(shè)置。 控制輸出由 AT89C51 的 P3.7 輸出通 MOC3061 光耦直接控制振動(dòng)給料器的控制電路。

三 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水泥生料配料系統(tǒng)控制軟件主要包括配料的計(jì)算和下位機(jī)監(jiān)控程序兩部分。 在進(jìn)行配料時(shí), 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(shí)由水泥于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(shè)計(jì)時(shí), 我們針對(duì)中小型水泥廠的特點(diǎn), 采用誤差嘗試法, 即首先選擇熟料的礦物組成或率值, 計(jì)算出熟料的成份 ( 或直接選擇熟料的化學(xué)組成) , 通過嘗試 , 逐步調(diào)整配比, 直到使之滿足要求為止。 具體方法如下:

( 1)經(jīng)化驗(yàn), 得出原料的化學(xué)成份及煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)和煤灰的化學(xué)成份;

( 2) 計(jì)算煤灰摻入量:

采用立窯生產(chǎn)時(shí), 煤灰全部摻入熟料中, 因此煤耗等于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(jì)算熟料的化學(xué)組成;

選擇石灰飽和系數(shù) ( KH), 硅酸率 ( n)及鐵率( p), 設(shè)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(jì)算生料成分;

煅燒生料的化學(xué)成分 =要求熟料成分- q( 煤灰摻入量)

生料的化學(xué)成分=煅燒生料的化學(xué)成分÷ 1. 5

( 5) 求石灰石、 粘土及鐵粉的配合比生料;
    計(jì)算時(shí), 先求粘土配比 ( 運(yùn)算時(shí), X 可忽略), 然后再根據(jù)粘土配比求石灰石配比;

( 6) 計(jì)算生料成分, 并加以調(diào)整;按配比計(jì)算生料化學(xué)成分, 與要求的生料化學(xué)成分比較, 對(duì)生料配比適當(dāng)調(diào)整;

( 7) 驗(yàn)算, 根據(jù)配比計(jì)算 KH、 n、 p 值。   

若配料結(jié)果的 KH、 n、 p 值已滿足要求, 則不再調(diào)整;否則返回調(diào)整后再進(jìn)行計(jì)算。 程序設(shè)計(jì)時(shí), 主要按以上步驟編程, 但還應(yīng)考慮原料的含水、 以及根據(jù)煤的有關(guān)數(shù)據(jù)將煤加入生料中等問題。 系統(tǒng)軟件采用C 語言編制 , 我們還根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)多種配料方案, 供用戶選擇;如使用不同率值進(jìn)行控制, 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(jié)束語

水泥生料微機(jī)配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)( 配料過程)的自動(dòng)化, 它能及時(shí)自動(dòng)地修改和控制配料參數(shù), 從而保證水泥特性和質(zhì)量的高精度、 高標(biāo)準(zhǔn)要求。 該系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)顯示和打印功能, 各種過程參數(shù)、 電子稱的工作狀態(tài)、 開停機(jī)狀況等均可打印報(bào)表;系統(tǒng)也能對(duì)水泥生產(chǎn)的其它環(huán)節(jié) ( 如:粉碎、 包裝等) 進(jìn)行控制, 但每增加一個(gè)控制點(diǎn), 要相應(yīng)地增加一臺(tái)下位控制機(jī)。 該系統(tǒng)在對(duì)湖南煙山水泥廠改造后, 運(yùn)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(chǎn)效益。 實(shí)踐證明, 該系統(tǒng)具有投資少、 功能強(qiáng)、 穩(wěn)定性高、 維護(hù)方便等特點(diǎn);對(duì)國(guó)內(nèi)中小型水泥廠的技改很有推廣價(jià)值。

 

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