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0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動配料系統(tǒng)（也稱電子皮帶秤）已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個(gè)領(lǐng)域 [1] 。在很多生產(chǎn)工藝過程中，人們除了要求衡器能準(zhǔn)確地進(jìn)行稱量，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需要外，還要求稱重過程能大幅度提高生產(chǎn)效率 [2,3] 。水泥是由石灰石和礦渣等材料按一定的配比混合煅燒而來，對散料在皮帶輸送過程中常需要進(jìn)行動態(tài)連續(xù)稱量，而且還要對輸送中的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制和達(dá)到準(zhǔn)確的配比。配料的精確度直接關(guān)系著水泥的質(zhì)量。如果配料的精確度達(dá)不到要求，輕則造成原料、能源的浪費(fèi)，重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，并且有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故。自動配料系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和智能化、企業(yè)的科學(xué)管理、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗的重要技術(shù)手段 [4] 。

本文基于PLC設(shè)計(jì)了一種智能水泥自動配料系統(tǒng)，計(jì)量精度高，操作方便，對于實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)自動化，具有重要的意義。

1 水泥自動配料系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動配料系統(tǒng)是自動衡器，是物料在輸送過程中連續(xù)自動地完成稱重任務(wù)，并且要自動完成累計(jì)，具有連續(xù)和自動稱重的特點(diǎn)。在稱重過程中所得到的稱重值，就是一段時(shí)間內(nèi)物料的流量累計(jì)量。這不僅和皮帶上輸送的物料重量有關(guān)，還和皮帶運(yùn)行的速度有關(guān)。所以，在采集皮帶上物料重量的同時(shí)，必須采集皮帶運(yùn)行的速度，并把這兩個(gè)值送到控制器進(jìn)行乘積和積分運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果即為此時(shí)配料系統(tǒng)的配料速度和已經(jīng)配料的累計(jì)值。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的自動配料系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)下，自動配料系統(tǒng)利用稱重傳感器和測速傳感器把皮帶上通過的物料重量與皮帶速度轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換得到的兩組信號通過現(xiàn)場按鈕盒，通過A/D轉(zhuǎn)換輸送給主控制器進(jìn)行計(jì)算、調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)合適的控制值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后傳給變頻器，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在此過程中系統(tǒng)的給定值，也就是自動配料系統(tǒng)每小時(shí)所需要配料的噸數(shù)，可以是通過控制系統(tǒng)的鍵盤本地輸入，也可以是由DCS遠(yuǎn)程給定的。稱重累計(jì)結(jié)果送給顯示器并同時(shí)由DCS進(jìn)行上傳。

1）控制器

由于本文所設(shè)計(jì)的自動配料系統(tǒng)應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，潮濕、灰塵等干擾因素比較多，所以對控制器的抗干擾性能以及穩(wěn)定性有很高的要求。PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)是它的最重要特點(diǎn)之一。綜合自動配料系統(tǒng)的控制要求，本設(shè)計(jì)選用西門子的S7200PLC作為控制器。

2）壓力傳感器

壓力傳感器是自動配料系統(tǒng)檢測物料重量的部件，它的性能指標(biāo)很大程度上決定了自動配料系統(tǒng)的測量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用德國HBM的波紋管電阻應(yīng)變式傳感器，其原理如圖3所示，圖中R4為應(yīng)變電阻，A，B兩點(diǎn)接入輸入電壓，通常為10V左右，C，D間為信號輸出電壓，其范圍在0mV～10mV。工作原理如下：當(dāng)應(yīng)變電阻R4受力后，將引起R4發(fā)生形變，從而使R4的阻值發(fā)生變化，受力越大形變的程度也就越大，阻值變化也就越大，并且阻值的變化大小和受力的大小成正比例關(guān)系。R4的阻值變化后，R4承受的電壓值隨之發(fā)生變化，如果將B點(diǎn)設(shè)為參考電位點(diǎn)，在受壓前后D點(diǎn)相對B點(diǎn)的壓差就產(chǎn)生了變化。而C點(diǎn)的電壓沒有變化，結(jié)果就是引起C點(diǎn)和D點(diǎn)之間有了一定的電壓。
自動配料 水泥配料計(jì)算

3）測速傳感器

皮帶速度檢測的準(zhǔn)確程度直接影響到配料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。本設(shè)計(jì)采用磁電式測速傳感器。在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，帶動從動輪轉(zhuǎn)動，從而帶動了和從動輪同軸的測速齒輪的轉(zhuǎn)動，當(dāng)測速傳感器接近測速齒輪時(shí)輸出脈沖信號。

電機(jī)速度越高，測速齒輪旋轉(zhuǎn)越快，測速傳感器輸出脈沖頻率也就越高，單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)也越多。通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)收到的脈沖數(shù)，算出從動輪的轉(zhuǎn)速，也就可以計(jì)算出皮帶的線速度。

4）鍵盤、顯示器

TD400C是S7-200文本顯示設(shè)備，為背光液晶顯示，分辨率為192×64，具有2行（大字體）或4行（小字體）顯示功能，使操作員或用戶能夠與應(yīng)用程序進(jìn)行交換，可以查看、監(jiān)視和更改應(yīng)用程序固有的過程變量。在TD400C上自定義了16個(gè)功能按鍵，實(shí)現(xiàn)了開機(jī)、關(guān)機(jī)、運(yùn)行、停止等智能化功能。

5）變頻器

采用模擬電路控制滑差調(diào)速電機(jī)方式具有價(jià)格低廉等優(yōu)勢，但是在低速時(shí)滑差電機(jī)調(diào)速方式特性差、效率低，且現(xiàn)場外部工作環(huán)境惡劣，粉塵多，易進(jìn)入滑差電機(jī)內(nèi)部而出現(xiàn)磨損、卡死等現(xiàn)象，維修、維護(hù)麻煩，造成工作故障多，影響正常生產(chǎn) [5] 。本設(shè)計(jì)采用富士P11S系列變頻器對電機(jī)進(jìn)行無級變速，可提高配料精度和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)故障。

2 控制策略

目前的自動配料系統(tǒng)多通過固定時(shí)間間隔對物料重量和皮帶速度采樣，然后把采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，即對皮帶上物料重量的檢測是通過檢測一段時(shí)間內(nèi)有效稱量段上的物料重量，對這段皮帶上物料的重量進(jìn)行平均，所得到的結(jié)果作為單位長度上物料的重量。

這種方法在下料平穩(wěn)的情況下，檢測到物料的重量值基本符合實(shí)際值，但在實(shí)際過程中，往往會出現(xiàn)下料不穩(wěn)的情況，尤其在物料潮濕發(fā)粘的情況下，還經(jīng)常會出現(xiàn)一會有料一會沒料的情況，在這種情況下，對皮帶上的物料進(jìn)行平均運(yùn)算，結(jié)果與實(shí)際值相差很大，影響系統(tǒng)的精度。

本設(shè)計(jì)不通過固定的時(shí)間間隔來對系統(tǒng)采樣，而是皮帶運(yùn)行固定一段距離來對系統(tǒng)的物料重量采樣一次，壓力傳感器檢測的是皮帶上某段物料的重量，把這段長度作為系統(tǒng)的固定采樣長度，消除因?qū)⑽锪线M(jìn)行平均而帶來的誤差。改進(jìn)后的配料系統(tǒng)控制算法如下：

1）累積量的計(jì)算方法：

式中：

X (n) 為系統(tǒng)第n次采樣時(shí)配料累積值；

M ( n)為系統(tǒng)第n次采樣時(shí)有效稱量段上物料重量。

2）第n次采樣時(shí)瞬時(shí)流量的計(jì)算方法：

式中：

P (t )為系統(tǒng)顯示的瞬時(shí)流量值；

V (t )為皮帶的瞬時(shí)速度；

L為有效稱量段長度。

3）流量控制方法：

式中：

S (t )為配料系統(tǒng)在t時(shí)間每小時(shí)配料量；

F為系統(tǒng)設(shè)定的每小時(shí)配料量；

x為配料系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，整小時(shí)數(shù)加一；

x '為x減去系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行的整小時(shí)數(shù)。

4）控制皮帶速度的計(jì)算方法：

式中V i (t)為皮帶單位時(shí)間應(yīng)該運(yùn)行的長度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序分為初始化程序、信號采集、判斷運(yùn)行模式以及模擬量輸出，流程如圖4所示，其中自動調(diào)節(jié)程序是配料系統(tǒng)計(jì)量的核心，通過讀取系統(tǒng)設(shè)定流量以及瞬時(shí)的荷重值和速度值，輸出合適的電流來控制變頻器驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制皮帶加快或減慢。

3.2 累積量計(jì)算程序

本設(shè)計(jì)中對累積量的計(jì)算通過記錄采樣時(shí)有效稱量段上物料的重量，等待皮帶運(yùn)行的長度等于有效稱量段的長度后，累積量增加n（Kg），如此循環(huán)進(jìn)行，程序流程圖如圖5所示。
自動配料 水泥配料計(jì)算

3.3 電機(jī)速度調(diào)節(jié)程序

電機(jī)的速度是由系統(tǒng)設(shè)定流量、傳感器的即時(shí)荷重、系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)的累積量共同決定的，流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種智能化水泥自動化配料系統(tǒng)，具有操作方便、配料精度高、稱量速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾因素眾多的現(xiàn)狀，有效地提高了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度和可靠性，解決了以往皮帶秤配料系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差較大、動態(tài)特性不理想的問題。

本系統(tǒng)應(yīng)用于安徽某水泥廠，能夠按照用戶要求自動完成下料、稱量、配料全過程，很大程度地降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，對于提高水泥的質(zhì)量有著十分重要的意義。

 

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