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一种高性价比微机配料仪表的设计

水泥生产行业对微机配料仪表的要求是: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仪表,取得了良好的效果。

1 微机配料仪表系统的结构和工作原理

  微机配料仪表控制系统由配料控制计算机和电气配料控制柜2个基本部分组成,其总体结构如图1所示。

 

图1 微机配料仪表控制系统结构示意

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总线配料仪表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。
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。   

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。
 

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,从而使配料仪表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,整个仪表系统工作非常稳定。
 

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,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 仪表系统软件设计

  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。配料仪表开机时在Windows 9X或Windows NT操作系统下执行即可。
 

仪表配料程序由以下的子程序组成:

仪表系统初始化子程序、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 微机配料仪表的安装调试及使用效果

以河北迁安沙滦水泥厂生料配料仪表安装调试过程为例,说明微机配料仪表的实际使用情况。该生料配料系统共有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,这样配料仪表有充分的稳定时间,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仪表的配料精度,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,该厂的熟料配料仪表采用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。可见该配料仪表性能明显优于STD总线机配料仪表。

4 构成集散配料仪表系统

  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所示的两级集散配料仪表。
 

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。
 

配料控制仪表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,用来配料控制电气柜,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高性价比配料仪表解决方案。
 

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