水泥固化自動計量控制系統的設計應用

戴 鈞 劉辰龍 白 澤 周春燕 李 紅 嚴佳兵 朱 鑫 楊靜潔

（中國核動力研究設計院第一研究所）

水泥固化系統配/下料時， 物料的理化特性、管道殘留和送料速度都會影響水泥的初凝時間，進而影響固化體的抗壓強度、抗沖擊性等。 為此，設計適用于水泥固化系統的自動計量控制系統具有重要意義。

1 水泥固化工藝物料計量流程

水泥固化工藝物料計量流程如圖1所示，主要設備包括水泥倉、計量倉、一級螺旋輸送器、二級螺旋輸送器及攪拌器等。

圖1 水泥固化工藝物料計量流程

散裝水泥由氣卸式水泥汽車從水泥廠運送至廠房，然后接通水泥汽車與水泥倉之間的輸送管線，依靠空壓機供氣將水泥從水泥汽車送入水泥倉儲存，之后經由一級螺旋輸送器將水泥送入計量倉，最后再經由二級螺旋輸送器將水泥送入固化桶。

2 水泥固化自動計量控制系統

水泥物料的自動計量控制在水泥固化系統的運行中起著關鍵性的作用，其計量精度直接影響固化體的性能和水泥初凝時間。 考慮到水泥本身在密度、 粘滯性等理化特性方面存在較大差異，還會因為季節和環境條件不同、空氣干濕度不同，給稱重上料帶來諸多困難。 為此，筆者從硬件和軟件兩方面對自動計量控制系統進行設計，以實現對水泥物料的精確計量。

筆者設計的水泥固化自動計量控制系統由水泥推進控制系統和攪拌固化控制系統組成。

2.1 水泥推進控制系統

水泥推進控制系統的作用是將水泥從水泥倉推進計量倉，其功能之一是在水泥倉內實現水泥的儲存，二是實現水泥倉到計量倉的輸送。

2.1.1 關鍵硬件配置

水泥推進控制系統的關鍵硬件包括水泥倉、破拱氣碟、過濾器、螺旋輸送器及旋阻料位開關等。

破拱氣碟的作用是避免水泥在下料時形成搭橋，因此在水泥倉內設置破拱氣碟。

螺旋輸送器是利用旋轉螺旋將水泥物料沿固定機殼推移進行輸送，為了實現水泥計量的準確性，螺旋輸送器選用變頻調速電機。

水泥倉上部設有旋阻料位開關，它是利用微型馬達驅動并通過離合器和傳動軸相連，未接觸物料時馬達停止轉動并自行切斷馬達電源，同時檢測裝置的防抖動控制器輸出一個節點信號控制物料輸出，用以保證即使在水泥流動時也不會發生錯誤。

2.1.2 軟件實現

為了達到生產工藝要求的計量精度，筆者所在項目組設計了水泥物料三段進料法，初始進料采用高速進料，中期采用低速進料，后期采用點動進料。 具體實現過程：為了防止螺旋輸送器中有殘留， 先讓水泥推進電機高速運行10 s后打開水泥倉刀閥，同時水泥倉破拱氣碟開啟5 s、間隔3 s，水泥倉振動電機運行4 s、間隔1 s，循環往復。當計量倉的物料質量達到100 kg時改為低速進料， 同時破拱氣碟和振動電機循環往復工作；當計量倉的物料質量達到170 kg時改為點動下料；當計量倉的物料質量達到230 kg（倉壁有殘留，計量余量10 kg）時水泥倉推進電機停止工作。

2.2 攪拌固化控制系統

攪拌固化控制系統的作用是將計量倉的水泥推進到固化桶內進行攪拌。

2.2.1 關鍵硬件配置

攪拌固化控制系統的關鍵硬件包括計量倉、自轉公轉電機、螺旋輸送器、稱重裝置及破拱氣碟等。

系統的稱重傳感器和稱重終端均采用常州梅特勒-托利多公司的產品。 稱重傳感器可以實現稱重加料倉中的質量檢測和稱重數據傳輸。 稱重模塊具有傾覆、 過載和周向水平限位保護功能，靈敏度2‰，可相互進行故障檢測。

為了避免水泥堵塞， 設備間采用軟連接方式。

為了防止水泥發生板結，在排風口和下料口都設有加熱帶。 啟動水泥固化系統的自動計量控制系統后，排風口加熱帶開始加熱，當排風口溫度大于50 ℃時，排風口加熱帶停止加熱。 下料系統啟動后，下料口加熱帶開始加熱，當下料口溫度高于80 ℃時，下料口加熱帶停止加熱。

2.2.2 軟件實現

2.2.2.1 隨機誤差自動補償法

由于物料在測量過程中是運動的，如果只是由壓力傳感器測量， 結果必然存在較大誤差，所以在自動計量控制系統的設計過程中考慮對水泥在運動過程中產生的誤差進行補償。 為了使總稱質量誤差達到最小，在后續稱重時將對當前稱重誤差進行補償。 在加料過程中，對于已經調節好的給料系統，隨機誤差可用如下一階預測方程表示：

其中，e（k）為第k次稱重時的隨機誤差；s為給料設定值；w（k）為第k次給料實測質量；Y（k+1）為第k+1次誤差補償值；δ1為誤差上限；δ2為誤差下限；α取不同的值是為了克服特殊情況下出現的超補償現象。

隨機誤差自動補償方法應用在攪拌固化過程中，根據本次下料產生的誤差，在下次下料時進行補償，最終實現下料流程結束時水泥物料質量的準確計量。

2.2.2.2 攪拌固化控制系統的軟件流程

攪拌固化是將計量倉的水泥推進到固化桶內進行攪拌， 觸發攪拌固化控制系統的啟動按鈕，將按照圖2所示的程序流程自動執行。

圖2 攪拌固化控制系統的軟件流程

觸發啟動按鈕后攪拌槳開始下降，當下降至中限位時，攪拌槳以20 Hz的頻率開始自轉；當下降到下限位后，攪拌槳開始以設定速度自轉并公轉，排風機開始運行，當攪拌時間到且攪拌槳公轉反轉到位后， 攪拌槳開始進行第1次攪拌 （下料），攪拌槳以設定速度自轉，計量倉推進電機開始運行，運行5 s后計量倉刀閥打開，當達到第1次水泥下料質量的設定值時計量倉刀閥關閉，但計量倉螺旋輸送器繼續運行5 s后停止。 攪拌槳開始以設定速度自轉并公轉，同時吹掃下料口、開啟振動電機和排風機，運行5 s后關閉。 當攪拌時間到且攪拌槳公轉反轉到位后，攪拌槳開始進行第2次攪拌（下料），攪拌槳以設定速度自轉，計量倉推進電機開始運行， 運行5 s后計量倉刀閥打開，當達到第1次水泥下料質量的設定值時計量倉刀閥關閉， 但計量倉螺旋輸送器繼續運行5 s后停止。

按照該加料方式完成9次加料。 在這9次加料期間，計量倉破拱氣碟運行8 s停止2 s，循環進行。 加料完成后，攪拌槳以設定速度自轉并公轉， 當攪拌時間到且攪拌槳公轉反轉到位后，排風機停止運行，攪拌槳以10 Hz的頻率進行自轉并提升，當提升到中限位時，攪拌槳停止自轉并開始振動，振動時間到后攪拌槳繼續提升到高限位。

3 監控界面的設計

水泥固化系統的自動計量控制系統采用西門子PLC-300和WinCC進行編程， 實現了畫面監控（圖3）、功能操作、故障記錄、參數修改及手動/自動切換等功能，能夠實時采集、顯示系統的運行參數，并根據參數狀態進行綜合控制管理。 同時設有信號顯示和故障報警功能，操作人員可以根據需要設置下料次數和下料量， 可操作性高，提高了現場工作人員對生產線的監控能力。

圖3 水泥固化自動計量系統監控界面

4 試驗與結果分析

水泥固化系統的自動計量控制系統在中國核動力研究設計院第一研究所的新三廢處理項目水泥固化系統中進行測試應用，其中水泥物料的測試計量結果如圖4所示。 可以看出，水泥固化系統的自動計量控制系統的計量精度較高，計量精度為±1%，能夠滿足水泥固化系統要求的水泥配比計量精度要求，與一定量的樹脂配比攪拌后最終形成了固化體，滿足了新三廢處理項目對固化體抗壓強度、抗沖擊性等性能的要求。

圖4 水泥自動計量控制測試數據

5 結束語

水泥固化系統的自動計量控制系統以PLC為核心控制手段，通過硬件配置和軟件的方式實現了水泥物料的精確計量。 實際運行表明，該系統可以實現水泥物料的自動輸送與精確計量，滿足了水泥固化生產的計量精度要求，保證了固化體的抗壓強度、抗沖擊性等性能。