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1 水泥的生產工藝與配料 在水泥的生產工藝過程中，決定水泥質量的關鍵因素是水泥的生料、熟料的配比，由于生產水泥配料的方法的多樣性和組成的差異性的存在，人工方法無法快速、準確、實時的控制配料過程，因此采用人工配料方法生產的水泥質量難以得到保證。目前國內仍有許多中小型水泥廠采用人工配料或半自動化配料，嚴重影響了水泥的質量和產量，而一些現有的微機配料系統(tǒng)由于設備技術落后面臨更新?lián)Q代。因此開發(fā)適合中小水泥廠的新一代微機配料系統(tǒng)具有廣泛的市場需求，并將為水泥企業(yè)帶來較大的社會效益和經濟效益。
水泥微機配料系統(tǒng)要求能夠適應惡劣的現場環(huán)境，運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，計量準確，有數據加工處理能力。采用一系列新技術，新思想，例如采用現場總線技術和智能模塊構成新型微機配料系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和易維護性。新型微機配料系統(tǒng)應具有成本低廉，可靠性高，易于使用和維護等特性，從而容易為現場運行人員接受，便于廣泛推廣和應用。此外工廠自動化的發(fā)展方向是全廠的自動化控制與管理，新型微機配料系統(tǒng)組成的全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，HBM稱重傳感器可以解決自動化孤島的問題。
料斗秤水泥配料系統(tǒng)，具有靜態(tài)計量準確，結構簡單，造價低等優(yōu)點。本文以料斗秤為例，介紹了一種基于可編程智能模塊、工業(yè)控制計算機和RS485總線通訊方式的水泥微機配料系統(tǒng)。
2 微機配料系統(tǒng)總體設計
2.1，水泥廠配料系統(tǒng)設計指導思想
1)利用先進、有效的智能稱重控制技術開發(fā)研制出高品質、新一代的水泥智能配料系統(tǒng)，不斷提高我國水泥配料設備的檔次和生產管理水平，促進我國水泥產品質量和行業(yè)競爭能力的提高。
2)利用最新的工業(yè)計算機硬件技術、網絡通信技術以及智能控制技術，實現一種高性能、高可靠、低成本的自動化系統(tǒng)。
3)軟件系統(tǒng)的設計和硬件設備的選型充分考慮整個系統(tǒng)的開放性和可移植性，保證系統(tǒng)具有良好的規(guī)模伸縮性，以便于不同規(guī)模水泥窯進行配料系統(tǒng)的實施，逐步實現全廠的生產與管理綜合自動化。
2.2，系統(tǒng)體系結構
為了保證水泥微機配料系統(tǒng)的通用性、先進性，達到高性能價格比、系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的目標，采用以下結構設計：
1）采用通用型工業(yè)控制計算機和RS485現場總線來實現信號的采集、處理、控制和輸出。
2）模塊化、標準化設計，通用性強、維護方便、可擴展性強；
3）基于豐富的PC軟件，使料斗秤控制器應用軟件開發(fā)周期短；
4）可靠的接地并附加信號調理及隔離模塊保證信號的穩(wěn)定；
5）嚴格的測試程序保證系統(tǒng)的可靠性。
2.3，水泥廠配料系統(tǒng)功能
1）顯示臺時、配比、料給量、料重、信號和累計量，對班產量、日產量、月產量和年產量進行自動累計；
2）工況圖動態(tài)顯示，如電振機的振動，電機的開關門，出料。動作過程真實生動，且有文字提示；
3）數據編輯的功能：輸入臺時、配比、系數；
4）自動識別缺料、卡秤，故障自動報警并全線自動停機，屏幕指示故障內容；
5）計算機輔助標秤功能，操作方便準確可靠；
6）計算精度：0.5%；
7）微機控制1-8路；
8）方便的手動控制功能，可進行單路上料的控制；
9）信號檢測采用RS485總線傳輸，傳輸距離可達1.2公里；
10）微機配料稱與廠級監(jiān)控計算機通過以太網構成網絡。
3，配料系統(tǒng)的硬件設計料斗秤微機配料系統(tǒng)的組成如圖1所示。該系統(tǒng)由3級兩個層次組成。稱重傳感器和執(zhí)行器及信號變換模塊構成第 1級——檢測及驅動；工業(yè)控制計算機構成第2級——現場控制；管理計算機為第3級——車間管理、廠長管理。第1級和第2級組成了基礎自動化層，第3級為管理自動化層。監(jiān)控計算機與管理計算機構成一個局域網，管理人員可以隨時在網上查看現場生產信息。
3.1，稱重傳感器信號變換
A/D變換采用IOM4017模塊，D/O變換采用IOM4050模塊，其中電磁振動給料機由一塊IOM4050控制，開門電機由一塊IOM4050控制。IOM4017和IOM4050模塊是自主開發(fā)的A/D和D/O轉換模塊，具有抗干擾能力強，可靠性高，傳輸距離遠等特點。它只需二根導線通過RS485網絡即可與控制主機相互通訊。使用多個模塊可以方便的構成RS485分布式的控制系統(tǒng)。每個網絡最多可串接255個模塊，該網絡通過RS232/RS485轉換即可連到控制計算機。
3.2，水泥配料系統(tǒng)RS485總線
RS485是一種半雙工傳輸的通訊總線，只有兩條信號線，一條為信號線正，一條為信號線負，分別標為A和B，或DATA+、DATA-。RS485采用差分傳輸，最大傳輸距離為1.2Km米。模塊連接時總線的信號正與各個模塊的DATA+相接，總線的信號負與模塊的DATA-相接。
4，軟件設計
VisualC++是為開發(fā)Windows應用程序而創(chuàng)建的一種循序漸進的編程工具。它的高性能及高度集成的開發(fā)環(huán)境，可使用戶方便地創(chuàng)建和調試Windows應用程序。與VisualBasic相比，VisualC++具有高效、高可靠的特點，是編寫微機監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)選軟件之一。本系統(tǒng)采用VisualC++編寫。微機配料系統(tǒng)采用單文檔界面，使用靜態(tài)鏈接庫，形成一個可執(zhí)行文件。
水泥微機配料控制系統(tǒng)以PC總線式工業(yè)控制計算機(IPC)為主機（上位機），配以自行開發(fā)設計的各種接口裝置（FTC-01智能流量控制器、AMP-03信號放大器等）構成集散型式配料控制系統(tǒng)（DCS）。由于采用集散型結構，上位機只完成對配料系統(tǒng)的數據管理和對下位機（智能流量控制器）的協(xié)調調度等工作，即集中管理。下位機（智能流量控制器）則具體完成對每臺秤的控制操作，即流量控制，使其按照工藝人員設定的配方（流量），準確、穩(wěn)定地下料，每個控制器只對一臺秤進行控制，即分散控制。采用這種集中管理、分散控制的系統(tǒng)，可以極大限度的減少備件儲備量、降低維護費用、縮短故障停機時間、減輕設備維護人員的工作強度，提高工作效率。整個系統(tǒng)在軟、硬件設計上充分考慮了水泥生產工藝及操作、維護人員的知識結構等特點，使系統(tǒng)的安裝、調試和操作更方便，維護更簡單。同時也考慮了使用單位今后發(fā)展的需要。水泥微機配料控制系統(tǒng)留有充分的軟、硬件接口，以便與網絡和其它可選設備相連構成綜合性的控制系統(tǒng)。
水泥自動配料系統(tǒng)，水泥生料成分的穩(wěn)定性直接影響水泥的安定性和強度。統(tǒng)計結果表明，無論怎樣調整配方，一個廠的熟料強度和f-CaO含量，根本上與該廠生料成分的合格率成正比：生料成分合格率越高，則熟料強度越高、f-CaO越低；相反，如果生料合格率很低，要生產優(yōu)質水泥熟料是不可能的。
大型水泥廠生料成分用率值來反映，因為他們有能力購買價格昂貴的X射線熒光分析儀快速測定生料所有主要化學成分；而中小型水泥廠只能通過控制CaO和Fe2O3來控制生料成分。但這并不表明中小型水泥廠不懂得率值配料的重要性，相反，他們一直在研究如何通過控制CaO和Fe2O3來巧妙地控制生料的成分。
率值配料不是一個新概念。早在1987年河南硅酸鹽學會的劉篤新工程師在《河南建材》上發(fā)表的《關于水泥生料配料公式研究》中就提出了率值配料的概念，1991年還出版專著《水泥生料配料的率值公式法》，詳細探討了生料反饋回調的各種方法，證明在原材料成分波動時單控制生料CaO、Fe2O3不能穩(wěn)定生料三率值，進一步明確了率值配料的概念。他沒有止步于揭示鈣鐵控制的缺陷，而是進一步研究了6種回調方法，提出了鈣鐵控制下保證率值合格的最佳回調方法，最大限度地避免了鈣鐵控制的缺陷。水泥廠目前普遍采用的回調方法實際上就是劉篤新工程師倡導的方法。 此后，率值配料的理論并沒有新的突破。目前率值配料的基本假定是：要實現率值配料必須要測定出生料硅、鐵、鋁、鈣4種化學成分。
率值配料設備的研制都基于這一基本思想。 率值配料設備的研制可追溯到上世紀70年代，當時遼寧自動化研究所在琉璃河水泥廠干法生產線上開展“生料配料自動控制系統(tǒng)”研究項目，該項目于1978年榮獲全國科學大會獎；1981～1985年間合肥水泥研究院為日產2000噸熟料干法生產線配備了生料質量計算機控制系統(tǒng)；1986～1990年間，合肥水泥研究院研究了QCS生料質量自動控制系統(tǒng)，專門為中小型水泥廠服務，并在江西、廣東分別通過省級鑒定，在全國幾十家中小水泥廠推廣應用；期間，天津水泥設計研究院也開展了該系統(tǒng)的研制工作，應用于老廠改造和新廠建設中。據報道，1987年1月中國建材研究院水泥所研制成功RCS－861生料成分自動控制系統(tǒng)，在首都水泥廠應用，使生料成分合格率提高了47%。近年來也有不少單位研制率值配料系統(tǒng)。其中武漢工業(yè)大學林宗壽教授1999年12月主持開發(fā)的生料率值控制系統(tǒng)知名度最高，在水泥廠廣為推廣應用。不太知名的還有四川大學某公司、深圳開特自動化有限公司、杭州某廠、新疆建材研究所、福建康利有限公司、遼寧某廠。 前述率值配料系統(tǒng)主要面向立窯水泥廠，為什么沒有面向新型干法水泥廠呢？因為新型干法水泥廠在建廠設計之初就配備有率值配料控制系統(tǒng)，包括100多萬元的X射線熒光分析儀、原料預均化堆場，以及生料空氣攪拌均化庫等，率值配料系統(tǒng)運轉良好，托利多稱重傳感器也就沒有引起大家注意。
二、水泥自動配料系統(tǒng)當前率值配料系統(tǒng)的問題
自從3年前武漢工業(yè)大學林宗壽教授在全國三十多個省、市、自治區(qū)巡回演講以來，立窯水泥廠開始對率值配料的重要性有所了解，率值配料系統(tǒng)受到前所未有的重視，林教授提出的率值配料系統(tǒng)也在全國得到廣泛應用。另外，前述其他一些單位研發(fā)的率值配料系統(tǒng)也在不少水泥廠得到應用。雖然所有率值配料系統(tǒng)都能在一段時間里運行良好，但從實際效果看，還沒有一家單位能保證所有率值配料系統(tǒng)都能運行良好，應用失敗的廠家數量也很大，裝好又拆掉的廠家不在少數，這表明率值控制系統(tǒng)還不成熟，需要改進的地方還很多。
水泥配料系統(tǒng)考察一下應用率值控制系統(tǒng)的廠家，可發(fā)現率值系統(tǒng)的聯(lián)網傳送數據功能發(fā)揮得較好，能代替人工電話指揮生產，能進行配料方案計算，比過去人工計算方便得多，這些令水泥廠感到新鮮，但在計算機技術普及的今天，這些功能只不過是計算機技術在水泥廠的簡單應用，并沒有真正創(chuàng)新的東西，其基本理論仍然停留在劉篤新階段。特別是有大量水泥企業(yè)安裝該系統(tǒng)后發(fā)現越調越亂，不能正常應用。對于出現的問題，研制廠家認為責任在于水泥廠管理不善；而水泥廠自認為管理狀況正常，是設備難以在短時間內大幅度升級。
正是由于眾多廠家安裝率值控制系統(tǒng)后效果不明顯或使用不正常，使得率值配料系統(tǒng)喊得響，真正使用的并不多，這與我們首創(chuàng)的“立窯生料熱量測定技術”的推廣應用情況形成反差，后者在短短的幾年里憑借其完善的設計、顯著的效果和廣泛的適應性而很快得到普及。 率值配料系統(tǒng)的癥結究竟在哪里？我們認為不應責怪使用廠家，中小型水泥廠的設備及管理現狀難以在短時間內發(fā)生根本的改變，這是中國的國情；相反，研究單位必須走出象牙塔，認真研究水泥廠出現的問題并找到解決辦法，讓技術來適應水泥廠的現狀。
1. 準確監(jiān)控磨機工況是保證率值配料系統(tǒng)成功使用的基礎 率值控制系統(tǒng)根據出磨生料成分來反饋調節(jié)原料配比，對于零點漂移、修改控制指標這樣的低難度問題當然能順利解決，但碰到磨機工況不穩(wěn)定、原材料波動大等情況，如果系統(tǒng)設計不完善，胡亂判斷，后果就只能是越調越亂。因為配料回調的前提是出磨生料成分是入磨各原料配比的正確反映，在磨機正常工作時，配料回調工作正常；當磨機發(fā)生飽磨或空磨時，出磨生料不再反映入磨各原料的配比，這時如果仍按原來方法調節(jié)，必然越調越亂。目前在成功應用率值配料系統(tǒng)廠家，化驗室主任都瞪大眼睛日夜觀察磨機工況，一旦發(fā)現磨機工況不正常就不回調，搞得比應用率值系統(tǒng)前還累。所以，只有實現磨機工況準確監(jiān)控，才能保證率值配料系統(tǒng)成功使用。
2.二氧化硅、三氧化二鋁測定難、速度慢是制約當前率值配料系統(tǒng)效果的主要原因 配料回調的關鍵在于速度要快，滯后1小時幾十噸不合格生料就過去了，而且如果原料成分波動大，2小時的回調周期就失去了意義。 一般認為，二氧化硅對率值影響最大，必須測定，而現有的測定方法有X射線熒光法和化學法。
水泥配料系統(tǒng)從實際效果看，小型X射線熒光儀對硅這樣的輕元素測定結果的精密度和穩(wěn)定性隨原料變化而變化，達不到滿意效果；而大型X射線熒光分析儀價格在100萬元左右，令立窯水泥廠望機興嘆。
另一方面，經典化學分析法操作復雜、耗時，難以適應水泥生產控制的需要；即使中國建材研究院劉玉兵等人于1990年首創(chuàng)的二氧化硅快速測定法，也需要近30分鐘左右才能完成一個樣品的測定，加上取樣、熔樣、計算，還要花費一定的時間，要實現快速回調是不可能的。實際上水泥廠生產線較多，而控制組人員多，素質也參差不齊，工人普遍感到工作量大，結果穩(wěn)定性差。
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