摘 要： 該論文介紹了西門子總線型給料機在水泥行業生料入窯定量控制方案的形成、控制原理、主要技術特點及應用等。

關 鍵 詞： 定量給料機 直承式 雙PID控制 PROFIBU-DP總線

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、項目簡介

在科學技術與經濟飛速發展的今天，制造業已成為我國國民經濟持續發展必不可少的組成部分。水

泥行業作為大規模生產的制造業，是建材行業的三大支柱產業之一。我國作為水泥生產大國，為了進一步提高市場競爭力，要求企業對團隊建設、科學與質量管理、專業技術等各個層次不斷探索與創新。

現代新型干法水泥生產工藝可以簡單概括為：二磨一燒。其主要工藝流程包括礦山開采，原料破碎，粘土燒干，生料粉磨，熟料煅燒，熟料冷卻，水泥粉磨及成品包裝等工序。具有設備單機容量大，生產性強，人員配備有限、對快速性與協調性要求較高的特點，為了提高企業生產效率與競爭力，質量管理與成本控制是關鍵，而保障產品質量與降低成本最重要的環節就是原料配方控制。

本文是以湖南湘維1200t/d水泥生產線為項目背景，共涉及原料配料、生料與粉煤入窯、水泥配料、混合材烘干等21臺定量給料機。作者結合用戶PCS7系統著重論述西門子總線型給料機在生料入窯定量控制系統中的應用，如圖一。

圖一 WF1200給料機與成套電控柜

二、技術方案的形成

2、 1 物料特性

入窯的生料是經原料配料后的混合料送入球磨機粉磨后再按比例摻入電石渣，此時，物料呈粉末流態狀，堆比重約1000kg/m3、含水量<=0.5%、溫度<=80℃、下料方式為氣力輸送。

2、 2 用戶工藝控制要求

如圖二,生料均化庫下料系統有A、B二路，設計為一開一備。正常生產時由A路控制，入窯

生料經均化庫底氣動開關閥與電動流量調節閥后至定量給料機，再通過皮帶輸送機至入窯提升機，送入大窯煅燒。當定量給料機故障或檢修停機時，為確保工藝的連續生產，系統將自動關閉A路氣動開關閥，同時打開B路氣動開關閥，此時，中控操作員會根據入窯提升機的提升電流通過中控PLC I/O接口手動調節電動流量調節閥的開度來控制入窯生料量。

再者，為確保大窯的工況穩定及熟料的煅燒質量，用戶要求計量與控制精度必須控制在0.5%~1.0%以內，且工作穩定可靠，重復性好。

2、3 西門子解決方案

西門子公司本著在水泥行業豐富的工程實踐經驗，經過稱重專家、銷售工程師與用戶工藝、電氣、系統等專業負責人的多次交流與溝通，就生料入窯計量控制系統的產品選用、設計、控制原理與控制方案等幾個方面提供如下一體化解決方案。

2.3.1產品的選用與設計

從目前行業應用情況來看，對于生料均化庫底部的生料定量控制大多采用固體流量計。但此方案存在如下缺陷：

1、 控制與計量精度低(3%~5%)，穩定性與重復性差;

2、 對安裝要求較高，垂直安裝距離空間要求較大;

3、 同質量水平的進口設備成本高;

4、 動態校驗與維護周期短;

5、 單回路控制，無雙PID控制功能，自動狀態下控制效果欠佳;

由此，西門子專家從物料特性與實際工藝出發，綜合考慮各種現場因素，專門為其量身定做WF1200全密封結構定量給料機。其整體設計充分考慮了用戶的入窯流量、物料密度與濕度、帶速、驅動能力、粉塵、撒料、計量與控制精度等問題，整套設備主要包括輸送機體、進出料溜槽、料斗容量檢測、防塵罩、計量秤架、驅動裝置、積分儀、變頻器等幾部分。其獨特的結構設計與技術特點確保了西門子定量給料機優良的工作性能。此外，從儀表數據處理以及與系統的通訊速率、抗干擾能力等方面考慮，增加設計了PROFIBUS-DP現場總線通訊。通過總線方式完成數據的采集、控制及狀態的遠程監控，這與用戶中控西門子PCS7系統達到完美結合，既可避免不同廠家設備的系統兼容性問題，更重要的是提高了整條生產線的自動化程度，有力的保證了過程生產的穩定性與可靠性。

2.3.2系統工作原理與控制方案

1、 西門子定量給料機將經過皮帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進行檢測，以確定皮帶上的物料重量;裝在尾部滾筒上的數字式測速傳感器，連續測量給料速度，該速度傳感器的脈沖輸出正比于皮帶速度;速度信號與重量信號一起送入給料機積分儀BW500，產生并顯示累計量/瞬時流量。積分儀將該反饋量與設定量進行比較運算后輸出信號控制變頻器調速，實現定量給料的要求。

2、雙PID控制方案

西門子定量給料機雙PID控制方案是區別于其它品牌或其它計量設備的主要特點之一。

如圖三，一方面以儀表的瞬時流量R為控制源， DCS通過PROFIBUS-DP總線通訊向BW500儀表寫入設定流量R1，并與儀表實時反饋的瞬時流量R2進行比較，然后再通過BW500的P、I、D運算后，輸出4~20mA信號給變頻器，從而控制定量給料機的電機運行頻率。

因給料機上游喂料系統并非拖料方式，為使喂料量與給料量達到平衡，確保最優控制效果，另一方面，則以進料斗下方的稱重傳感器L2所檢測到的物料容量S為控制源，L2傳感器將容重信號轉化為電壓mV信號，再通過電流轉換器，轉換成4~20mA的標準信號輸入給BW500，由BW500得出反饋的實時容重，再與儀表的容重設定值進行比較運算后，輸出4~20mA信號來控制電動流量調節閥的開度。

此外，鑒于入窯生料氣力輸送及粉末與流態化特性，定量給料機進料溜槽設計成S形結構，且內部加錯層濾網，以減緩下料落差沖擊，確保定向均勻下料，有效抑制風送及流化、計量及控制滯后等現象。

圖三 雙PID控制原理圖

3、根據用戶工藝A/B兩路一開一備的冗余控制要求，如何完成A路與B路的自動切換是方案關鍵。由此，當A路定量給料機故障或檢修時，其故障或檢修信號將與B路電氣控制形成聯鎖。

正常情況下A路工作時，對入窯生料的計量與控制可通過PROFIBUS-DP現場總線實現中控數據的讀寫(設定流量、瞬時流量、給料機皮帶速度、累積流量等)，并可通過總線方式對定量給料機積分儀BW500的五個可編程離散輸入繼電器狀態位的讀取來遠程完成現場設備的狀態監控。(包括超重、斷料、故障、跑偏、備妥、運行等)。此外，定量給料機的遠程啟停可通過電氣PLC的DO輸出接口來實現。

4、整套控制方案可在中控PCS7系統實現定量給料機的遠程自動與遠程手動控制模式。同時，方案具

備遠程冗余功能，即在中控遠程故障時，可通過斷開BW500積分儀與中控的遠程通訊設置，以及給料機機旁本地與遠程的硬件切換，采用儀表本地控制，實現本地自動或本地手動的工作方式。

三、主要技術特點

3.1、獨特的輸送機體結構，主體部分采用6mm鋼板及非焊接折鋼與特殊熱處理技術并進行恒溫烤漆，確保機體不銹蝕、不變形、無長期應力存在，提高了機械壽命與計量精度;懸臂式與模塊化輸送機結構，方便裝卸與更換皮帶;主動滾筒采用鋼面腰鼓形結構并襯板，有利于自動調心與自清潔，防止皮帶打滑;給料機設計有內外括板，與防跑偏等輔助裝置，有助于皮帶清潔及系統安全運行。

3.2、耐磨裙邊皮帶與全密封保護罩及出料收塵口設計。確保了皮帶的使用壽命，并解決現場揚塵問題。

3.3、秤架采用獨特的“三無”(無杠桿、無支點、無平衡重)結構設計，安裝簡單，維護方便。直承式模塊化結構，減少了負載死區，更快速響應。稱重傳感器采用西門子專利技術的三重梁平行四邊形原理，并具有寬范圍的溫度補償功能。有效的抑制了皮帶跑偏、托輥摩擦等非垂直力的干擾。

3.4、速度傳感器采用1024脈沖/轉高精度光電編碼器測速，計數準確，不受重復啟動及變頻高低速的影響，即使在有機械振動、自激振動和電氣噪音時也能保持穩定運行。

3.5、儀表控制器具有自動或遠程調零與量程校準、雙PID控制、角度與濕度補償、專利電子自動配平等功能，分辨率可達0.02%、支持MODBUS，PROFIBUS-DP等多種通訊，在線升級方便。

3.6、PROFIBUS-DP總線結構，簡化了現場，全數字化通信，進一步提高了控制精度與數據處理精度，抗干優能力強，集成化程度更高。

3.7、真正意義上的雙PID控制回路，使入窯生料流量控制更加穩定、準確，確保生產正常。

3.8、變頻器、電機與減速機等驅動產品均采用西門子、氟蘭德品牌，且驅動結構采用軸直聯方式，

簡化安裝，輸出力矩大，批量運行節能降耗效果顯著。

四、應用體會與技術分析

從項目實施與現場調試情況看，主要針對于計量與控制效果，個人總結有以下幾點體會：

1、傳感器初始安裝與托輥分布質量直接影響定量給料機的重復性與計量精度。在此應用案例中，單機標定效果非常好，重復性誤差可達到0.01%。

2、 雙PID回路中控制對象的反饋數據、P、I、D參數的整定、電動流量調節閥與氣動開關閥的性能、均化庫內工況與物料特性是否穩定、氣力輸送過程中氣壓是否恒定等因素對系統控制精度均有影響;從此應用情況看，目前控制精度基本在0.5%~1.0%，指標已經超過用戶的預期要求，見圖四。

3、對物料特性與生產工藝的了解，進料溜槽的結構設計是重點。

4、基于物料流態化與粉末特點，為了使皮帶上的物料被充分計量，必須確保物料在皮帶上的滯留時間大于0.4S，且稱重托輥距離頭輪至少二個托輥以上，避免大負荷時，料層太厚，因物料流化引起的定量給料機出料口傾斜塌方，造成不充分計量，從而使儀表計量數據少于實際數據的現象。

5、中控聯調時，對操作員的操作經驗要求，需要結合物料反饋容量、反饋速度、反饋流量等數據，遠程分析現場情況，達到準確有效的操作。

圖四 控制效果圖

五、結束語

西門子WF總線型定量給料機在該項目共使用21臺，也是西門子PROFIBUS-DP總線型給料機在國內市場的首次運用，湘維公司該水泥生產線自2009年3月正式投產至今，用戶反映效果非常不錯，配方準確、可靠、完全滿足水泥工藝要求。事實證明，在生料均化庫底生料入窯控制的現場應用中，西門子WF定量給料機的完美解決方案獲得了用戶的肯定。

參考文獻：

【1】沈威、黃文熙、閔盤榮 《水泥工藝學》 (武漢理工大學出版社)

【2】方原柏 《電子皮帶秤》 (冶金工業出版社)

【3】連續稱重 西門子產品樣本 2008與PROFIBUS-DP技術手冊

【4】SIMATIC S7-400系統手冊

【5】PID控制理論與控制原理