一种经济型微机配料系统的设计与应用
水泥 2007-04-30
水泥行业对微机配料系统的要求是:能适应恶劣的现场环境，运行稳定，抗干扰能力强，计量准确，有数据加工处理能力，易于维修，同时具有良好的经济性。我们设计了一种基于工业现场总线的新型微机配料系统，取得了良好的效果。
1 微机配料系统的结构和工作原理
微机配料控制系统由配料控制计算机和电气控制柜2个基本部分组成，其总体结构如图1所示。
图1 微机配制系统结构示意
配料控制计算机通过RS485通讯接口和电气控制柜内的远端数据采集模块进行通讯，RS485也是一种简单的工业现场总线标准，具有良好的抗干扰性和可扩展性，在微机的标准RS232串口上插接光电隔离的RS232/RS485转换模块，构成微机的RS485接口，采用这种通讯结构后，微机和它所控制的设备只有简单的几根线连接，避免了STD总线配料系统将过多的连线引入微机造成的干扰，因此配料控制计算机可采用工业PC或通用型微机。
电气控制柜由远端数据采集与控制模块4050、4017、电源板、脉冲触发板和可控硅等组成，所有的元器件全部装在1台立式电气柜内，结构紧凑，易于维护。
4050和4017是自行研制的远端数据采集与控制模块，与研华系列的4017和4050，完全兼容，可以方便地互换使用，只是为了适应配料现场的恶劣环境，在设计上强化了防尘措施和抗干扰措施。
4017是8路模拟量输入模块，12位的数模转换芯片确保了数模转换的精度，从而使配料系统可以很精确地测出很小的料重。模拟量输入部分采用光电隔离芯片，进行光电隔离，消除了干扰信号对模块内部的影响。
4050是8路开关量输入输出模块，4050的输出信号驱动触发脉冲放大板，控制电振机和开关门电动机的动作，实现上料、下料控制，另外可根据需要，扩展其他控制，如磨机轴温、磨音监测和音响报警等。
4050和4017都通过RS485总线与配料控制微机相连，由于采用总线式结构，可以根据需要，很方便地添加或减少模块。只要用2根导线与总线挂接，在标准卡槽上安装或拆除模块即可。
触发板采用NE555集成电路构成移相触发电路。触发电路输入端采用TLP521光耦芯片来隔离输入信号，输出端采用MOC3020光耦接通可控硅触发电路，最大限度地实现了前级和后级的电隔离。触发板输入信号和输出信号都可以通过发光二极管直观地显示出来，使维修非常方便。
电控柜内所有的模块、模板都由单独的电源供电，避免了相互之间的干扰。
由于采取了上述一系列措施，整个系统工作非常稳定。
以失重秤(减量法斗式秤)为例，其工作原理为:
将工艺设定参数，如产量、各路配比等输入配料控制计算机，配料控制计算机计算出具体的各路每次下料量，当配料控制计算机运行配料程序后，通过RS485总线向4050模块发出控制信号，4050的输出驱动触发板，使可控硅导通，上料电振机振动，开始上料。同时料斗质量数据通过传感器输入4017模块，经模数转换后经RS485口传入配料控制机，由配料控制计算机与工艺设定值进行比较，当料重达到设定值后，向4050发出信号，停相应的上料电振机，当全部电振机停止后，驱动开门电动机，将配好的料放到皮带上，完成一个循环。生产过程中的累积数据，存储在配料控制计算机上，随时可由管理机读取。
2 系统软件设计
配料程序采用VC++高级语言编写，全部源程序最后编译成一个Windows操作系统下的可执行文件，2M左右大小，可以方便地复制、删除。配料系统开机时在Windows 9X或Windows NT操作系统下执行即可。
配料程序由以下的子程序组成:
系统初始化子程序、重量信号采集子程序、标秤子程序、配料量计算子程序、配料比误差补偿子程序和故障报警子程序。这里介绍4个子程序。
1)配料计算子程序
根据管理机下达的工艺参数或手动输入的工艺参数，自动计算出各路物料每次下料的质量，以及上料和放料时应达到的称重值。操作人员输入的配料比，各路相加之和必须为100%，否则提示操作者是否重新输入。
2)质量信号采集子程序
由于上料、下料都有冲击干扰，因此当采集质量信号时，进行数字滤波，该程序完成滤波过程。
3)配料量误差补偿子程序
配料循环开始时，各路上料电振机将相应料仓中的物料通过振动加到对应的料斗中，计算机同时对各路料斗中的物料质量进行检测，当达到配料比例时，停止对应料斗的上料过程，待所有各路料斗的物料稳定后，测量料斗的质量，分别储存起来，然后启动开门电动机，将料斗中的物料放落下来，进行配料，完成一个配料周期。
此时，电振机、电动机都停止运行，再测量各路料斗的质量，与上完料后的各个料斗的质量相减，得出的即是本次该物料的配料质量。
由于上下物料时有冲击，测量出的料斗质量不可能正好达到配料比例要求，不足或超过部分，作为误差，将在下次下料时予以补偿。
4)报警子程序
称重过程中，在一段时间内，若某一路上料或下料的工序无法完成，说明上料或下料的通道有障碍，相应的报警指示灯亮，并发出声音信号，提醒操作人员及时处理。
3 微机配料系统的安装调试及使用效果
以河北迁安沙滦水泥厂生料配料系统安装调试过程为例，说明微机配料系统的实际使用情况。该生料系统共有6台斗秤(其中1台未用)，配料工艺要求如表1所示。
其中3路斗秤采用100kg秤体(30kg传感器)，另3路采用500kg秤体(50kg传感器)，传感器采用电流输出拉力传感器，输出为4～20mA标准信号，由于秤体本身有杠杆作用，所以每台秤的最大称量能力都远远大于实际需求。这样做一是为将来该厂技术改造后提高产量留有余地，二是避免非正常生产状态下损坏传感器，因为停产检修时秤体可能受到多人的踩踏和工具的磕碰，较小的传感器易发生过载损坏，我们在实际调试中多次遇到这种情况。
由于4017的输入信号是0～5V电压信号，所以应该在信号输入端子上并联250Ω电阻，将传感器的电流信号转换为电压信号，但由于使用的传感器量程偏大，在测量小料重时电压信号的变化范围较小，有可能影响测量精度，可根据情况，将并联电阻改为500Ω，以增大电压的动态范围。
当传感器、电动机、电振机分别接到电气控制柜对应的端子后，即可进行标秤，首先执行配料程序，在标准的下拉菜单中选择“测量皮重”，然后根据每路下料量的大小选择20kg或40kg的砝码放在秤盘上，同时输入砝码的质量，待计算机上显示的传感器电压值稳定后，按“回车”键，计算机自动形成“电压-料重”变换系数，这样即可将传感器信号转换成料重数据。
标秤完毕后，输入表1所示的工艺参数要求。其中周期应选得长一些，这样系统有充分的稳定时间，而且每次下料量较大，可避免过小的下料量所造成的误差，因斗秤系统是瞬时放料，每次放料过多，容易放到皮带以外，因此周期一般取15～20s，失重秤可取25～30s。
此时选择“运行”，即可进行正式生产。全部安装调试过程不超过2h，厂方采用化验法来验收配料系统的配料精度，在正式生产后的第1个8点班，每隔0.5h取样化验1次，其中主要指标CaO含量值应控制在(42.83±0.3)%，不合格试样仅3个，合格率由原来的50%左右提高到80%以上，厂方非常满意。相比之下，该厂的熟料系统采用STD总线机控制系统，从安装到完全正常生产，整整花了3个月时间。可见该配料系统性能明显优于STD总线机配料系统。
4 构成集散系统
在配料控制计算机上插入以太网卡，通过工业以太网将配料计算机和若干台管理计算机连接起来，就构成了一个如图1所示的两级集散系统。
由若干台生产管理计算机构成控制管理级，用来控制生产计划、完成数据分析、质量控制、工艺设定等功能，将来可扩展到销售、财务等管理功能。
由生料配料控制计算机、熟料配料控制计算机构成基础控制级，用来控制电气柜，完成数据采集、上料、放料，实现自动配料。
控制管理级计算机和基础控制级计算机之间，通过以太网连接，实现数据交换。这样就为整个厂管理上档次提供了一个经济型解决方案。
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