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以浙江水泥廠(chǎng)配料系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)原有核子秤系統(tǒng)存在的缺陷，給出了電子皮帶秤系統(tǒng)的改造方案。結(jié)合可編程控制器控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和電子秤高精度、高可靠性的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟硬件配置。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證明該改造方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)。改造后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度大大提高，取得了良好的控制效果。
在20世紀(jì)50年代和60年代，固體物料的連續(xù)測(cè)量設(shè)備主要是機(jī)械皮帶秤。20世紀(jì)60年代末，電子皮帶秤開(kāi)始應(yīng)用，然后迅速占領(lǐng)了整個(gè)市場(chǎng)，完全取代了機(jī)械皮帶秤。80年代末，國(guó)內(nèi)一些鋼廠(chǎng)、電廠(chǎng)開(kāi)始引進(jìn)核皮帶秤，打破了電子皮帶秤一統(tǒng)天下的局面。由于核子秤和電子秤的測(cè)量原理不同，核子秤和電子秤在不同的測(cè)量過(guò)程中各有優(yōu)勢(shì)。例如，由于核子秤的污染和精度問(wèn)題，國(guó)外工業(yè)化國(guó)家的水泥廠(chǎng)和我國(guó)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的水泥廠(chǎng)都沒(méi)有采用核子秤作為配料系統(tǒng)的進(jìn)料計(jì)量裝置[1]。以水泥配料系統(tǒng)為例，主要介紹了生料磨計(jì)量配料控制系統(tǒng)中核子秤改造為電子秤的總體方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1.工藝流程
該配料系統(tǒng)為半干式生料磨計(jì)量配料控制系統(tǒng)，由四個(gè)生料磨組成，采用一個(gè)磨、三個(gè)秤、四個(gè)通道進(jìn)行計(jì)量配料控制。其中，1#和2#生料磨常用的物料為砂頁(yè)巖、石灰石、鐵粉；3#生料磨常用的原料有砂頁(yè)巖、石灰石、白云石。4#生料磨常用的原料有石灰石、白云石、鐵粉。圖1是原料研磨機(jī)之一的示意圖。原料磨由三個(gè)料倉(cāng)進(jìn)料，即需要安裝三個(gè)皮帶秤。原料磨每小時(shí)總產(chǎn)量為0-60t/h[5][6]。
目前的系統(tǒng)是核子秤計(jì)量系統(tǒng)，計(jì)劃改為電子皮帶秤。核皮帶秤和電子皮帶秤都是測(cè)量帶式輸送機(jī)輸送物料的設(shè)備。從原理上看，兩種設(shè)備有一個(gè)共同點(diǎn):為了得到被輸送物料的重量流量，既要檢測(cè)皮帶的物料負(fù)荷，也要檢測(cè)皮帶的速度信號(hào)，然后將兩個(gè)信號(hào)相乘得到瞬時(shí)流量，再通過(guò)積分或累加運(yùn)算得到一段時(shí)間內(nèi)被輸送物料重量的累計(jì)值；檢測(cè)皮帶速度的方式相同，采用磁阻脈沖式和光電脈沖式速度傳感器。區(qū)別在于核皮帶秤通過(guò)物料對(duì)輻射的吸收來(lái)確定載荷信號(hào)，而電子皮帶秤通過(guò)稱(chēng)量設(shè)定長(zhǎng)度內(nèi)物料的重量來(lái)確定載荷信號(hào)。
2、原系統(tǒng)缺陷分析
在精度方面，對(duì)于電子皮帶秤，流量越高，通常可以達(dá)到的精度越高。對(duì)于核皮帶秤，由于放射源強(qiáng)度的限制，在大流量、高負(fù)荷的情況下，探測(cè)器通過(guò)物料接收到的射線(xiàn)強(qiáng)度太弱，無(wú)疑影響測(cè)量精度。
就安全而言，電子皮帶秤不存在安全問(wèn)題。核皮帶秤配有核輻射源，通常使用銫(CS137)，其輻射強(qiáng)度一般點(diǎn)源為3.7×109貝克勒爾(100毫居里)，線(xiàn)源為6×108貝克勒爾(16毫居里)。因此，在使用核帶秤之前，有必要向所有工作人員普及核輻射儀器和防護(hù)知識(shí)；核輻射儀器的使用應(yīng)有完善的規(guī)章制度和嚴(yán)格的安全防護(hù)措施。訂購(gòu)核輻射儀器前，應(yīng)向衛(wèi)生、防疫和公安部門(mén)提出申請(qǐng)，并征得同意。安裝后，應(yīng)經(jīng)衛(wèi)生、防疫、公安部門(mén)檢查，并出具使用證明后，方可使用；應(yīng)配備專(zhuān)用輻射劑量測(cè)量?jī)x器，并指定專(zhuān)人負(fù)責(zé)維護(hù)。勞動(dòng)者應(yīng)享受特殊保健，并定期體檢。
3.控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
常規(guī)電子皮帶秤的測(cè)量系統(tǒng)由秤體(給料機(jī))、負(fù)荷傳感器、速度傳感器、變頻器、積分器、工控機(jī)等組成。配料控制系統(tǒng)通過(guò)積分器或計(jì)算機(jī)的PID調(diào)節(jié)，使物料的實(shí)際流量達(dá)到設(shè)定的流量，從而達(dá)到自動(dòng)配料的目的。
該控制系統(tǒng)是直接數(shù)字控制(DDC)控制系統(tǒng)。在下控制中，傳感器、變頻器和積分器形成閉環(huán)反饋，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到上設(shè)定值。下位控制的核心是積分器，本質(zhì)上是一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的配料系統(tǒng)專(zhuān)用的配料控制器。上位控制是工控機(jī)。上位機(jī)提供人機(jī)界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、趨勢(shì)、報(bào)表等。并根據(jù)生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)最佳配比。高位和低位通過(guò)直接交換模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)以及數(shù)據(jù)通信來(lái)交換數(shù)據(jù)[2][4]。
該方案中，一個(gè)帶負(fù)載傳感器和變頻器的積分器只能控制一個(gè)測(cè)量標(biāo)尺，但單個(gè)積分器成本高，系統(tǒng)中有12個(gè)標(biāo)尺，所以積分器在整個(gè)系統(tǒng)中的成本太高。而且累加器一般都是專(zhuān)用設(shè)備，嚴(yán)重依賴(lài)設(shè)備廠(chǎng)家，不方便備貨。
根據(jù)積分器的控制功能和實(shí)際情況，我們提出了另一種解決方案，即使用可編程控制器代替積分器。用PLC代替積分器有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如:靈活的系統(tǒng)配置，根據(jù)需要增加io通道；該系統(tǒng)可靠性高，信號(hào)響應(yīng)快。功能強(qiáng)大，可以根據(jù)需要擴(kuò)展控制器的功能；可以適當(dāng)減輕上位控制計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，一個(gè)PLC可以進(jìn)行多個(gè)PID運(yùn)算，而不是多個(gè)積分器；
價(jià)格優(yōu)越，備件方便。
在該系統(tǒng)中，速度信號(hào)是脈沖信號(hào)，因此脈沖計(jì)數(shù)模塊需要在PLC中配置。負(fù)載信號(hào)是弱電信號(hào)，需要放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。變頻器可以接收標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)或0~10V信號(hào)，由于電流信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，所以采用4~20mA作為控制信號(hào)。此外，秤體配有一些糾偏限位開(kāi)關(guān)，可用于系統(tǒng)報(bào)警。
在可編程控制器和上位控制計(jì)算機(jī)之間傳遞。
4.系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
1)系統(tǒng)硬件配置。
2)系統(tǒng)軟件配置。
上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用HMI組態(tài)軟件WINCC，下位PLC為S7300系列，因此編程采用STEP7。下位PLC要完成的主要任務(wù)如下:(1)現(xiàn)場(chǎng)采集速度信號(hào)、負(fù)荷信號(hào)和皮帶糾偏狀態(tài)信號(hào)；2)將負(fù)載信號(hào)和速度信號(hào)相結(jié)合，得到秤體上的瞬時(shí)流量；3)執(zhí)行PID運(yùn)算，得到變頻器的給定速度信號(hào)；④檢查相關(guān)信號(hào)狀態(tài)，符合報(bào)警條件時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
通信采用PROFIBUS或MPI，通信速度可達(dá)12M/S，足以滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求[3][7]。
5.控制效果對(duì)比分析
皮帶秤核子秤改為電子皮帶秤后，目前系統(tǒng)的測(cè)量精度為+0.5%，大大超過(guò)了廠(chǎng)家要求的1%的測(cè)量精度。由于電子皮帶秤的稱(chēng)重原理是通過(guò)皮帶測(cè)量物料的重量，所以皮帶輸送機(jī)的條件，如皮帶張力、皮帶硬度、皮帶跑偏、滾筒錯(cuò)位、滾筒偏心等，對(duì)稱(chēng)重精度有一定的影響，但只要進(jìn)行相關(guān)的校準(zhǔn)和維護(hù)，測(cè)量精度可以進(jìn)一步提高。然而，與原來(lái)的核子秤系統(tǒng)相比，測(cè)量精度有了很大提高。主要原因是核皮帶秤是根據(jù)射線(xiàn)吸收原理進(jìn)行測(cè)量的，材料特性的變化，如品種、成分、含水量以及皮帶上截面形狀的變化，對(duì)測(cè)量精度有影響。例如，稱(chēng)重材料發(fā)生變化時(shí)，需要重新校準(zhǔn)。當(dāng)材料含水量變化10%時(shí)，可能會(huì)造成0.5%的誤差，以此類(lèi)推。原系統(tǒng)雖然標(biāo)稱(chēng)精度為+1%，但實(shí)際使用中達(dá)不到這個(gè)精度。電子皮帶秤的維護(hù)除了提高精度外，還有它的優(yōu)點(diǎn)，不需要專(zhuān)門(mén)的人來(lái)維護(hù)。
在電子皮帶秤的方案中，由于采用了PLC作為控制器，與原來(lái)的積分器相比，PLC的運(yùn)算速度更快，計(jì)算精度更高，結(jié)構(gòu)更靈活，功能更強(qiáng)大。它對(duì)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和降低系統(tǒng)的硬件成本起著重要的作用。表2列出了修改前后系統(tǒng)控制效果的比較。
6.結(jié)論
水泥配料系統(tǒng)改造成電子皮帶秤后，計(jì)量系統(tǒng)工作正常，達(dá)到甚至超過(guò)了廠(chǎng)家的技術(shù)要求。當(dāng)然，核皮帶秤改為電子皮帶秤并不意味著電子皮帶秤優(yōu)于核皮帶秤，而是不同的應(yīng)用需要不同的計(jì)量秤。核皮帶秤也有它的優(yōu)點(diǎn)，比如安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。讀者在選擇型號(hào)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況區(qū)別對(duì)待。

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