称重传感器

摘 要： 该论文介绍了西门子总线型给料机在水泥行业生料入窑定量控制方案的形成、控制原理、主要技术特点及应用等。

关 键 词： 定量给料机 直承式 双PID控制 PROFIBU-DP总线

Abstract：This paper introduces that formation of control scheme about SIEMENS weighing Feeder

products in cement industry for raw material into the kiln, control principle, technical characteristics and

the applications.

KeyWords：Weighing-Feeder Direct-Loading Double-PID control PROFIBUS-DP

一、项目简介

在科学技术与经济飞速发展的今天，制造业已成为我国国民经济持续发展必不可少的组成部分。水

泥行业作为大规模生产的制造业，是建材行业的三大支柱产业之一。我国作为水泥生产大国，为了进一步提高市场竞争力，要求企业对团队建设、科学与质量管理、专业技术等各个层次不断探索与创新。

现代新型干法水泥生产工艺可以简单概括为：二磨一烧。其主要工艺流程包括矿山开采，原料破碎，粘土烧干，生料粉磨，熟料煅烧，熟料冷却，水泥粉磨及成品包装等工序。具有设备单机容量大，生产性强，人员配备有限、对快速性与协调性要求较高的特点，为了提高企业生产效率与竞争力，质量管理与成本控制是关键，而保障产品质量与降低成本最重要的环节就是原料配方控制。

本文是以湖南湘维1200t/d水泥生产线为项目背景，共涉及原料配料、生料与粉煤入窑、水泥配料、混合材烘干等21台定量给料机。作者结合用户PCS7系统着重论述西门子总线型给料机在生料入窑定量控制系统中的应用，如图一。

图一 WF1200给料机与成套电控柜

二、技术方案的形成

2、 1 物料特性

入窑的生料是经原料配料后的混合料送入球磨机粉磨后再按比例掺入电石渣，此时，物料呈粉末流态状，堆比重约1000kg/m3、含水量<=0.5%、温度<=80℃、下料方式为气力输送。

2、 2 用户工艺控制要求

如图二,生料均化库下料系统有A、B二路，设计为一开一备。正常生产时由A路控制，入窑

生料经均化库底气动开关阀与电动流量调节阀后至定量给料机，再通过皮带输送机至入窑提升机，送入大窑煅烧。当定量给料机故障或检修停机时，为确保工艺的连续生产，系统将自动关闭A路气动开关阀，同时打开B路气动开关阀，此时，中控操作员会根据入窑提升机的提升电流通过中控PLC I/O接口手动调节电动流量调节阀的开度来控制入窑生料量。

再者，为确保大窑的工况稳定及熟料的煅烧质量，用户要求计量与控制精度必须控制在0.5%~1.0%以内，且工作稳定可靠，重复性好。

2、3 西门子解决方案

西门子公司本着在水泥行业丰富的工程实践经验，经过称重专家、销售工程师与用户工艺、电气、系统等专业负责人的多次交流与沟通，就生料入窑计量控制系统的产品选用、设计、控制原理与控制方案等几个方面提供如下一体化解决方案。

2.3.1产品的选用与设计

从目前行业应用情况来看，对于生料均化库底部的生料定量控制大多采用固体流量计。但此方案存在如下缺陷：

1、 控制与计量精度低(3%~5%)，稳定性与重复性差;

2、 对安装要求较高，垂直安装距离空间要求较大;

3、 同质量水平的进口设备成本高;

4、 动态校验与维护周期短;

5、 单回路控制，无双PID控制功能，自动状态下控制效果欠佳;

由此，西门子专家从物料特性与实际工艺出发，综合考虑各种现场因素，专门为其量身定做WF1200全密封结构定量给料机。其整体设计充分考虑了用户的入窑流量、物料密度与湿度、带速、驱动能力、粉尘、撒料、计量与控制精度等问题，整套设备主要包括输送机体、进出料溜槽、料斗容量检测、防尘罩、计量秤架、驱动装置、积分仪、变频器等几部分。其独特的结构设计与技术特点确保了西门子定量给料机优良的工作性能。此外，从仪表数据处理以及与系统的通讯速率、抗干扰能力等方面考虑，增加设计了PROFIBUS-DP现场总线通讯。通过总线方式完成数据的采集、控制及状态的远程监控，这与用户中控西门子PCS7系统达到完美结合，既可避免不同厂家设备的系统兼容性问题，更重要的是提高了整条生产线的自动化程度，有力的保证了过程生产的稳定性与可靠性。

2.3.2系统工作原理与控制方案

1、 西门子定量给料机将经过皮带上的物料，通过称重秤架下的称重传感器进行检测，以确定皮带上的物料重量;装在尾部滚筒上的数字式测速传感器，连续测量给料速度，该速度传感器的脉冲输出正比于皮带速度;速度信号与重量信号一起送入给料机积分仪BW500，产生并显示累计量/瞬时流量。积分仪将该反馈量与设定量进行比较运算后输出信号控制变频器调速，实现定量给料的要求。

2、双PID控制方案

西门子定量给料机双PID控制方案是区别于其它品牌或其它计量设备的主要特点之一。

如图三，一方面以仪表的瞬时流量R为控制源， DCS通过PROFIBUS-DP总线通讯向BW500仪表写入设定流量R1，并与仪表实时反馈的瞬时流量R2进行比较，然后再通过BW500的P、I、D运算后，输出4~20mA信号给变频器，从而控制定量给料机的电机运行频率。

因给料机上游喂料系统并非拖料方式，为使喂料量与给料量达到平衡，确保最优控制效果，另一方面，则以进料斗下方的称重传感器L2所检测到的物料容量S为控制源，L2传感器将容重信号转化为电压mV信号，再通过电流转换器，转换成4~20mA的标准信号输入给BW500，由BW500得出反馈的实时容重，再与仪表的容重设定值进行比较运算后，输出4~20mA信号来控制电动流量调节阀的开度。

此外，鉴于入窑生料气力输送及粉末与流态化特性，定量给料机进料溜槽设计成S形结构，且内部加错层滤网，以减缓下料落差冲击，确保定向均匀下料，有效抑制风送及流化、计量及控制滞后等现象。

图三 双PID控制原理图

3、根据用户工艺A/B两路一开一备的冗余控制要求，如何完成A路与B路的自动切换是方案关键。由此，当A路定量给料机故障或检修时，其故障或检修信号将与B路电气控制形成联锁。

正常情况下A路工作时，对入窑生料的计量与控制可通过PROFIBUS-DP现场总线实现中控数据的读写(设定流量、瞬时流量、给料机皮带速度、累积流量等)，并可通过总线方式对定量给料机积分仪BW500的五个可编程离散输入继电器状态位的读取来远程完成现场设备的状态监控。(包括超重、断料、故障、跑偏、备妥、运行等)。此外，定量给料机的远程启停可通过电气PLC的DO输出接口来实现。

4、整套控制方案可在中控PCS7系统实现定量给料机的远程自动与远程手动控制模式。同时，方案具

备远程冗余功能，即在中控远程故障时，可通过断开BW500积分仪与中控的远程通讯设置，以及给料机机旁本地与远程的硬件切换，采用仪表本地控制，实现本地自动或本地手动的工作方式。

三、主要技术特点

3.1、独特的输送机体结构，主体部分采用6mm钢板及非焊接折钢与特殊热处理技术并进行恒温烤漆，确保机体不锈蚀、不变形、无长期应力存在，提高了机械寿命与计量精度;悬臂式与模块化输送机结构，方便装卸与更换皮带;主动滚筒采用钢面腰鼓形结构并衬板，有利于自动调心与自清洁，防止皮带打滑;给料机设计有内外括板，与防跑偏等辅助装置，有助于皮带清洁及系统安全运行。

3.2、耐磨裙边皮带与全密封保护罩及出料收尘口设计。确保了皮带的使用寿命，并解决现场扬尘问题。

3.3、秤架采用独特的“三无”(无杠杆、无支点、无平衡重)结构设计，安装简单，维护方便。直承式模块化结构，减少了负载死区，更快速响应。称重传感器采用西门子专利技术的三重梁平行四边形原理，并具有宽范围的温度补偿功能。有效的抑制了皮带跑偏、托辊摩擦等非垂直力的干扰。

3.4、速度传感器采用1024脉冲/转高精度光电编码器测速，计数准确，不受重复启动及变频高低速的影响，即使在有机械振动、自激振动和电气噪音时也能保持稳定运行。

3.5、仪表控制器具有自动或远程调零与量程校准、双PID控制、角度与湿度补偿、专利电子自动配平等功能，分辨率可达0.02%、支持MODBUS，PROFIBUS-DP等多种通讯，在线升级方便。

3.6、PROFIBUS-DP总线结构，简化了现场，全数字化通信，进一步提高了控制精度与数据处理精度，抗干优能力强，集成化程度更高。

3.7、真正意义上的双PID控制回路，使入窑生料流量控制更加稳定、准确，确保生产正常。

3.8、变频器、电机与减速机等驱动产品均采用西门子、氟兰德品牌，且驱动结构采用轴直联方式，

简化安装，输出力矩大，批量运行节能降耗效果显著。

四、应用体会与技术分析

从项目实施与现场调试情况看，主要针对于计量与控制效果，个人总结有以下几点体会：

1、传感器初始安装与托辊分布质量直接影响定量给料机的重复性与计量精度。在此应用案例中，单机标定效果非常好，重复性误差可达到0.01%。

2、 双PID回路中控制对象的反馈数据、P、I、D参数的整定、电动流量调节阀与气动开关阀的性能、均化库内工况与物料特性是否稳定、气力输送过程中气压是否恒定等因素对系统控制精度均有影响;从此应用情况看，目前控制精度基本在0.5%~1.0%，指标已经超过用户的预期要求，见图四。

3、对物料特性与生产工艺的了解，进料溜槽的结构设计是重点。

4、基于物料流态化与粉末特点，为了使皮带上的物料被充分计量，必须确保物料在皮带上的滞留时间大于0.4S，且称重托辊距离头轮至少二个托辊以上，避免大负荷时，料层太厚，因物料流化引起的定量给料机出料口倾斜塌方，造成不充分计量，从而使仪表计量数据少于实际数据的现象。

5、中控联调时，对操作员的操作经验要求，需要结合物料反馈容量、反馈速度、反馈流量等数据，远程分析现场情况，达到准确有效的操作。

图四 控制效果图

五、结束语

西门子WF总线型定量给料机在该项目共使用21台，也是西门子PROFIBUS-DP总线型给料机在国内市场的首次运用，湘维公司该水泥生产线自2009年3月正式投产至今，用户反映效果非常不错，配方准确、可靠、完全满足水泥工艺要求。事实证明，在生料均化库底生料入窑控制的现场应用中，西门子WF定量给料机的完美解决方案获得了用户的肯定。

参考文献：

【1】沈威、黄文熙、闵盘荣 《水泥工艺学》 (武汉理工大学出版社)

【2】方原柏 《电子皮带秤》 (冶金工业出版社)

【3】连续称重 西门子产品样本 2008与PROFIBUS-DP技术手册

【4】SIMATIC S7-400系统手册

【5】PID控制理论与控制原理