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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、準確、實時的控制配料過程，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化配料，嚴重影響了水泥的質(zhì)量和產(chǎn)量，而一些現(xiàn)有的微機配料系統(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)帶來較大的社會效益和經(jīng)濟效益。
水泥微機配料系統(tǒng)要求能夠適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，計量準確，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)成新型微機配料系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和易維護性。新型微機配料系統(tǒng)應(yīng)具有成本低廉，可靠性高，易于使用和維護等特性，從而容易為現(xiàn)場運行人員接受，便于廣泛推廣和應(yīng)用。此外工廠自動化的發(fā)展方向是全廠的自動化控制與管理，新型微機配料系統(tǒng)組成的全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，HBM稱重傳感器可以解決自動化孤島的問題。
料斗秤水泥配料系統(tǒng)，具有靜態(tài)計量準確，結(jié)構(gòu)簡單，造價低等優(yōu)點。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)控制計算機和RS485總線通訊方式的水泥微機配料系統(tǒng)。
2 微機配料系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1，水泥廠配料系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)思想
1)利用先進、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)計算機硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及智能控制技術(shù)，實現(xiàn)一種高性能、高可靠、低成本的自動化系統(tǒng)。
3)軟件系統(tǒng)的設(shè)計和硬件設(shè)備的選型充分考慮整個系統(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)模水泥窯進行配料系統(tǒng)的實施，逐步實現(xiàn)全廠的生產(chǎn)與管理綜合自動化。
2.2，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
為了保證水泥微機配料系統(tǒng)的通用性、先進性，達到高性能價格比、系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的目標，采用以下結(jié)構(gòu)設(shè)計：
1）采用通用型工業(yè)控制計算機和RS485現(xiàn)場總線來實現(xiàn)信號的采集、處理、控制和輸出。
2）模塊化、標準化設(shè)計，通用性強、維護方便、可擴展性強；
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調(diào)理及隔離模塊保證信號的穩(wěn)定；
5）嚴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）顯示臺時、配比、料給量、料重、信號和累計量，對班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量和年產(chǎn)量進行自動累計；
2）工況圖動態(tài)顯示，如電振機的振動，電機的開關(guān)門，出料。動作過程真實生動，且有文字提示；
3）數(shù)據(jù)編輯的功能：輸入臺時、配比、系數(shù)；
4）自動識別缺料、卡秤，故障自動報警并全線自動停機，屏幕指示故障內(nèi)容；
5）計算機輔助標秤功能，操作方便準確可靠；
6）計算精度：0.5%；
7）微機控制1-8路；
8）方便的手動控制功能，可進行單路上料的控制；
9）信號檢測采用RS485總線傳輸，傳輸距離可達1.2公里；
10）微機配料稱與廠級監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。
3，配料系統(tǒng)的硬件設(shè)計料斗秤微機配料系統(tǒng)的組成如圖1所示。該系統(tǒng)由3級兩個層次組成。稱重傳感器和執(zhí)行器及信號變換模塊構(gòu)成第 1級——檢測及驅(qū)動；工業(yè)控制計算機構(gòu)成第2級——現(xiàn)場控制；管理計算機為第3級——車間管理、廠長管理。第1級和第2級組成了基礎(chǔ)自動化層，第3級為管理自動化層。監(jiān)控計算機與管理計算機構(gòu)成一個局域網(wǎng)，管理人員可以隨時在網(wǎng)上查看現(xiàn)場生產(chǎn)信息。
3.1，稱重傳感器信號變換
A/D變換采用IOM4017模塊，D/O變換采用IOM4050模塊，其中電磁振動給料機由一塊IOM4050控制，開門電機由一塊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，可靠性高，傳輸距離遠等特點。它只需二根導(dǎo)線通過RS485網(wǎng)絡(luò)即可與控制主機相互通訊。使用多個模塊可以方便的構(gòu)成RS485分布式的控制系統(tǒng)。每個網(wǎng)絡(luò)最多可串接255個模塊，該網(wǎng)絡(luò)通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換即可連到控制計算機。
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€，只有兩條信號線，一條為信號線正，一條為信號線負，分別標為A和B，或DATA+、DATA-。RS485采用差分傳輸，最大傳輸距離為1.2Km米。模塊連接時總線的信號正與各個模塊的DATA+相接，總線的信號負與模塊的DATA-相接。
4，軟件設(shè)計
VisualC++是為開發(fā)Windows應(yīng)用程序而創(chuàng)建的一種循序漸進的編程工具。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，是編寫微機監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)選軟件之一。本系統(tǒng)采用VisualC++編寫。微機配料系統(tǒng)采用單文檔界面，使用靜態(tài)鏈接庫，形成一個可執(zhí)行文件。
水泥微機配料控制系統(tǒng)以PC總線式工業(yè)控制計算機(IPC)為主機（上位機），配以自行開發(fā)設(shè)計的各種接口裝置（FTC-01智能流量控制器、AMP-03信號放大器等）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)，上位機只完成對配料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和對下位機（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（智能流量控制器）則具體完成對每臺秤的控制操作，即流量控制，使其按照工藝人員設(shè)定的配方（流量），準確、穩(wěn)定地下料，每個控制器只對一臺秤進行控制，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備量、降低維護費用、縮短故障停機時間、減輕設(shè)備維護人員的工作強度，提高工作效率。整個系統(tǒng)在軟、硬件設(shè)計上充分考慮了水泥生產(chǎn)工藝及操作、維護人員的知識結(jié)構(gòu)等特點，使系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和操作更方便，維護更簡單。同時也考慮了使用單位今后發(fā)展的需要。水泥微機配料控制系統(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度。統(tǒng)計結(jié)果表明，無論怎樣調(diào)整配方，一個廠的熟料強度和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，因為他們有能力購買價格昂貴的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。
率值配料不是一個新概念。早在1987年河南硅酸鹽學(xué)會的劉篤新工程師在《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時單控制生料CaO、Fe2O3不能穩(wěn)定生料三率值，進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70年代，當時遼寧自動化研究所在琉璃河水泥廠干法生產(chǎn)線上開展“生料配料自動控制系統(tǒng)”研究項目，該項目于1978年榮獲全國科學(xué)大會獎；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)量計算機控制系統(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？因為新型干法水泥廠在建廠設(shè)計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、水泥自動配料系統(tǒng)當前率值配料系統(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省、市、自治區(qū)巡回演講以來，立窯水泥廠開始對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)都能在一段時間里運行良好，但從實際效果看，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)，能進行配料方案計算，比過去人工計算方便得多，這些令水泥廠感到新鮮，但在計算機技術(shù)普及的今天，這些功能只不過是計算機技術(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。對于出現(xiàn)的問題，研制廠家認為責(zé)任在于水泥廠管理不善；而水泥廠自認為管理狀況正常，是設(shè)備難以在短時間內(nèi)大幅度升級。
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、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. 準確監(jiān)控磨機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，對于零點漂移、修改控制指標這樣的低難度問題當然能順利解決，但碰到磨機工況不穩(wěn)定、原材料波動大等情況，如果系統(tǒng)設(shè)計不完善，胡亂判斷，后果就只能是越調(diào)越亂。因為配料回調(diào)的前提是出磨生料成分是入磨各原料配比的正確反映，在磨機正常工作時，配料回調(diào)工作正常；當磨機發(fā)生飽磨或空磨時，出磨生料不再反映入磨各原料的配比，這時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，化驗室主任都瞪大眼睛日夜觀察磨機工況，一旦發(fā)現(xiàn)磨機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，只有實現(xiàn)磨機工況準確監(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小時幾十噸不合格生料就過去了，而且如果原料成分波動大，2小時的回調(diào)周期就失去了意義。 一般認為，二氧化硅對率值影響最大，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)從實際效果看，小型X射線熒光儀對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，達不到滿意效果；而大型X射線熒光分析儀價格在100萬元左右，令立窯水泥廠望機興嘆。
另一方面，經(jīng)典化學(xué)分析法操作復(fù)雜、耗時，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樣品的測定，加上取樣、熔樣、計算，還要花費一定的時間，要實現(xiàn)快速回調(diào)是不可能的。實際上水泥廠生產(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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