TDG-DEM重型定量給料機(jī)的研制與應(yīng)用

　　水泥廠物料計量是水泥企業(yè)各生產(chǎn)線環(huán)節(jié)中的重要環(huán)節(jié)。計量對提高水泥產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增效利廢和實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。在新世紀(jì)，國家“控制總量、調(diào)整結(jié)構(gòu)”和“上大改小、淘汰落后”等政策的前提下，我國水泥工業(yè)迅速發(fā)展，新型干法生產(chǎn)線技術(shù)也日臻成熟，規(guī)模在不斷擴(kuò)大，新增日產(chǎn)2000噸以下的生產(chǎn)線越來越少，據(jù)統(tǒng)計僅2004年，我國新建日產(chǎn)5000～6000噸的新型干法生產(chǎn)線32條，日產(chǎn)10000噸生產(chǎn)線4條，為了適應(yīng)我國日產(chǎn)2500噸以上大型水泥生產(chǎn)線配料計量的要求，早日實現(xiàn)大型干法水泥廠設(shè)備完全國產(chǎn)化目標(biāo)，合肥金山公司在原有定量給料機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出性能穩(wěn)定、計量精度高適應(yīng)水泥生產(chǎn)線大型化的重型定量給料機(jī)（簡稱重型皮帶秤），并在皖維日產(chǎn)6000噸新型干法水泥生產(chǎn)線上得到了成功地應(yīng)用。

　　1. 系統(tǒng)組成及工作原理

　　TDG-DEM重型皮帶秤控制系統(tǒng)由秤體、旋轉(zhuǎn)編碼器、荷重傳感器和FCO-461控制儀表等構(gòu)成（秤體如圖1所示）。物料經(jīng)過皮帶秤的稱量段時，稱重傳感器輸出0～20mV電壓信號，經(jīng)過現(xiàn)場處理單元進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成電流信號傳送至儀表，再經(jīng)過12位AD轉(zhuǎn)換后送入CPU。皮帶的速度由旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行檢測，經(jīng)處理后送入CPU。主機(jī)CPU將采集的荷重信號與速度信號進(jìn)行運(yùn)算、補(bǔ)償后得到實際的流量信號。該流量與給定流量比較后，根據(jù)偏差的大小進(jìn)行預(yù)置調(diào)節(jié)運(yùn)算及PID運(yùn)算，將其結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出一路標(biāo)準(zhǔn)模擬信號到變頻器，以改變拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使實際的給料量快速、精確、穩(wěn)定地跟蹤給定流量。

圖1  TDG-DEM重型定量給料機(jī)

　　2.  機(jī)械設(shè)計

　　重型皮帶秤的機(jī)械設(shè)計重點(diǎn)在于大型化，不同于一般輕型皮帶秤，它要求承載能力大不變形，保護(hù)功能強(qiáng)，能夠適應(yīng)大型干法水泥生產(chǎn)線的要求。下面闡述一下幾個關(guān)鍵部分的設(shè)計：

　　1)主傳動滾筒的機(jī)械設(shè)計

　　主動滾筒直接決定皮帶的運(yùn)行速度，承受皮帶的張力，主動滾筒的直徑與皮帶的包角直接決定皮帶與滾筒間的摩擦力大小，皮帶在運(yùn)行過程中是否打滑，又直接影響到定量給料機(jī)的計量與給料精度。根據(jù)重型定量給料機(jī)必須滿足2500t/d以上水泥廠的計量要求，又根據(jù)定量給料機(jī)不同于皮帶輸送機(jī)，皮帶速度盡量控制在0.5m/s以內(nèi)。而定量給料機(jī)的整機(jī)長度又不宜太長，一般不超過8米，根據(jù)我們的經(jīng)驗，確定主動滾筒直徑不小于320mm，不大于420mm，滾筒厚度不小于8～10mm，剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。主動滾筒的長度，根據(jù)給料能力的不同和皮帶寬度的不同，不小于1680mm，不大于2480mm。

　　(2)稱量托輥、運(yùn)行托輥的機(jī)械設(shè)計

　　稱量與運(yùn)行托輥屬細(xì)長零件，直徑小于90mm，長度至2480mm，其長徑比為27.5：1，要求剛度大，同軸性好，轉(zhuǎn)動靈活，特別是稱量托輥要求壁厚均勻，轉(zhuǎn)動靈活，無偏心、偏重。在重型定量給料機(jī)上我們將此零件設(shè)計成獨(dú)立外掛軸承式，便于加工，同時又滿足了使用要求。而傳統(tǒng)的托輥結(jié)構(gòu)形式給加工帶來困難，難以保證質(zhì)量。

　　(3)稱量裝置的機(jī)械設(shè)計

　　稱量裝置是皮帶定量給料機(jī)的關(guān)鍵部件，定量給料機(jī)重型、大型化后，按傳統(tǒng)的方式設(shè)計稱量裝置，必定笨重，整體剛度也會降低，對計量精度和穩(wěn)定性帶來影響，特別是物料偏載時，造成計量誤差。為此，新稱量裝置設(shè)計為管式框架雙傳力結(jié)構(gòu)，采用雙傳感器稱重，省去配重裝置，采用杠桿原理，減少稱量裝置和皮帶自重對稱重傳感器產(chǎn)生的預(yù)壓力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。

　　(4)十字簧片支點(diǎn)的設(shè)計與確定

　　重型定量給料機(jī)計量輸送的物料量大，皮帶的每米荷重大，皮帶自身重量大，稱量裝置自身重量大，一般簧片結(jié)構(gòu)難以滿足要求，我們采用雙簧片結(jié)構(gòu)，經(jīng)試用，效果良好，既增大了支點(diǎn)的承載能力，又保證了支點(diǎn)的靈活性。

　　(5)選用新型測速裝置

　　皮帶定量給料機(jī)的皮帶運(yùn)行速度測量是否準(zhǔn)確，直接影響給料機(jī)的計量精度，重型定量給料機(jī)上采用旋轉(zhuǎn)編碼器裝置來測量皮帶速度，與傳統(tǒng)的磁電式測速裝置相比，測速精度大大提高。

　　3、控制儀表的研制

　　FCO-461控制儀表是金山公司最新研制的第5代稱重儀表，主要用于重型定量給料機(jī)的控制與計量。它的設(shè)計如下：

　　(1)CPU的選擇

　　目前市場上的CPU種類可謂是五花八門，但主流芯片還是51系列芯片，美國Cygnal公司最新推出的高集成度（SoC）的帶8052內(nèi)核的C8051F020芯片，它是將高性能模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、64K的flash、大容量的內(nèi)部SRAM(256B-8KB+256B)集成在一塊芯片上，是高速流水線結(jié)構(gòu)CPU,大多數(shù)指令執(zhí)行時間為1-2時鐘周期（標(biāo)準(zhǔn)8051為12-24），它是世界上速度最高的8051CPU，它可在低頻的情況下達(dá)到高速的效果。用它作為控制儀表的CPU，性能穩(wěn)定可靠。同時，采用目前較流行的單片機(jī)C語言（keil C）進(jìn)行編程，條理清晰、效率高。

　　(2)顯示器的選擇

　　FCO-461儀表采用的高亮VFD顯示器，它是字體本身發(fā)光的顯示器，即使在較強(qiáng)的日光下也能正常顯示，而數(shù)碼管和液晶顯示器卻無法做到這一點(diǎn)。

　　(3)電源的選擇

　　FCO-461儀表采用24V輸入模塊化高性能開關(guān)電源，SMT工藝，小型金屬外殼，具有瞬態(tài)電壓抑制器過壓保護(hù)電路，抗干擾能力強(qiáng)。

　　(4)采用自動去皮技術(shù)

　　當(dāng)皮帶運(yùn)行一段時間，由于皮帶跑偏或皮帶上會附著一些細(xì)小物料以及其它一些原因會造成皮帶零點(diǎn)的漂移，F(xiàn)CO-461儀表通過分析判斷進(jìn)行自動去皮，以跟蹤實際皮重消除因皮帶零點(diǎn)波動帶來的誤差。

　　(5)采用多重濾波技術(shù)

　　輸入輸出接口采用光電隔離、阻容濾波、瞬態(tài)電壓抑制器過壓保護(hù)等多種硬件抗干擾技術(shù)，以及數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)校驗和看門狗復(fù)位等軟件抗干擾措施，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

　　(6)具有多種通訊功能

　　FCO-461儀表不僅具有標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA模擬量和開關(guān)量通訊功能，同時還設(shè)計了一個標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行口和一個標(biāo)準(zhǔn)的RS422/485串行口，通訊協(xié)議采用目前較流行的Modbus RTU 通訊協(xié)議，可很方便地與上位機(jī)和DCS系統(tǒng)進(jìn)行連接。

　　(7)具有Profibus現(xiàn)場總線通訊功能

　　隨著我國水泥工業(yè)的快速發(fā)展，水泥廠自動化技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在大型干法水泥生產(chǎn)線上也得到越來越廣范的應(yīng)用。儀表具有現(xiàn)場總線通訊功能為實現(xiàn)大型水泥干法生產(chǎn)線綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供可行的解決方案，為工業(yè)自動化第四代過程控制系統(tǒng)（DCS）過渡到第五代過程控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）提供有力的保障。目前，在國內(nèi)其他廠家的計量儀表中還不具有這一功能。

　　FCO-461儀表具有Profibus現(xiàn)場總線通訊功能，Profibus是Process FieldBus的縮寫，是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化，它最大傳輸速率為12Mbit/s。當(dāng)FCO-461儀表被DCS系統(tǒng)或FCS系統(tǒng)組態(tài)時，它向主站傳遞瞬時流量、設(shè)定流量、累計值、皮帶速度值、各種報警信號、啟動停止等大量數(shù)字信息。而它們僅僅通過一根電纜作為傳輸介質(zhì)，用戶投資成本大大降低。同時采用數(shù)字信號通信可避免模擬信號的衰減和變形，有效提高系統(tǒng)的測量和控制精度。

　　(8)采用雙CPU硬件結(jié)構(gòu)

　　考慮到高速通訊將占用大量的時間，系統(tǒng)的實時性將很難保證，因次儀表采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一只CPU專門用于總線通訊，一只CPU用于實時控制，從而有效地保證定量給料機(jī)的實時控制和測量精度。

　　4.  實際應(yīng)用

　　安徽皖維水泥有限公司日產(chǎn)6000噸水泥生產(chǎn)線是我院設(shè)計的一種新型干法帶六級旋風(fēng)預(yù)熱器的預(yù)分解窯生產(chǎn)線，在入窯生料控制系統(tǒng)和生料配比系統(tǒng)中采用了我們設(shè)計的重型皮帶秤代替入窯流量計作為計量控制設(shè)備。入窯生料粉皮帶秤皮帶寬度為2200mm，秤體長度為8000mm，是目前國產(chǎn)最寬最大的皮帶秤。它與流量閥、截止閥、稱重倉以及控制系統(tǒng)構(gòu)成入窯生料控制系統(tǒng)。由于生料粉具有極強(qiáng)流動性的物理特性，因此用皮帶秤進(jìn)行計量時容易沖料和溢料，為了防止沖料，我們在下料斗上采取措施以減緩物料流動性。在皮帶面上采取密封措施以防止溢料污染環(huán)境?？刂粕喜捎妙A(yù)置控制加前饋的自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)方式，它是雙回路的閉環(huán)系統(tǒng)。首先，根據(jù)設(shè)定流量預(yù)置閥門的輸出，實現(xiàn)初步預(yù)給料，再通過設(shè)定荷重與檢測荷重的差值來調(diào)節(jié)閥門，同時對閥門的調(diào)節(jié)加約束條件，保證皮帶秤上物料的負(fù)荷維持在設(shè)定的相對水平，從而實現(xiàn)穩(wěn)定喂料；通過設(shè)定流量與檢測流量的差值來調(diào)節(jié)皮帶秤，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確計量。皖維日產(chǎn)6000噸水泥生產(chǎn)線生料粉正常用量大約在420噸/小時左右，經(jīng)應(yīng)用系統(tǒng)非常穩(wěn)定，波動僅在5‰以內(nèi)，受到用戶一致好評。生料配料系統(tǒng)采用的重型皮帶秤皮帶寬度為1600mm，中心距為3000mm，用來計量石灰石，臺時產(chǎn)量為500噸。在使用一段時間后，用戶對其進(jìn)行了實物標(biāo)定，其結(jié)果如下：

2005年7月28日的實物標(biāo)定數(shù)據(jù) 

　　從標(biāo)定的數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，計量準(zhǔn)確、控制精度高。

　　結(jié)束語

　　通過皖維水泥廠的實際運(yùn)行情況，表明TDG-DEM重型皮帶秤已經(jīng)達(dá)到了國外先進(jìn)重型皮帶秤的水平，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，操作方便，完全能夠滿足2500t/d以上大型化干法水泥生產(chǎn)線的原料配料、水泥配料及入窯生料定量喂料的要求。