（测试计量技术及仪器专业论文）玻璃配料控制系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着控制理论、通信技术以及电子技术的发展，传统的配料控制系统 也逐渐面临信息化、自动化的变革。本文结合临沂景耀玻璃有限公司4 0 0 t d 玻璃配料项目，就实现配料控制系统的自动化关键技术进行了深入的 分析研究。 首先，本文分析了玻璃配料的工艺流程和现有的配料控制系统的一些 特点，并针对称重系统精度要求的实际，对称重传感器及称重终端进行了 设计和选型。 其次，由于传统的p l c 系统使用i o 设备与p l c 的i o 模块连接，p l c 通 过模拟量4 - - 2 0m a 或开关量( 如2 4vd c ) 控制和监测现场设备，因此传输 信号容易受到现场环境的干扰。本文针对模拟信号传输的弊端，引入现场 总线控制系统，并运用p r o f i b u s d p 现场总线协议构建了一个分布式的 p l c 控制系统，实现了传输信号的数字化，其全分布、全数字、全开放的 特性解决了集散型控制系统中存在的不足。 再次，随着工业的不断发展，过程对象越来越复杂，非线性、大滞后、 数学模型难以建立，单纯的p i d 控制很难满足控制要求。而先进控制策略 对于解决这类系统的控制问题，显示出强大的优势。因此把先进控制嵌入 至r j p l c 中是当前一个研究热点。本文在分析模糊控制在配料控制系统中应 用可行性的基础上，结合p l c 的特点给出了基于p l c 的模糊控制的实现方 法，并详细的阐述了p l c 模糊控制器的设计步骤。实际运行结果验证了p l c 模糊控制器的可靠性和有效性。 最后，本文分析了配料系统的误差，并完成了配料控制系统的软件设 计，其中包括p l c 控制系统的组态、程序设计以及系统监控程序设计。 关键词配料；现场总线；模糊控制；p r o f i b u s p l c 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lb a t c h i n gc o n t r o ls y s t e ma l s oh a st of a c e t h er e v o l u t i o no fi n f o r m a t i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s o m ek e yt e c h n i q u e so f a u t o m a t i cc o n t r o lf o rg l a s sb a t c h i n gc o n t r o ls y m e ma r es t u d i e di nt h i sp a p e r a n dh a v eb e e nu s e di nt h ep r o j e c to ft h e4 0 0t dg l a s sb m c h i n go ft h e s h a n d o n gl i n y ig l a s sg r o u pc o m p a n yl i m i t e d f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eg l a s sb a t c h i n gp r o c e s sf l o wa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n gb a t c h i n gc o n t r o ls y s t e m a i m i n ga tt h ep r e c i s i o n r e q u i r e m e n to fw e i g h i n gs y s t e m , w e i g h i n gs e n s o ra n dw e i g h i n gt e r m i n a lw e r e a n a l y z e da n dc h o s e ni nt h ep a s s a g e s e c o n d l y , b e c a u s et h et r a d i t i o n a lp l cs y s t e m sc o n n e c ti od e v i c e st ot h e i ob l o c k so fp l c ，c o n t r o la n dm o n i t o rt h el o c a le q u i p m e n t sb yt h ea n a l o g s i g n a l so f4 2 0m aa n d2 4vd c s ot h es i g n a l sa r ee a s i l yd i s t u r b e di nt h e l o c a le n v i r o n m e n t t os o l v et h ep r o b l e m s ，t h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi s i n t r o d u c e da n dad i s t r i b u t e dp l cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep r o t o c o lo f p r o f i b u - d pi sc o n s t r u c t e d t h et r a n s m i s s i o ns i g n a l sa r ed i g i t i z e d t b e c h a r a c t e r i s t i c so f f u l l d i s t r i b u t e d ，f u l l d i g i t a l , a n df u l l o p e no f t h ef c sc o v e r e d t h es h o r t a g e sw h i c he x i s t e di nt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a g a i n , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , p r o c e s so b j e c t i v eb e c o m e sm o r e a n dm o r ec o m p l i c a t e d ，n o l i n e a r ，l a r g e - d e l a y ，a n dh a r dt ob u i l dm o d e l s s oi ti s d i f f i c u l tt of u l f i l lt h er e q u e s to n l yb yp i dc o n t r 0 1 h o w e v e r ，a d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g i e ss h o ws t r o n ga d v a n t a g e sf o rr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m si nt h ec o n t r o l s y s t e m s ot h er e s e a r c ho fa d v a n c e dc o n t r o lb a s e do np l ci st oh eac u r r e n t f o c u s n l ef e a s i b i l i t yo ff u z z yc o n t r o lm e t h o di nt h eb a t c h i n gs y s t e mi s a n a l y z e da n dt h ef u z z yc o n t r o lm e t h o db a s e do np l ci si n t r o d u c e d t l l ed e s i g n p r o c e d u r e so fp l cf u z z yc o n t r o l l e ra r ee x p o u n d e di nt h i sp a p e r n l er e s u l to f a b s 廿a c t t h es y s t e mr u n n i n gp r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t yo f p l cf u z z yc o n t r o l l e r f i n a l l y , t h es y s t e me r r o rw a sa n a l y z e da n dt h es o t i w a r ew a sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gp l cc o n f i g u r a t i o n , p l cp r o g r a ma n dt h es y s t e mm o n i t o r i n g p r o g r a r n k f f w o r d sb a t c h i n g ；f i e l d b u s ；f u z z yc o n t r o l ；p r o f i b u s d p ；p l c i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文玻璃配料控制系统的研 究与设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字阳移 日期：。占年f 月夸日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 玻璃配料控制系统的研究与设计系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：警箩勰书 日期：。年1 1 月j # 日 导师签名 比铆竹 日期：d 彳年f j 月4 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 在工农业生产过程中，有些产品是将某几种原料按照一定的比例混合， 通过配制加工而成，这种按一定的比例混合原料的过程，就是配料的过程。 其混合比例是否按预先规定的配比进行，直接影响到产品的质量【l 】。 同时，配料质量控制的优劣也直接关系着下游生产能否顺利进行。如果配 料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量 和产量，并且由于配料失误甚至会给整个生产酿成事故。因此，要保证产 品质量和生产的顺利进行，就要提高配料过程的精度和保证配料的速度。 玻璃是一种化学组成既定而又均质化的材料。在玻璃的连续化生产中， 原料配料的准确、均匀和稳定是生产优质玻璃的先决条件1 2 】。尤其是配合 料的制备，需要同时对多种原料进行准确称量、混合、输送和投料，一旦 出现事故势必造成重大经济损失。因为一个现代化的大、中型玻璃池窑里 容纳着一两千吨玻璃液，每昼夜要投入上百吨至数百吨配合料，而且在生 产过程中各工序之间是连续作业，环环相扣，彼此影响很大，其影响在短 时期内是难以清除的，造成的损失是以百万元来计算的【3 】。由此可见原料 的制备对玻璃生产的重要性。原料的精确称量是配料工艺的核心，由于设 备故障或者是人为因素都容易造成配料错料，因而引起玻璃质量的下降。 另外，如果采用人工配料，由于现场的粉尘较大，很容易对人的身体造成 损害。因此，提高配料系统的称量精度、提高系统自动化水平和可靠性， 对保障玻璃生产线优质稳定生产、改善工人工作环境和提高劳动生产率有 着重要的现实意义。所以，原料配料的自动化是现代玻璃工业发展的必然 趋势 4 1 。 当今，随着计算机技术和自动控制技术飞速发展，人们普遍对生产过 程自动化程度的要求也越来越高。同样，在称重配料领域，人们对称重配 料过程提出了“快速、准确、连续、自动”的要求脚。为此，选择和设计 1 燕山大学工学硕士学位论文 合理的称重配料方式对实现原料的自动配料至关重要【6 】。当今针对配料控 制系统的应用研究也随着这种要求而广泛的开展起来，并且取得了许多成 功的应用实例 7 - 9 1 。 此外，食品、化工、饲料、陶瓷等行业也离不开配料生产过程f 1 0 卅2 1 ， 也必须通过自动配料控制系统来实现生产的自动化。虽然这些行业所用的 物料和生产工艺不同，但其配料控制系统所要完成的任务却基本相同，因 此，研究和开发一种自动配料控制系统具有一定的实际意义。 本文的研究旨在使配料车间设备及控制系统满足玻璃生产对原料配料 的工艺要求，并使整个系统达到高度自动化的同时具有更强的智能化。 1 2 玻璃配料工业现状 玻璃工业在我国产业中是一个重要的行业，并在我国的经济建设中起 着非常重要的作用。改革开放以来，随着我国经济的快速发展，玻璃配料 行业也得到了长足的发展。特别是2 0 世纪8 0 年代后期，我国浮法玻璃出现 了第一次发展高峰，以年增长3 5 的速度飞速发展，远远高于当时我国经 济发展1 0 的增长速度，玻璃工业的发展异常引人注目【i ”。近年来，玻璃 生产行业的竞争日趋激烈。因此，稳定并提高产品质量、产量和增强竞争 力成为玻璃生产发展的主要目标。而基于这个目标开发的适用于玻璃生产 的称重配料系统必须具有高速度、高性能、高精度、高可靠性和稳定性等 特点，以适应现代化生产的要求【】”。 目前我国玻璃工业存在的主要问题及与国际先进水平的差距主要表现 在：资源、能源消耗高，综合利用水平低：整体技术、装备及管理水平与 国际先进水平相比仍有较大差距；产品结构不够合理，优质浮法和深加工 率偏低；企业数量多、规模小、国际竞争力差：企业科技创新和自主开发 能力较差，缺乏具有驱动力的技术创新机制和能力；市场不规范，无序竞 争现象比较突出等【l ”。 在玻璃配料技术方面，还存在着工艺落后、产品品种单一、设备装配 不合理和自动化程度低等弊端，难以适应现代化玻璃工业发展的需要。在 配料控制系统方面普遍存在的问题是：配料精度低，机电控制部分的可靠 2 第1 章绪论 性差：缺少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。配料精度低 主要原因是电子秤系统的动态性范围小或用于配料的算法不合理造成的； 而可靠性差主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性低所致。可靠性是 重要的质量指标，但由于机械工艺、电子元件等基础工业发展的滞后，国 内的微机配料系统的可靠性与国外产品相比尚有一定差距。 随着计算机技术和控制技术的发展，以可编程序控制器( p l c ) 为基础的 集散控制系统已成为当今浮法玻璃生产线控制系统的主流，并日趋成熟。 同时随着网络化、信息化技术向自动化领域的渗透，使得自动化系统的体 系结构面临一场深刻的变革，这种变革也必将对浮法玻璃自动化产生重大 影响”。 1 3 配料控制系统的现状 在配料生产过程中，一般应该能够实现全自动、半自动和手动配料， 并且可以在不同工作模式之间进行切换。配料控制系统必须有很高的可靠 性来保证系统连续正常工作，出现故障时能及时报警并能够紧急停车，防 止系统出现事故。目前，我国配料领域选用的控制系统种类很多，归结起 来有以下几种： 1 3 1 直接数字控制系统 利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的 多功能数字控制系统。在这类系统中，计算机的输出直接作用于控制对象， 故称直接数字控带l j ( d i r e e td i g i t a lc o n t r o l ，简称d d c ) 。直接数字控制系统 是一种闭环控制系统，其系统结构组成如图1 1 所示。 主型卜悭 现i 场k 再而虱焉而磊 苎州计r 叫竺塞堡 一磊蝻 引机h 嚣黧 图1 1 直接数字控制系统组成框图 f i g 1 - l d i a g r a mo f t h es t n l c t u r eo f d d c 3 燕山大学工学硕士学位论文 系统中安排了一台中心计算机，由这台计算机通过多点巡回检测装置 对过程参数进行采样，并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较，再 根据两者的差值和相应于指定控制规律的控制算法进行分析和计算，以形 成所要求的控制信息，然后将其传送给执行机构去控制生产过程，用分时 处理方式完成对多个单回路的各种控制，如比例积分微分、前馈、非线性、 适应等控制i 】。同时，也可根据需要将必要的信息在终端机的屏幕上显示 或用打印机打印出来。 直接数字控制系统具有在线实时控制、分时方式控制和灵活性、多功 能性三个特点，并且其结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干扰 能力和控制精度，操作方便。主要问题是在这种控制系统中，一切信息的 交换均通过中心计算机，一旦该计算机出错，排查起来非常困难，并且将 导致整个系统的瘫痪。这种“风险集中”的结构体系导致了d d c 系统在大 中型过程控制系统中的低可靠性，影响了计算机技术在过程控制系统中的 推广【l ”。因此这种控制系统在现代玻璃配料生产企业中己很少应用。 1 3 2 监督控制系统 监督控$ i j ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，简称s c c ) 系统又称设定值控 制系统。计算机监督控制系统是在操作指导系统的基础上发展起来的。操 作指导系统是一种开环控制结构，系统中计算机的作用是定时采集生产过 程参数，按照工艺要求或指定的控制算法求出输入输出关系和控制量，并 通过打印、显示和报警提供现场信息，以便管理人员对生产过程进行分析 或以手动方式相应地调节控制量( 给定值) 去控制生产过程。 计算机监督控制系统具有闭环形式的结构，而且监控计算机具有较复 杂的控制功能。它可以根据生产过程的状态、环境、条件等因素，按事 先规定的控制模型计算出生产过程的最优给定值，并据此对模拟式调节仪 表或下级直接数字控制系统进行自动整定，也可以进行顺序控制、最优 控制以及适应控制计算，使生产过程始终处在最优工作状态。s c c 系统改 进了d d c 系统在实时控制时采样周期不能太长的缺点，能完成较为复杂 的计算，可实时实现优化控i j 2 0 。 4 第1 章绪论 图1 - 2 监督控制系统组成框图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo fs c c 如图1 2 所示，此控制系统由监督控制计算机和数字控制计算机实现两 级控制，s c c 计算机根据原始的配料生产工艺信息和其它信息，监控管理 整个配料过程、改变d d c 级计算机配料给定值；d d c 级计算机根据s c c 计 算机设定的配料给定值，实时控制称量配料。d d c 级计算机既可以是单片 机，也可以是可编程控制器( p l c ) 。 d d c 系统s d s c c 系统都属于集中控制型系统，当这种系统集中了很多 的控制回路时，就必然会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可 靠性大为降低。这就要求直接数字控制由集中型向分散型转移，于是出现 了“控制分散，信息集中”的集散型控制系统。 1 3 3 集散型控制系统 集散控制系统又称分散型综合控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简 称d c s ) 系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种 全新的分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制， 全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过c r t 装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。如图1 3 所示，集散控制系统按照分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综 合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控 5 燕山大学工学硕士学位论文 级、综合信息管理级，形成分级分布式控制结构。 图1 - 3 集散控制系统组成框图 f i g 1 3d i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo f d c s d c s 通常采用若干个控制器( 过程站) 对一个生产过程中的众多控制点 进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机 操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。过程级 主要由过程控制站、i o 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实 施部分。d c s 的控制决策由过程控制站完成，所以控制程序是由过程控制 站执行的。d c s 的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、 c p u ( 中央处理器) 、网络接口和i o 组构成。d c s 中的i o 一般是模块化的， 一个i o 模块上有个或多个i o 通道，用来连接传感器和执行器f 调节 阀) 。操作站、现场控制器、i o 组件问的连接是通过现场总线连接的，在 这一层次内形成开放的、双向的、数字通信系统f 2 ”。 在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是基于网络技术的发展 和应用。但是，不同的d c s 厂家为了达到垄断经营的目的而对其控制通讯 网络采用各自专用的封闭形式。不同厂家d c s 系统之间以及d c s 与上层 i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互联和信息共享。因此从该角 6 第1 章绪论 度而言，d c s 实质上是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系 统且造价昂贵。 1 3 4 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，简称f c s ) 是工业设备自 动化控制的一种计算机局域网络。它依靠现场总线技术将具有检测、控制 和通信能力的微处理芯片置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字 计算和数字通信能力。可采用简单的双绞线作为总线，把多个测量控制仪 表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个数字 测量控制设备之间及现场仪表与远程控制计算机之间实现数据传输与信息 交换，从而形成各种适应实际需要的自动控制系统f 2 2 】。f c s 的组成结构如 图1 - 4 所示。 上层网 图1 - 4 现场总线控制系统组成框图 f i g 1 - 4d i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo f f c s 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于 控制室的控制模块、各输入输出模块置于生产现场。同时，现场设备又具 有通讯能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信息。 因而系统的控制功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表直接在现场完 成，实现了真正意义上的分散控$ 0 t 2 3 a 4 1 。由于采用数字信号代替模拟信号， 因而可以在一对电线上传输多个信号，同时又为多个设备提供电源，并且 现场设备以外不再需要模拟数字( a d ) 、数字模拟( d a ) 转换部件。 7 燕山大学工学硕士学位论文 这种控制系统的优点是：节省硬件数量与投资；节省安装费用；维护 简单方便；用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠 性等 2 5 , 2 6 1 。但目前智能化现场测量、控制设备价格较高，只有极少数大型 玻璃企业采用此控制系统。 1 4 课题来源 本课题来源于m e t t l e r t o l e d o 称重设备系统有限公司的i 临沂景 耀4 0 0t d 玻璃瓶配料系统项目，旨在为景耀玻璃有限责任公司提供一套 全新的用于4 0 0t d 玻璃瓶的自动配料系统。 1 5 课题主要研究内容 本文紧密结合临沂景耀配料项目，在分析当前玻璃配料的工艺和控制 系统发展现状的基础上，对玻璃控制系统设计的关键技术做了详细的研究。 研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对当今玻璃配料工艺和现有的控制系统作了分析研究，通过建模分 析了配料的两种称量方式，并给出了配料控制系统的总体设计。 ( 2 ) 就称重系统中的核心内容称重传感器做了详细的分析，并针对本系 统对称重传感器及其显示控制仪进行了设计选型。 ( 3 ) 介绍了现场总线及其控制系统的概念和特点，并利用西门子 p r o f i b u s d p 协议组建了分布式玻璃配料p l c 控制系统，根据项目要求 编制了系统控制程序，并进行了硬件组态以及相关的调试工作。 ( 4 ) 针对传统的双速给料法的不足，提出了一种数字p i d 控制和模糊控 制相结合的称重配料算法，并将该算法应用于p l c 控制系统中，且在实际 运行中对该算法进行了检验。 ( 5 ) 最后分析了系统误差，并通过对系统的组态和编程完成了自动配料 控制系统的软件设计，设计开发了基于v b 语言的系统监控程序。 8 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 浮法玻璃工艺技术发展水平及普及程度已成为衡量一个国家玻璃工业 水平高低的重要标志。当今，玻璃市场需求的主要矛盾已经从“数量”向 “质量”转化，而相应的玻璃配料工艺及其控制系统成为了制约这种转化 的瓶颈。因此提高玻璃配料工艺水平和实现配料系统的自动化、智能化已 势在必行。 2 1 玻璃配料工艺分析 玻璃配料就是根据所要生产玻璃的工艺性能指标对玻璃的各种原料如 石英砂、长石、纯碱、白云石、石灰石、预混料等进行科学的配比，经过 各自称量系统精确称量后，通过集料皮带送至混合机混合，然后由原熔皮 带机将混合料送至玻璃熔窑窑头熔炼的过程。这套工艺方法被称为浮法工 艺【2 7 】。 1 9 8 1 年中国平板玻璃浮法成形工艺技术研究成功，被命名为“中国洛 阳浮法玻璃工艺”，成为与英国p i l k i n g t o nf l o a tp r o c e s s 、美国p p gf l o a t p r o c e s s 齐名的世界三大浮法技术之一【2 8 1 。浮法玻璃生产是系统工程，涉及 除技术外的硬件装备水平( 此项关系投资额的多少) 、生产操作软件与管理 等方方面面。纵观采用中国浮法技术的近百条生产线，大多数的技术装备 水平和管理水平与国际先进水平相比仍有不小的差距，玻璃生产大国的美 名更多体现在数量上，而优质浮法玻璃及其加工玻璃所占比例还很低，即 与采用国外技术的单位产品消耗相比，消耗更高的更多的资源和能源，却 获得品质低劣的产品优化技术与产品结构的目的难以实现。因此，提高玻 璃配料工艺水平和控制水平已成为增强我国玻璃工业竞争力的必由之路。 近几年来，浮法工艺发展迅猛，亚洲地区成为浮法工艺生产线发展最 快的地区。经过多年的不断实践和发展，中国浮法生产技术有较大进步和 提高。建设周期、投资规模、技术经济指标( 质量、能耗、成本、总成品率、 劳动生产率、窑龄等) 有了明显改善。浮法生产线的建设规模进一步扩大， 9 燕山大学工学硕士学位论文 技术装备水平不断提高。 我国浮法玻璃生产领域几经技术改造，称量工艺基本上从原来的增量 法转变为减量法，作为减量法的玻璃配料工艺流程如图2 1 所示。 垦骂骂垦 昌霪 昌昌 j r 旺二二二磊i 二 墼兰辟 图2 1 减量法玻璃目b 料工艺流程图 f i g 2 1 f l o wc h a r to f g l a s sb a t c h i n gc r a f tw i t ht h ed e c r e m e n tm e t h o d 玻璃原料主要由石英砂、长石、纯碱、白云石、石灰石和预混料等六 种原料组成，另外还有本厂和外来的碎玻璃。对于用量大的原料，如石英 砂、纯碱、碎玻璃、长石等采取一称一料或一料多称的称量方式；对于用 量比较小的原料，如矿石、小料则采取一称多料的称量方式。在图2 1 中， 白云石和石灰石为一称称量，采用增量法；其余各称为一称一料，为减量 法称量。 玻璃配料工艺流程如下：首先系统依次启动原熔皮带、混合机下料皮 带、混合机( 1 群或2 样) 、除尘系统、最后是集料皮带，系统启动完成。然后 各称量站对石英砂、长石、纯碱、白云石、石灰石和预混料以及碎玻璃按 照程序中设定的称量方式进行称量。首先各称加料，等称量结束时，系统 1 0 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 检验是否满足排料条件，如混合机空、排料门关等。如果满足排料条件， 则系统按照程序设定方式进行定时和顺序排料，集料皮带将混合料送入混 合机混合。排料结束后，经过延时后，系统进行下一周期的加料。混合机 首先对混合料进行定时干混，然后加水湿混，到定时时间后排料门打开， 将混合料排出至下料皮带，同时混合料中加入一定的碎玻璃，再由原熔皮 带将其送至窑头。这样完成了一次配料周期。当混合机排料结束后，进入 下一配料周期。系统设有排废装置，如果配料过程出现错误造成废料，则 系统将其通过排废装置排出。 2 2 玻璃配料称量方式设计 在玻璃配料过程中，玻璃原料的称量控制普遍由电子秤称量系统来完 成，就称量方式来说有增量法和减量法两种。因此有必要对这两种配料系 统称量方式迸行科学的分析比较，找出适合于本系统的最佳方案。 2 2 1 增量法称量工艺 增量法又称为累加法，即为多料一称的配料方式，系统要通过分时喂 料称重完成一次配料操作。它在称量过程中，以进入秤斗的物料量为最终 的配方值，再通过卸料门将物料卸到皮带上。其结构示意图如图2 2 所示。 配气箱 油水分离器 换向阀 振打器 丛垄苤堑堕 ! i皇坚 、堂堂 气动径向捧科门 下磊 丛声 图2 - 2 累加秤结构示意图 f i g 2 2 s k e t c hd i a g r a mo f s t r u c t u r eo f a c c u m u l a t i o nb a l a n c e 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 物料为粉料时，多种物料通过称量斗上的集料平台和相应的软连接与 称斗相连；液料则是多种物料通过汇流管和软连接完成入料口和称斗的连 接。作为特殊情况，仅有一种物料的增量法称为“零位法”。采用增量法 进行配料控制时，要求每次称量开始前，称斗必须回零。以此方式工作时， 为保证称量精度，一般在喂料时采用双速，即快速喂料和慢速喂料。喂料 开始时，为缩短称量时问应为快速喂料。当接近设定值时，为保证称量精 度要减慢喂料速度，使料流缓慢进入料斗，直到达到设定的配方值。 2 2 2 增量法动态特性建模 在增量法加料过程中，称量系统可以看成是由“物料一料斗传感器基 础”构成的一个振动系统，考虑到系统中基础的刚性大大强于其他部件的 刚性，基础的影响可以忽略不计，这样称量装置配料秤的力学模型就可以 转化为图2 3 所示的典型的弹簧阻尼振动系统。 图2 - 3 增量法动态模型 f i g 2 3d y n a m i cm o d e lo f i n c r e m e n tm e t h o d 这样，可以得到系统的动力学方程为 ( 小( f ) + 肌) 拿+ c 去+ 缸= g m 砌( 2 - i ) 式中所( f ) 料斗已有物料质量 m 增量秤秤斗质量 c 等效阻尼系数 七等效弹簧刚度系数 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 x 秤斗相对于零点的位移 g “) 料斗和物料总重量 ，( r ) 物料下落的冲击力 由式2 1 可知，系统称重装置部分的力学模型是随下料过程而变化的， 而且是一个二阶非线性时变系统。 2 2 3 增量法称量性能分析 2 2 3 1精度分析影响动态精度的因素很多，如物料的物理性能的波动、 秤的动态精度及安装水平、控制设备的硬件和软件水平、喂料和排料装置 的性能还有称量方式等【3 】。 动态精度= 整茎囊重x 1 0 0 0 9 6 0 一阻示值一设定值l 一1 蔼一 ( 2 - 2 ) 由式( 2 2 ) 可以看出，量程为定值的情况下，影响动态精度变化的主要 因素是误差的变化。增量法称量中，由于工艺上要求喂料准确和物料完全 排净，因此在喂料和排料两个过程中都会产生一定的误差，最终的误差是 这两个误差的抵消或叠加的结果。由于增量法在排料过程中最多只能做到 完全的排空，因此其排料误差在理论上为负误差；而喂料过程中可能多喂 也可能少喂，即误差可能为正也可能为负。若在喂料和排料过程中的最大 误差绝对值为，则在喂料过程中的误差在士a 之间，排料误差在和零 之间。称量的总误差在理论上在2 和+ 之间。则 a 增量法动态精度= 熹1 0 0 0 9 6 0 ( 2 - 3 ) 重程 2 2 3 2 特点分析增量法称量概括起来有以下几点： ( 1 ) 由应变传感器和秤体构成的称重系统的阻尼比较小，动态品质不好 造成的加料过程中的传感器输出信号不准确。 ( 2 ) 由于在加料过程中物料对称体有冲击力，造成测量值比实际值高， 导致提前关闭卸料门，因此出现欠秤现象。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 在增量法称量中，由于给料机构距离秤斗有一定的高度，这样就存 在一个落差值，如果当称量值到达设定值时停止喂料，而这时还有一部分 物料停留在空中未被称量，为了消除这种悬浮量的影响，需要设定提前量。 ( 4 ) 增量法的工艺要求称量完毕后秤斗要完全的排空。由于物料本身的 特性，有些物料会产生粘斗的现象，因此秤斗内要尽量光滑，做到有利于 物料顺利排出。 ( 5 1 增量法要求称量前称量值须归零，然而由于环境对秤体势必造成一 些影响，使零点发生变化，因此每次称量前应确保零点的准确。 增量法称量的优点在于：结构简单、投资较小：称量超差时可以现场 补救。其缺点在于：物料下落时对秤斗有冲击力，造成称量值偏大产生误 差；对于一些湿度大、粘性强、流动性差的物料容易产生粘斗的现象。一 旦粘斗，进入混合机里的物料就超差，从而造成配料质量的下降；当关断 加料机构后，还有一部分悬浮料留在控制，造成称量值大于设定值，因此， 提前量的设置关系到配料的精度。而且增量法电子秤配套使用的设备繁多， 全系统有快速关断闸门、卸料门、配气箱、气缸、换向阀、油水分离器等 多种配套设各。由于系统设置复杂，造成操作控制复杂，故障频繁，维修 工作量大，维修成本高。 因此，增量法称量适合于湿度较小、不容易粘结并且用量比较小的物 料，比如白云石等。 2 2 4 减量法称量工艺 减量法即为二次称量的一种配料方式，系统要通过喂料和排料两次称 重完成一次配料操作，其结构如图2 - 4 所示【3 j 。 首先是加料过程，开始时的加料量一般要大于实际设定值，而多余的 料作为底料，在这个过程中不需要精确控制，称重仪表记录加料量。然后 是排料过程，和增量法相同，为了提高精度也需要设定快排量和慢排量， 最终的称量值等于加料量减去秤斗内的残余量。减量法由于排料为称量过 程，没有物料对秤斗的冲击，卸出的物料等于两次称量值( 加料量和剩余的 底料量) 的差值。 1 4 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 、c = = = 图2 - 4 减量秤结构示意图 f i g 2 4 s k e t c hd i a g a mo f s t r u c t u r eo f d e d u c t i o nb a l a n c e 减量法称量方式可以完全消除粘斗现象，极大的提高了系统的动态精 度。同时，由于排料给料机的应用也解决了秤斗排料时物料的迸溅现象。 排料给料机的排料分时控制，可使进入混料机的物料呈夹层状态，部分起 到了预混的效果，是提高混合均匀度的一个有效的措施。 2 2 5 减量法动态特性建模 减量法称量只需对排料过程进行控制，分析减量法的动力学行为，可 以得出其弹簧阻尼振动系统动力学系统模型如图2 5 所示。 图2 - 5 减量法动态模型 f i g 2 5d y n a m i cm o d e lo f d e d u c t i o nm e t h o d 因此，可以得出减量秤的数学模型如下 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 州卅m ) 筹竹妄地- g ( t o ) _ g ( f ) ( 2 - 4 ) 式中研“) 料斗剩余物料质量 m 减量秤秤斗质量 c 等效阻尼系数 k 等效弹簧刚度系数 x g ( f ) 相对于已加料量c ( t 。) 的位移 g ( f ) 减量秤剩余物料重量 g ( t 。) 开始排料前的物料重量 由式f 2 4 ) 可知，称重传感器信号g 为 g = g ( t o ) 一g ( t )( 2 5 ) 2 2 6 减量法称量性能分析 2 2 6 1 精度分析由于减量法称量只有排料误差，没有喂料误差，因此， 系统精度在理论上在+ 和之间。 减量法动态精度2 蠢。1 0 0 0 ( 2 - 6 ) 由式( 2 3 ) 和( 2 6 ) 对比可发现，减量法的动态精度要高于增量法。 2 2 6 2 特点分析采用减量法称量的特点概括起来有一下几点： ( 1 ) 由于减量法称量只有排料误差，因此在动态精度上要高于增量法。 ( 2 ) 减量秤只需精确控制排料过程，不存在增量法的空中落差值，因此 减量称在提前量的控制上要优于增量秤。 ( 3 ) 由于减量秤在设计上需要靠多余的底料来封闭秤斗，如果物料的流 动性太强或秤体设计不合理，在加料或排料过程中物料有可能冲出排料电 磁振动给料机，直接流到皮带上，造成物料多称，这种现象称做过冲。 ( 4 ) 减量法的工艺不要求称斗要完全的排空，不存在物料粘斗的现象。 ( 5 ) 减量法称量值为喂料量与剩余量的差值，因此零点变化对其的影响 比增量法称量要小。 减量法称量可以进步省去料斗，直接将传感器安装在料仓上，料仓 1 6 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 中物料总重量减少的数值就是要配制的物料重量值，不存在卸料干净与否 的问题，相对提高了称量精度。由于减量称为排料称量，因此不存在物料 的向下冲力。减量法称量的缺点是：对流动性强的物料容易产生过冲现象； 对于配制用量较小的物料，由于量程问题，称量误差不容易控制。因此减 量秤适合于用量较大、物料流动性较差的原料，而对量程较小、流动性强、 易粘接的物料不适合。 2 2 7 配料系统称量方案确定 根据前面对增量法称量和减量法称量特性的详细分析，结合实际的工 程实际，本文提出了配料系统的称量方案：对于石英砂、纯碱、长石和碎 玻璃等用量比较大的物料采用减量法称量方式称量；由于石灰石和白云石 用量比较小，因此采用增量法称量。系统的加料机构采用托利多电磁振动 给料机，由于该给料机多弹簧板结构的特性，使其工作更加的稳定、噪音 低且料流运行平稳，可以很好的保证称量系统的动态精度。 2 3 玻璃配料系统的组成设计 一套完整的配料控制系统一般由储料部分、给料系统、称重系统、混 合和输送系统和中心控制及通信系统组成 2 9 , 3 0 。其中给料系统、称重系统 和中心控制及通信系统组成了配料控制系统。 2 - 3 1 给料系统 当今在配料领域广泛采用的给料系统一般有以下几种： ( 1 ) 电磁振动给料系统这种系统具有代表性的是电磁振动给料杌。该 给料机的特点是采用卧式安装，多弹簧板结构，其工作更加稳定、噪音低 且料流运行平稳，可以很好的保证称量系统的动态精度。给料机的原理是 通过可控硅的半波整流，驱动给料机的电磁线圈按照工频振动产生向前的 输送力。给料机的振动头为电磁线圈，送电后，线圈将以5 0h z 的频率吸 引和释放带动输料溜槽的衔铁，衔铁的振动使给料机对物料产生向前的推 动力。输送能力大小的调整是通过调节可控硅的导通角来实现的，采用电 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 位器或电压可连续的调整。该给料系统的特点是结构简单、调节方便、给 料精度高，一般用于颗粒料或目数较低的粉料。 ( 2 ) 螺旋给料系统该给料机采用螺旋输送方式，作为配料值给料设备 时应采用可变速，快慢可控的马达变频调速器。给料机的出口处将装有快 速关断系统，它与给料机连锁工作，打开时给料机输送物料，输料停止， 立即关闭，防止多于的物料跌落造成喂料停止后的超差。该给料系统的特 点是给料平稳，适合超细粉物料，对于料性较差或流动性较强的物料是合 适的喂料设备。 ( 3 ) 料门给料系统这种系统适合物料流动性好，配料速度要求快，精 度要求相对较低的场合。该给料系统通常使用双气缸实现料门两种开口大 小或一大一小两个料门，实现了既提高配料速度又提高精度的要求。在粗 加料时，将料门全部打开或两个料门打开，达到一定量时，将料门关闭一 部分或将大料门关闭，进行细加料，达到预定量时将料门全部关闭。 ( 4 ) 电磁阀给料系统对于一些液体原料可采用这种给料方式，如水 等。这种方式控制相对简单，也可采用双管路双电磁阀控制，以提高配料 速度和精度。 除了上述四种方式外，还有一些场合可以采用传送带、刮扳、真空抽 吸、震动给料等给料方式。 2 3 2 称量系统 称量系统是整个自动配料系统的核心。称量部分一般由传感器、标准 连接件、接线盒和称量斗组成，与称量仪表起进行物料的称量以及误差 的检测。 称量系统采用的方式多种多样，当今配料领域广泛采用的是电子秤称 量系统。电子秤是装有电子装置的一种衡器，它由称重、传力复位系统( 如 机械计量斗) 、称重传感器以及称重仪表等组成。称重、传力复位系统是被 称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体。称重 传感器是将非电量( 质量) 转换成电量的转换元件。它是把支承力变换成电 的或其它形式的适合计量求值的信号所用的种辅助手段。在传感器式电 1 s 第2 章玻璃配料控制系统总体设计 子秤中，最常用的仍然是电阻应变式