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以浙江水泥廠配料系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對原有核子秤系統(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)點和電子秤高精度、高可靠性的特點，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟硬件配置。通過實際應(yīng)用，證明該改造方案具有諸多優(yōu)點。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，電子皮帶秤開始應(yīng)用，然后迅速占領(lǐng)了整個市場，完全取代了機(jī)械皮帶秤。80年代末，國內(nèi)一些鋼廠、電廠開始引進(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量原理不同，核子秤和電子秤在不同的測量過程中各有優(yōu)勢。例如，由于核子秤的污染和精度問題，國外工業(yè)化國家的水泥廠和我國引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的水泥廠都沒有采用核子秤作為配料系統(tǒng)的進(jìn)料計量裝置[1]。以水泥配料系統(tǒng)為例，主要介紹了生料磨計量配料控制系統(tǒng)中核子秤改造為電子秤的總體方案和系統(tǒng)設(shè)計。
1.工藝流程
該配料系統(tǒng)為半干式生料磨計量配料控制系統(tǒng)，由四個生料磨組成，采用一個磨、三個秤、四個通道進(jìn)行計量配料控制。其中，1#和2#生料磨常用的物料為砂頁巖、石灰石、鐵粉；3#生料磨常用的原料有砂頁巖、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。原料磨由三個料倉進(jìn)料，即需要安裝三個皮帶秤。原料磨每小時總產(chǎn)量為0-60t/h[5][6]。
目前的系統(tǒng)是核子秤計量系統(tǒng)，計劃改為電子皮帶秤。核皮帶秤和電子皮帶秤都是測量帶式輸送機(jī)輸送物料的設(shè)備。從原理上看，兩種設(shè)備有一個共同點:為了得到被輸送物料的重量流量，既要檢測皮帶的物料負(fù)荷，也要檢測皮帶的速度信號，然后將兩個信號相乘得到瞬時流量，再通過積分或累加運(yùn)算得到一段時間內(nèi)被輸送物料重量的累計值；檢測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物料對輻射的吸收來確定載荷信號，而電子皮帶秤通過稱量設(shè)定長度內(nèi)物料的重量來確定載荷信號。
2、原系統(tǒng)缺陷分析
在精度方面，對于電子皮帶秤，流量越高，通?？梢赃_(dá)到的精度越高。對于核皮帶秤，由于放射源強(qiáng)度的限制，在大流量、高負(fù)荷的情況下，探測器通過物料接收到的射線強(qiáng)度太弱，無疑影響測量精度。
就安全而言，電子皮帶秤不存在安全問題。核皮帶秤配有核輻射源，通常使用銫(CS137)，其輻射強(qiáng)度一般點源為3.7×109貝克勒爾(100毫居里)，線源為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；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。訂購核輻射儀器前，應(yīng)向衛(wèi)生、防疫和公安部門提出申請，并征得同意。安裝后，應(yīng)經(jīng)衛(wèi)生、防疫、公安部門檢查，并出具使用證明后，方可使用；應(yīng)配備專用輻射劑量測量儀器，并指定專人負(fù)責(zé)維護(hù)。勞動者應(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
常規(guī)電子皮帶秤的測量系統(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)通過積分器或計算機(jī)的PID調(diào)節(jié)，使物料的實際流量達(dá)到設(shè)定的流量，從而達(dá)到自動配料的目的。
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)上是一個由單片機(jī)構(gòu)成的配料系統(tǒng)專用的配料控制器。上位控制是工控機(jī)。上位機(jī)提供人機(jī)界面、實時數(shù)據(jù)顯示、趨勢、報表等。并根據(jù)生產(chǎn)要求實現(xiàn)最佳配比。高位和低位通過直接交換模擬信號和數(shù)字信號以及數(shù)據(jù)通信來交換數(shù)據(jù)[2][4]。
該方案中，一個帶負(fù)載傳感器和變頻器的積分器只能控制一個測量標(biāo)尺，但單個積分器成本高，系統(tǒng)中有12個標(biāo)尺，所以積分器在整個系統(tǒng)中的成本太高。而且累加器一般都是專用設(shè)備，嚴(yán)重依賴設(shè)備廠家，不方便備貨。
根據(jù)積分器的控制功能和實際情況，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代替積分器有其獨特的優(yōu)勢，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)減輕上位控制計算機(jī)的負(fù)擔(dān)，一個PLC可以進(jìn)行多個PID運(yùn)算，而不是多個積分器；
價格優(yōu)越，備件方便。
在該系統(tǒng)中，速度信號是脈沖信號，因此脈沖計數(shù)模塊需要在PLC中配置。負(fù)載信號是弱電信號，需要放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。變頻器可以接收標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號或0~10V信號，由于電流信號抗干擾能力強(qiáng)，所以采用4~20mA作為控制信號。此外，秤體配有一些糾偏限位開關(guān)，可用于系統(tǒng)報警。
在可編程控制器和上位控制計算機(jī)之間傳遞。
4.系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計
1)系統(tǒng)硬件配置。
2)系統(tǒng)軟件配置。
上位監(jiān)控計算機(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)場采集速度信號、負(fù)荷信號和皮帶糾偏狀態(tài)信號；2)將負(fù)載信號和速度信號相結(jié)合，得到秤體上的瞬時流量；3)執(zhí)行PID運(yùn)算，得到變頻器的給定速度信號；④檢查相關(guān)信號狀態(tài)，符合報警條件時發(fā)出報警信號。
通信采用PROFIBUS或MPI，通信速度可達(dá)12M/S，足以滿足系統(tǒng)的實時性要求[3][7]。
5.控制效果對比分析
皮帶秤核子秤改為電子皮帶秤后，目前系統(tǒng)的測量精度為+0.5%，大大超過了廠家要求的1%的測量精度。由于電子皮帶秤的稱重原理是通過皮帶測量物料的重量，所以皮帶輸送機(jī)的條件，如皮帶張力、皮帶硬度、皮帶跑偏、滾筒錯位、滾筒偏心等，對稱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)，測量精度可以進(jìn)一步提高。然而，與原來的核子秤系統(tǒng)相比，測量精度有了很大提高。主要原因是核皮帶秤是根據(jù)射線吸收原理進(jìn)行測量的，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，對測量精度有影響。例如，稱重材料發(fā)生變化時，需要重新校準(zhǔn)。當(dāng)材料含水量變化10%時，可能會造成0.5%的誤差，以此類推。原系統(tǒng)雖然標(biāo)稱精度為+1%，但實際使用中達(dá)不到這個精度。電子皮帶秤的維護(hù)除了提高精度外，還有它的優(yōu)點，不需要專門的人來維護(hù)。
在電子皮帶秤的方案中，由于采用了PLC作為控制器，與原來的積分器相比，PLC的運(yùn)算速度更快，計算精度更高，結(jié)構(gòu)更靈活，功能更強(qiáng)大。它對提高系統(tǒng)的測量精度和降低系統(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，計量系統(tǒng)工作正常，達(dá)到甚至超過了廠家的技術(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)用需要不同的計量秤。核皮帶秤也有它的優(yōu)點，比如安裝簡單，維護(hù)方便。讀者在選擇型號時應(yīng)根據(jù)具體情況區(qū)別對待。

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