TDG-DEM重型定量给料机的研制与应用

水泥 2008-06-17

本文详细地介绍了重型定量给料机的机械设计及其控制仪表的研制，同时对实际应用效果作了简单的描述。

　　水泥厂物料计量是水泥企业各生产线环节中的重要环节。计量对提高水泥产品质量、降低成本、增效利废和实现环境保护具有重要意义。在新世纪，国家“控制总量、调整结构”和“上大改小、淘汰落后”等政策的前提下，我国水泥工业迅速发展，新型干法生产线技术也日臻成熟，规模在不断扩大，新增日产2000吨以下的生产线越来越少，据统计仅2004年，我国新建日产5000～6000吨的新型干法生产线32条，日产10000吨生产线4条，为了适应我国日产2500吨以上大型水泥生产线配料计量的要求，早日实现大型干法水泥厂设备完全国产化目标，合肥金山公司在原有定量给料机的基础上开发出性能稳定、计量精度高适应水泥生产线大型化的重型定量给料机（简称重型皮带秤），并在皖维日产6000吨新型干法水泥生产线上得到了成功地应用。

　　1. 系统组成及工作原理

　　TDG-DEM重型皮带秤控制系统由秤体、旋转编码器、荷重传感器和FCO-461控制仪表等构成（秤体如图1所示）。物料经过皮带秤的称量段时，称重传感器输出0～20mV电压信号，经过现场处理单元进行放大，转换成电流信号传送至仪表，再经过12位AD转换后送入CPU。皮带的速度由旋转编码器进行检测，经处理后送入CPU。主机CPU将采集的荷重信号与速度信号进行运算、补偿后得到实际的流量信号。该流量与给定流量比较后，根据偏差的大小进行预置调节运算及PID运算，将其结果通过D/A转换器输出一路标准模拟信号到变频器，以改变拖动电机的转速，从而使实际的给料量快速、精确、稳定地跟踪给定流量。

图1 TDG-DEM重型定量给料机

　　2. 机械设计

　　重型皮带秤的机械设计重点在于大型化，不同于一般轻型皮带秤，它要求承载能力大不变形，保护功能强，能够适应大型干法水泥生产线的要求。下面阐述一下几个关键部分的设计：

　　1)主传动滚筒的机械设计

　　主动滚筒直接决定皮带的运行速度，承受皮带的张力，主动滚筒的直径与皮带的包角直接决定皮带与滚筒间的摩擦力大小，皮带在运行过程中是否打滑，又直接影响到定量给料机的计量与给料精度。根据重型定量给料机必须满足2500t/d以上水泥厂的计量要求，又根据定量给料机不同于皮带输送机，皮带速度尽量控制在0.5m/s以内。而定量给料机的整机长度又不宜太长，一般不超过8米，根据我们的经验，确定主动滚筒直径不小于320mm，不大于420mm，滚筒厚度不小于8～10mm，刚度大，结构稳定，运行可靠。主动滚筒的长度，根据给料能力的不同和皮带宽度的不同，不小于1680mm，不大于2480mm。

　　(2)称量托辊、运行托辊的机械设计

　　称量与运行托辊属细长零件，直径小于90mm，长度至2480mm，其长径比为27.5：1，要求刚度大，同轴性好，转动灵活，特别是称量托辊要求壁厚均匀，转动灵活，无偏心、偏重。在重型定量给料机上我们将此零件设计成独立外挂轴承式，便于加工，同时又满足了使用要求。而传统的托辊结构形式给加工带来困难，难以保证质量。

　　(3)称量装置的机械设计

　　称量装置是皮带定量给料机的关键部件，定量给料机重型、大型化后，按传统的方式设计称量装置，必定笨重，整体刚度也会降低，对计量精度和稳定性带来影响，特别是物料偏载时，造成计量误差。为此，新称量装置设计为管式框架双传力结构，采用双传感器称重，省去配重装置，采用杠杆原理，减少称量装置和皮带自重对称重传感器产生的预压力，结构稳定，应用效果良好。

　　(4)十字簧片支点的设计与确定

　　重型定量给料机计量输送的物料量大，皮带的每米荷重大，皮带自身重量大，称量装置自身重量大，一般簧片结构难以满足要求，我们采用双簧片结构，经试用，效果良好，既增大了支点的承载能力，又保证了支点的灵活性。

　　(5)选用新型测速装置

　　皮带定量给料机的皮带运行速度测量是否准确，直接影响给料机的计量精度，重型定量给料机上采用旋转编码器装置来测量皮带速度，与传统的磁电式测速装置相比，测速精度大大提高。

　　3、控制仪表的研制

　　FCO-461控制仪表是金山公司最新研制的第5代称重仪表，主要用于重型定量给料机的控制与计量。它的设计如下：

　　(1)CPU的选择

　　目前市场上的CPU种类可谓是五花八门，但主流芯片还是51系列芯片，美国Cygnal公司最新推出的高集成度（SoC）的带8052内核的C8051F020芯片，它是将高性能模数、数模转换器、64K的flash、大容量的内部SRAM(256B-8KB+256B)集成在一块芯片上，是高速流水线结构CPU,大多数指令执行时间为1-2时钟周期（标准8051为12-24），它是世界上速度最高的8051CPU，它可在低频的情况下达到高速的效果。用它作为控制仪表的CPU，性能稳定可靠。同时，采用目前较流行的单片机C语言（keil C）进行编程，条理清晰、效率高。

　　(2)显示器的选择

　　FCO-461仪表采用的高亮VFD显示器，它是字体本身发光的显示器，即使在较强的日光下也能正常显示，而数码管和液晶显示器却无法做到这一点。

　　(3)电源的选择

　　FCO-461仪表采用24V输入模块化高性能开关电源，SMT工艺，小型金属外壳，具有瞬态电压抑制器过压保护电路，抗干扰能力强。

　　(4)采用自动去皮技术

　　当皮带运行一段时间，由于皮带跑偏或皮带上会附着一些细小物料以及其它一些原因会造成皮带零点的漂移，FCO-461仪表通过分析判断进行自动去皮，以跟踪实际皮重消除因皮带零点波动带来的误差。

　　(5)采用多重滤波技术

　　输入输出接口采用光电隔离、阻容滤波、瞬态电压抑制器过压保护等多种硬件抗干扰技术，以及数字滤波、数据校验和看门狗复位等软件抗干扰措施，以保证系统稳定可靠的运行。

　　(6)具有多种通讯功能

　　FCO-461仪表不仅具有标准的4～20mA模拟量和开关量通讯功能，同时还设计了一个标准的RS232串行口和一个标准的RS422/485串行口，通讯协议采用目前较流行的Modbus RTU 通讯协议，可很方便地与上位机和DCS系统进行连接。

　　(7)具有Profibus现场总线通讯功能

　　随着我国水泥工业的快速发展，水泥厂自动化技术也得到相应的发展，现场总线技术在大型干法水泥生产线上也得到越来越广范的应用。仪表具有现场总线通讯功能为实现大型水泥干法生产线综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案，为工业自动化第四代过程控制系统（DCS）过渡到第五代过程控制系统FCS（Fieldbus Control System）提供有力的保障。目前，在国内其他厂家的计量仪表中还不具有这一功能。

　　FCO-461仪表具有Profibus现场总线通讯功能，Profibus是Process FieldBus的缩写，是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化，它最大传输速率为12Mbit/s。当FCO-461仪表被DCS系统或FCS系统组态时，它向主站传递瞬时流量、设定流量、累计值、皮带速度值、各种报警信号、启动停止等大量数字信息。而它们仅仅通过一根电缆作为传输介质，用户投资成本大大降低。同时采用数字信号通信可避免模拟信号的衰减和变形，有效提高系统的测量和控制精度。

　　(8)采用双CPU硬件结构

　　考虑到高速通讯将占用大量的时间，系统的实时性将很难保证，因次仪表采用双CPU结构，一只CPU专门用于总线通讯，一只CPU用于实时控制，从而有效地保证定量给料机的实时控制和测量精度。

　　4. 实际应用

　　安徽皖维水泥有限公司日产6000吨水泥生产线是我院设计的一种新型干法带六级旋风预热器的预分解窑生产线，在入窑生料控制系统和生料配比系统中采用了我们设计的重型皮带秤代替入窑流量计作为计量控制设备。入窑生料粉皮带秤皮带宽度为2200mm，秤体长度为8000mm，是目前国产最宽最大的皮带秤。它与流量阀、截止阀、称重仓以及控制系统构成入窑生料控制系统。由于生料粉具有极强流动性的物理特性，因此用皮带秤进行计量时容易冲料和溢料，为了防止冲料，我们在下料斗上采取措施以减缓物料流动性。在皮带面上采取密封措施以防止溢料污染环境。控制上采用预置控制加前馈的自适应PID调节方式，它是双回路的闭环系统。首先，根据设定流量预置阀门的输出，实现初步预给料，再通过设定荷重与检测荷重的差值来调节阀门，同时对阀门的调节加约束条件，保证皮带秤上物料的负荷维持在设定的相对水平，从而实现稳定喂料；通过设定流量与检测流量的差值来调节皮带秤，从而实现准确计量。皖维日产6000吨水泥生产线生料粉正常用量大约在420吨/小时左右，经应用系统非常稳定，波动仅在5‰以内，受到用户一致好评。生料配料系统采用的重型皮带秤皮带宽度为1600mm，中心距为3000mm，用来计量石灰石，台时产量为500吨。在使用一段时间后，用户对其进行了实物标定，其结果如下：

2005年7月28日的实物标定数据