（材料加工工程专业论文）新型水泥生料均化系统开发研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在水泥生产的过程中，生料均化是保证水泥的稳定性及水泥质量的重要手 段，合理采用均化技术，才能得到最佳均化效果。从而可以得到要求的合格产 品；在各种生料均化库或料仓中，储存物料的多少将直接影响到企业生产进度 和生产安全，所以在水泥生产管理中，料位监测是水泥生产中非常重要且不容 忽视的环节。 论文研究分析了国内外各种均化库以及现有各种料位计的设计思想和各自 的优缺点，总结了各种现有的均化库及料位计的现状，主要针对国内均化技术 较为落后的中小型水泥厂，特别是一些技术落后的立窑水泥企业，提出在尽量不 改动现有的库容设备的情况下，进行技术改造达到均化效果的方法；同时设计 了一种限位料位监测系统，即摇摆式料位计，包括电机式与电磁式两种，使得 摇摆式料位计与均化库一起组成一个自动均化系统。节省了人力提高生产力水 平与自动化水平。 为定性验证新型均化库的均化效果，实验设计了一个按实际尺寸1 0 ：1 比例 缩小的均化库模型，进行了模拟均化的实验；同时对检测摇摆式料位计的可行 性、可靠性以及实用性进行了实验分析。经实验表明单库均化在四点下料时均 化系数可达到3 6 6 以上，在八点下料时可达到4 2 6 以上，新型均化库的均化效 果要比原来没有改造的均化效果好得多；摇摆式料位计稳定可靠，不受水分、 粉尘、电信号等信号干扰，并且价格低廉不会误触发。论文对均化库模型机械 设计、料位检测仪以及均化库的控制电路和相关的软件设计进行了详细的说明。 均化库和料位计的主控制核心主要以a t 8 9 s 5 2 单片机为主控制器，加上相应的 外围电路，实现智能控制与通信。 新型均化库是在原有的设备的基础上进行适当的技术改造，可达到较好的 均化的效果；摇摆式料位计简单可靠造价低，可单独使用或与新型均化库联机 使用。有较高的实用价值。 关键字：均化库，均化效果，单片机，r s 4 8 5 ，料位计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ec o u r s eo ft h ec e m e n tp r o d u o i o n ，r a wm e a lh o m o g e n i z a t i o nl s v e r y i m p o r t a n t m e a n st o g u a r a n t e e t h ec e m e n t s t a b i l i t y a n d q u a l i t y a d o p t i n g t h e t e c h n o l o g yo fh o m o g e n i z a t i o nc o u l dr a t i o n a l l yg e tt h eb e s th o m o e f f e c ta n d a f f o r da n e l i g i b l ep r o d u c t i o nt ot h cd e m a n d i na l lk i n d so fr a wm e a lh o m o g e n i z a t i o ns i l oo r m a t e d a ls i l o t h ea m o u n to fs t o r a g ei ns i l ow i l li n f l u e n c ea ne n t e r p r i s e sp r o d u c t i o n p r o g r e s sa n ds a f e t yd i r e c t l y s oi nt h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，m a t e r i a l l e v e lm o n i t o r i sag r e a ti m p o r t a n ta n du n i g n o r a b l el i n ki nt h ec e m e n t p r o d u c t i o n t h ea r t i c l er e s e a r c h e sa n d a n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m e so f t h ev a r i o u s k i n d so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr a wm c a lh o m o g e n i z a t i o ns i l oa n dd i f f e r e n t c h a r g el e v e li n d i c a t o r s d e s i g ni d e a s ，s u m m a r i z e s v a r i o u sk i n d so f e x i s t i n gr a w m e a l h o m o g e n i z a t i o n s i l oa n de x i s t i n g c h a r g e l e v e li n d i c a t o r s i ta l s o p u t sf o r w a r d a m e t h o dt h a tc a r r i e so nt e c h n o l o g yt r a n s f o r m a t i o nt og e tt h eb e s th o m o e f f e c to nt h e b a s i so f t r y i n g n o tt o c h a n g e c u r r e n t e x i s t i n g s i l o e q u i p m e n t ，w h i c hm o s t l y c o n t r a p o s e st h el a g g a r da n ds m a l l - s c a l ec e m e n tp l a n tw i t hc o m p a r a t i v e l yb a c k w a r d t e c h n o l o g ye s p e c i a l l ys o m ev e t i c a l k i l nc e m e n te n t e r p r i s e s a tt h es a m et i m e ，i t d e s i g n sak i n do ff i x e dc h a r g el e v e lm o n i t o rs y s t e m - - c h a r g e l e v e li n d i c a t o rw i t h s w a y ，w h i c hi n c l u d i n gt w ot y p e so f e l e c t r i cm a c h i n es t y l ea n de l e c t r o m a g n e t i s m s t y l e t h ec h a r g el e v e li n d i c a t o ra n dt h eh o m o g e n i z a t i o ns i l oc a nb em a d eu po fa a u t o m a t i ch o m o g e n i z a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a ns a v em a n p o w e rr a i s e p r o d u c t i v i t y c o m p e t e n c e l e v e la n da u t o m a t i c c o m p e t e n c e l e v e l i no r d e rt o q u a l i t a t i v e v a l i d a t et h eh o m o e f f e c to ft h en e wt y p er a wm e a l h o m o g e n i z a t i o ns i l o ，ah o m o g e n i z a t i o ns i l om o d e li sd e s i g n e dw h i c h i sa tar e a lr a t e o f1 0 ：1p r o p o r t i o nd w i n d i et oi m i t a t et h ee x p e r i m e n to fh o m o g e n i z a t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h ee x p e r i m e n to fd e p e n d a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yi sd o n ew i t ht h cc h a r g el e v e l i n d i c a t o rw i t h s w a y t h ee x p e r i m e n t r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e h o m o g e n i z a t i o n c o e f f i c i e n tc a nr e a c hm o r et h a n3 6 6i nt h es i n g l eh o m o g e n i z a t i o ns i l ow i t hf o u r p o i n t sb a i t i n g ，a n dc a nb e y o n d4 2 6w h e nt h en u m b e ro fb a i t i n gp o i n ti se i g h t t h e h o m o e f f e c to ft h en e w 。t y p eh o m o g e n i z a t i o ns i l oi sm u c hb e t t e rt h a nb e f o r e t h e c h a r g el e v e li n d i c a t o rw i t hs w a yi ss t e a d ya n dr e l i a b l e a n dc a nn o tb ei n t e r r u p t e d w i t hm o i s t u r e 、d u s t 、e l e c t r i cs i g n a le t c b u tt h ep r i c eo fi ti ss t i l lv e r yc h e a p t h ea r t i c l e g i v e sad e t a i l e de x p l a n a t i o na b o u tm e c h a n i c a ld e s i g n 、c o n t r o lc i r c u i ta n dr e l e v a n t s o f t w a r eo ft h eh o m o g e n i z a t i o ns i l oa n d c h a r g el e v e li n d i c a t o rw i t hs w a y a t 8 9 s 5 2 s i n g l e c h i pc o m p u t e r ，w h i c h i su s e di nt h e h o m o g e n i z a t i o ns i l o a n dc h a r g el e v e l l i 亟鎏望三奎兰堡主兰垡笙茎 i n d i c a t o ra st h em a i nc o n t r o l l e r ，a d d ss o m ec o r r e s p o n d i n gp e r i p h e r a l c i r c u i tt o r e a l i z et h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n t h e n e w t y p eh o m o g e n i z a t i o n s i l oc m r y so np r o p e rt e c h n o l o g yt r a n s f o r m a t i o no n t h eb a s i so ff o m e re x i s t i n ge q u i p m e n t w h i c hc a ng e tb e t t e rh o m o e f f e c t ，t h ec h a r g e l e v e li n d i c a t o rw i t hs w a yi ss i m p l eb u ts t e a d ya n dl o wf a b r i c a t i o nc o s t ，w h i c hc a nb e u s e di n d e p e n d e n t l yo rw i t ht h en e w t y p eh o m o g e n i z a t i o ns i l oo n - l i n l y i ta l s oh a s h i g l lp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：h o m o g e n i z a t i o ns i l o ，h o m o - e f f e c t ，s i n g l e - c h i pc o m p u t e r ，r s - 4 8 5 ，c h a r g e l e v e li n d i c a t o r i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 均化和料位监测与水泥生产的关系 在水泥生产的过程中，均化是保证水泥的稳定性及水泥的质量的重要手段， 从原料投入起，到水泥产出为止的全过程中，工艺上都要十分重视均化的设计 问题。例如，在原料中当采用两种不同品位的石灰石时，要考虑如何按比例搭 配；在磨头，为使配料准确，要合理选择喂料设备；设计的生料库既要贮存生 料，更要考虑如何均化生料：在熟料贮存中，要考虑当煅烧不正常出现次品时， 如何存放和如何搭配的问题等等，这些都有是系统均化中经常驻涉及到的问题。 而生料的均化的目的就是要使出磨生料在入窑前得到进一步均化，减小各种成 分的波动。以保证入窑生料的质量。从而稳定和提高熟料的质量。水泥的均化 是必不可少的环节。我国水泥企业质量管理规定，水泥2 8 d 抗压强度的标准偏 差应不大于1 6 5 m p a 。这不但保证了水泥强度的稳定，而且保证了其它质量指标。 合理采用均化技术，就能得到最佳均化效果。从而可以得到要求的合格产品， 因此均化在水泥整个生产中至关重要】。 在进行均化与贮存的过程中，料位计主要是用于各种仓、库物料位置的测 量，储存物料的多少将直接影响到企业生产进度和生产安全，在生产管理中， 料位监测是水泥等行业生产中重要且不容忽视的环节。 1 2 生料均化库的国内外应用现状 1 2 1 国外几种生料均化库 1 、八分法生料均化库。美国f u l l e r 公司开发，库底呈平面，分为8 个扇形 区，一个区通入较多的压缩空气，压力约2 0 0 k p a ，另7 个区则通入少量的空气， 使生料“活化”。前者谓之搅拌风或强风，后者则是活化风或弱风。形成库内各部 位生料容重差面形成轴向和径向的混合，达到均化目的。这种库可以间歇或连 续操作，主要适宜于间歇式操作。f u l l e r 八分法均化库的底部形状及其充气箱的 武汉理工大学硕士学位论文 布置都很简单，便于旌工，投资较省。应该指出，随着近年来技术的发展，f u l l e r 八分法均化库的采用正日趋减少，特别在大型水泥厂更有被其他型式的生料均 化库取代之势。它是充气均化技术的先驱之一。 2 、多股流式库( a f t 库) 。多股流式库( m f 库) 是德国p o l y s i u s 公司开发1 3 1 ， 它是一种连续式均化库，可以单库操作，也可以双库并联操作。库底布满了充 气斜槽，根据库径大小共设有1 6 3 2 条，都向库中心倾斜。库底分成1 0 1 6 个区，每相对的两个区联成一组，用5 0 k p a 压缩空气，以3 6 m i n 时间，按顺 序向每组斜槽充气。这样在相对的两个区的上部生料中形成许多小漏斗，借助 重力进行轴向混合，同时依靠相邻两区生料的容重差实现部分的径向混合。卸 出的生料集中于库底的一个中心室内。该室容积较小，始终不断地充气，使库 内各处汇集到这里的生料得到充分搅拌。卸料与均化基本合一，均化电耗很低。 单库均化效果为5 7 ，双库并联时可达7 1 0 。库的结构除中心室顶盖的进料 口外，其他部分都较简单，充气程序与管路也不复杂，便于控制。 3 、控制流均化库( c f 库) 。控制流均化库( o f 库) 是由丹麦f l s 公司开发， 是一种连续式均化库。其进料方式较简单，在库中心单点进料，库底分为7 个 充气卸料区。每个区由6 个三角形充气箱组成，共有4 2 个三角形充气区。每个 卸料区中心有一个卸料孔，每个卸料孔下部都有卸料阀和空气输送斜槽，将各 个孔卸出的生料送到库底中央的一个小混合室内。生料在c f 库内依靠充气和重 力卸料，实现轴向和径向混合。c f 库底的分区是块状而非扇形，又同时有3 7 的区域按不同的速度向下卸料。其总的充气搅拌程度比m f 库强烈，均化的单位 电耗略高，约0 2 k w h t ，单库的均化效果可达9 1 0 。但其库底结构和充气箱 型式与布置较复杂，库外的斜槽、小混合室设备较多，占空间也较多，加之管 路与充气控制装置也较繁，操作维护不当时往往难以达到预期效果。 4 、混合室均化库。德国c p 公司的均化库统称为混合室式，有锥形混合室 和圆柱形混合室两种，均为连续式操作。这种库在7 0 年代比较盛行，其设计思 想是在大库里面建一个混合室，将大库内各处的生料卸到混合室内进行充分搅 拌后再出库。混合室是连续充气的，库底的圆环带也分成若干区，卸料时轮流 向每一个区充气，使这部分的生料流向混合室。在自上而下的流动过程中，切 割水平料层产生轴向重力混合作用，进入混合室后再得到进步均化。库顶进 料是6 到8 点的均布式，使库内料层大致呈水平。锥形混合室均化库，其单、 双库运行时的均化效果分别为5 和8 。因其混合室内搅拌的耗气量较大，故单位 2 武汉理工大学硕士学位论文 电耗约0 2 5 k w h t ( 生料) 。c p 公司的另一种圆柱形混合室库，其混合室容积比 圆锥形的增大一倍，其中充气搅拌更益加强，均化效果可提高到1 0 。同时单位 电耗也有所增加，约0 4 k w h t ( 生料) 。混合室配有较强的充气设备与装置，如 进料的波动频率低、振幅大时，可以加强混合室的充气搅拌来补救。这种库的 土建结构比较复杂，大库里面套一混合室，施工较烦。混合室内的设施如有故 障，无法及时处理，只有等到一年一度的清库时才能修理，而且混合室中往往 残留很多生料难以清除干净，维修困难。这种库随着使用时间的延长其均化功 能也随之下降。当然，这种情况在其他型式的均化库上也有发生，但是远不像 混合室库这样明显和严重。 5 、中心锥形。中心锥均化库是在库底中心建有一个用混凝土预制板组成的 大圆锥，通过该锥体将库内生料的重量均匀地传给库壁，再传到基础。库的力 学结构合理，造价较省。库底内部的空间则形成一个环形的倒锥，故这种库俗 称倒锥库。库内环形底部分成6 8 区，每区有一个卸料口，通过快速开关阀、 流量调节阀和空气斜槽将各区生料汇集于一个搅拌仓中。各区轮流吹气卸料， 由于库底倒锥的形状，特别有利于漏斗流的形成以及生料的轴向与径向混合。 各区生料最后在搅拌仓中充分均化。这种库均化单位电耗最低，约 0 1 0 _ _ o 1 5 k w h t f 生料1 ，均化效果可达8 ，相对造价低，空间利用率高，搅拌 仓设在库外，便于检修，环形倒锥的均化特征显著。目前国际上许多大型水泥 厂多选用它，应用前景广阔。国内云浮水泥厂使用这种倒锥库。应该说明，虽 然倒锥库的土建造价较省，但其库底外部的设备较多，其总投资除可能低于控 制流均化库以外，将略高于多股流均化库和混合室均化库。 1 2 2 国内均化库现状 我国水泥工业应用的生料均化库( 或称搅拌库) 主要是从国外购买的生料 均化库和我国转化的各种生料均化库。目前国内的均化库主要有。 1 、机械倒库均化库。它是将两个或几个库的生料，用机械输送设备运出并 合并输入第三个库，达到调整生料成分的目的，并使生料成分得到均化。 2 、间歇式均化库。间歇式均化库一般由空气搅拌库、储存库和空气压缩机 组成。物料进入间歇式空气搅拌库达到一定高度后，停止进料，透过库底空气 箱向库内通入高压空气，使库内物料流态化，并在空气动力的作用下e f 翻滚。 经过一定时间的充气搅拌，库内物料得到充分混合，从而达到均化的目的。 3 武汉理： 大学硕士学位论文 3 、混合室连续式均化库。混合室连续式均化库是在直径较大的库内设置一 个搅拌生料用的混合室而得名，具体的作法是物料在库顶经分料器均匀分配， 向库内连续进行布料。通过库底充气箱向库内充气，混合室内外一定高度的部 分物较被流化，并随着各充气的规律性变化而流动混合。卸料时在流态化和重 力的作用下，混合室外部物料进入混合室，库内形成“漏斗流”切割层，进入混合 室内的物料又被强气流连续搅拌混合，从而达到均化的目的。 4 、导流漏斗均化库。导流漏斗均化库是在库内卸料口的正上方至库顶装有 许多螺旋导流漏斗，只有进入导流漏斗的物料才能被卸出，卸料时，垂直与库 截面方向漏斗附近的各截面物料进入导流漏斗，库内自上而下形成许多迭加的 漏斗流切割料层，使物料得到混合达到均化的目的。 在以上介绍的几中均化库中，多库搭配、机械倒库均化库是较为简单的方 法，复杂的方法有间歇式空气搅拌库、混合室连续式空气搅拌库、导流漏斗均 化库，还有从国外引进进行改造的等等。机械倒库均化库的均化效果较差，间 歇式均化库均化效果好，均化效果可达到1 0 到2 0 ，适用于原料成分波动大的立 窑厂，不过库的个数多，占地多，投资大。对生料要求严格，生料水分不得超 过1 ，生料均化电耗高，系统复杂，操作控制不方便，要求的气源压力随库内 料高的增加而大幅度提高，不利于大型化。混合室连续式均化库系统较简单， 均化作业连续化，便于操作管理和自动控制；占地较少，与间歇式生料均化库 相比，投资少2 0 到3 0 ，不过与与间歇式生料均化库的均化效果相比要低得 多，要求入库生料的成份波动不能过大；连续式均化库本身不能进行高低料调 配，当入库生料偶然波动时，出库生料也会出现较大的波动。因此对生产过程 的质量控制要求较高，生料的水分也不得超过1 。导流漏斗均化库结构较为简 单，但均化效果差、“卸空率低”等问题一“”。 1 3 料位计国内外应用现状 国内一些技术落后的立窑水泥甚至有的还是一直沿用古老人工测量的方法 进行料位的检测。在国内外大部分水泥行业中采用料位计进行料位检测的主要 有以下几种。 1 、超声波式料位计。超声波式料位计是利用声纳原理来测量料位的。超声 波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞( k a y r a y ) 公司和 4 武汉理工大学硕士学位论文 马格尼特( m a g n i t r 0 1 ) 公司的超声波式料位计，精度可达0 2 5 级；德国e + h ( e n d r e s s + h a u s e r ) 公司的d u 2 1 2 和d u 2 1 3 ，最小盲区是0 7 m ，此范围以内不 能使用，最远距离受声功率限制，只能测4 0 m 内的料位；具体做法是在贮仓顶 部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料 面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超声波发射至接收所经历的时 间乘以声速就可计算出料位高度。由于空气温度的高低会影响声波的传播速度， 所以还需测量空气温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大 的块料料位。测量精度高，但必须借助于媒介传播【j 厶”j 。 2 、电容式料位计。电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之 间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间 电容正比于料位的原理进行工作的。电容式料位传感器的特点是无可动部件与 物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常 数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路【1 4 】。 3 、t 射线料位计。7 射线料位计是利用同位素源向探测器定向发射t 射线， 若料位低于同位素原，则探测器得到信号，表示料空；相反若库内料面高于同 位素源，探测器就得不到丫射线的信号，表示料满的原理。所以丫射线料位计常 用作料位开关，不用于连续监测。且存在y 射线放射源污染环境，放射源的衰减 使料位控制不可靠等不足【”】。 4 、重锤式料位计。重锤式料位计是连续测量料位计。重锤式料位传感器由 伺服电动机、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。 起动后，微机发出降锤信号，伺服电动机转动放下重锤，当重锤碰到料面后， 发信器发出信号给微机，使重锤停止下降并发出升锤信号，伺服电动机反转使 重锤上升，并发出料位信号值给显示仪表。重锤升至仓顶后电动机停转，经过 一段延时后再重复上述动作。重锤式料位传感器可解决一定量程范围内的测量 问题，典型的测量范围可达6 0 m ，而且这种测量与蒸汽、灰尘无关，具有较高 的测量精度。与超声波式、电容式物位计相比，它克服了散射角的问题 1 6 , 1 7 】。 5 、阻旋式料位计。这种料位计的工作原理是控制器中装有一台微电机，通过 齿轮减速后，使主轴上的叶片转动，当被测物料料面上升碰到叶片时，叶片旋转受 阻，停止转动，于是过载检测机构便围绕主轴作微量转动，使斜板推动微动开关动 作，其中一个微动开关切断电机电源，使电机停转，并保持此状态；另一微动开关发 出料位信号，使供料作业停止或报警。当料面下降后，叶片失去阻挡，过负载检测机 5 武汉理工大学硕士学位论文 构依靠弹簧作用返回原来位置，其中一个微动开关恢复原来状态，使电机供电回 路接通，叶片又开始转动；另一微动开关也恢复原状，使料位信号消失【1 8 l 。 6 、冲击振动式物料位计。测量的基本原理是通过容器外部的激振器产生机 械激励波，经过传播后，所携带容器内界面情况的信息，被传感器所接受，通过一系 列的建模与分析，从而得到界面信息【1 9 】。 1 4 课题的提出 我国水泥工业应用的生料均化技术对比于国外还很落后，所以大多现代化 水泥厂是从国外购买生料均化库，较少采用国内设计或转化的均化库f 驯。而对 一些技术落后的中小型水泥厂，大多的均化系统都不好，由于资金与效益原因， 重新建造先进的均化系统是不太可能的，因此应寻求一种能利用现有的库容进 行技术改造以达到较好均化效果的方法。又由于水泥厂工作环境恶劣，特别是 库内环境，目前对料位的监测或多或少都存在着不足。超声波必须借助于媒介 传播，水泥厂的储库物位测量通常以空气作为传播介质，而空气的温度、湿度、 组分等的变化会影响超声波传播速度，空气中的粉尘也将衰减超声波的传播信 号；对于粉仓料位的测量，由于粉仓料位表面在下料时非常疏松，对超声波信 号有较强的衰减。另据使用现场反馈信息，测量过程中，粉尘堵塞传感头的现象 也时有发生，造成工作不可靠并带来一定的事故隐患 2 1 】。电容式料位计的造价较 低、无机械磨损，但测量的精度受料仓内温度、湿度、介质浓度的变化、物料 粘挂仓壁和电极等因素的影响很大，容易引起电容介电常数的变化，且转换电路 复杂，所以经常量测不准【翻。丫射线料位计存在7 射线放射源污染环境，放射源 的衰减使料位控制不可靠等不足【矧。重锤式料位计也存在着电机控制过程复杂， 结构设计不当，控制部分的硬、软件设计不尽合理的地方筛0 动不及时导致定位 不准甚至重锤冲入料层的缺憾。阻旋式料位计由于使用弹簧，所以长期运行时 容易发生形变以至控制不准。料位计水平安装时，对流动性较差的粘性物料是 不适用的。冲击振动式物料位计容易受到噪音干扰，由于波长较长，对测量精度的 提高带来很大困难。 为了较好的解决技术落后水泥厂现有的这些问题。本课题的目的在于对中 小水泥厂原有的设备与库容的基础上应用微机技术进行适当的技术改造，采用 单库多点循环下料均化库，达到既不重新建造均化库又能提高均化效果。并设计 6 武汉理工大学硕士学位论文 一种较为简易实用造价底的更适用于中小水泥厂的限位料位检测系统，可与多 点下料均化库联机使用组成个自动控制系统，实现料位与均化同步进行的自 动控制，这样可以节省了资金又可以充分利用现有的库容资源，提高了生产的 自动控制水平。 1 5 研究的意义 我国水泥工业在国民经济发展和现代化进程中占重要地位，水泥工业在我 国的兴起，已有四十多年的历史。1 9 5 7 年冬，在全国大办农田水利建设的牵动 下，水泥的需求量急剧增加，在中央号召下，全国各地掀起了由地方政府和乡 镇集体筹资兴建小型土立窑水泥厂的高潮，到1 9 7 3 年立窑水泥产量首次超过了 回转窑水泥的产量，达到1 9 6 5 万吨，占当时全国水泥产量的5 2 6 6 ，到1 9 8 5 后就跃居水泥总量的8 0 以上，占居我国水泥的主体地位。从1 9 8 6 年到1 9 9 5 年的十年间，回转窑水泥从3 1 5 8 万吨增长到4 7 6 5 万吨，每年平均增长1 6 0 7 万 吨；而立窑水泥却从1 1 4 3 6 万吨猛增到4 2 8 2 6 万吨，平均年增长3 1 3 9 万吨，其 产量增加速度是回转窑的近2 0 倍。我国水泥工业的发展，有力的支撑了两次全 国农田水利建设高潮，有力的支撑了改革开放后2 0 年的国民经济的持续高速发 展，为我国登上世界水泥第一生产大国的地位起了决定性的作用【2 4 1 。 当前我国水泥工业正处于产业结构调整时期。江泽民在党的十五大报告中 指出：“要着眼于全面提高国民经济整体素质和效益，增加综合国力和国际竞争 能力，对经济进行战略调整。”对于我国历史悠久、技术成熟且具备相当生产能 力的机立窑水泥企业，如果全部关停废除，重建高水平水泥生产线，无论是从 经济价值的角度考虑还是从客观实际分析都是完全不可能的。但是如果立窑企 业仍安于现状，徘徊在现在的高耗、低效、重污染的水平上，产品档次低、成 本高，市场竞争力差，那么它就会自然地被市场所淘汰【2 5 讲】。因此应充分利用 现有的设备资源结合现代控制技术特别是计算机技术提高立窑企业自动化程度 以达到降低能耗、提高效率、降低成本、节省人力物力适应现代化的要求才不 会被市场所淘汰。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 研究的主要内容 本研究分析了国内外各神均化库和各种料位计的设计思想与各自的优缺 点，并主要针对国内均化技术较为落后的中小型水泥厂特别是一些技术落后的 立窑水泥企业进行调研，总结各种现有的均化库及料位计的现状基础上，针对 技术较为落后的中小型水泥厂在不改动现有的均化库设备的情况下进行均化库 的技术改造，同时还设计一种适合中小型水泥厂使用的限位料位检测仪器，即 摇摆式料位计，在结构上分为电磁式与电机式两种。具体的说本课题要完成的 主要任务为。1 、新型多点混合布料均化库的原理设计。2 、均化库的实验装置 即实验模型设计。3 、实验装置的硬件及软件设计。4 、均化效果对比实验的实 验参数确定。5 、对比实验结果的数据分析。6 、两种摇摆式料位计的机械及软 硬件设计。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a t 8 9 s 5 2 单片机及串行通信 生产过程自动控制是生产过程现代化的标志之一。自从7 0 年代初第一个微 处理器l u t e l 4 0 0 4 问世以来，随着半导体技术的进步，微型计算机以惊人的速度 向前发展，在短短的三十几年的时间里，经过了4 位机、8 位机、1 6 位机、3 2 位机，现在6 4 位机也已问世。在现代化工厂中，操作工人和生产管理人员已不 单纯依靠个人经验和体力，丽更多通过自动化仪表和装置对整个生产过程进行 全面地监视、控制和管理，微型计算机控制技术的推广应用，对增加产量、提 高质量、减少劳动强度、提高工作效率、降低消耗、增加经济效益、提高生产 过程的控制水平和企业现代管理水平发挥了重要的作用。生产过程中采用计算 机控制是实现优质、高产、低消耗的有效手段，是控制技术发展的必然趋势1 2 ”。 2 1 工业几种常用的微型计算机 微型计算机的发展促进了工业控制的进步，目前在工业生产应用中根据被 控对像的规模来分主要有以下几种1 2 。 1 、单片微型计算机。单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，简称单 片机，它是工业控制的智能化系统中应用最多的模式。目前常用的有8 位单片 机和1 6 位单片机。最大的特点是设计者可根据自己人的实际出发、设计一个单 片机系统因而更加方便、更加灵活，并且成本低。本文用的是a t m e l 公司的8 位单片机a t 8 9 s 5 2 。它功能强、价格低、资源丰富的特点，在2 2 节将有较详细 的介绍。 2 、可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) ， 简称p l c ，它吸收了微电子技术和微机计算机技术，采用微处理器作为主控制 器。具有可靠性高、编程容易、组合灵活、速度快等特点。 3 、s t d 总线工业控制机。s t d 总线工业控制机是8 0 年代发展起来的一种 广泛应用于工业过程控制的计算机系统。 4 、，】：业p c 机。工业p c 机是在原来个人计算机的基础上发进行改造，使其 在系统结构及功能模块的划分上更适合工业过程控制的需要。 q 武汉理工大学硕士学位论文 2 2a t 8 9 s 5 2 功能简介 a t 8 9 s 5 2 的引脚如图2 - 1 所示。 p 1 口口 f t 2 电岣h q 2 p 1 2 口3 p 1 j q 4 p 1 4 口5 p 5 口 p 1 o 口7 p 1 7 q o r l ；t i - 】 t 咖p & o 日1 0 衄) 鸭1 q 1 1 丘丽- ) p 喜2 d 1 2 椰m 嘿s q l 3 c r 町p 各4 口1 4 c r l ) 鸭点目1 9 棚- 日毫d 1 ( 琦随7 口1 丁 x 玎啦t - 11 8 x 讹 口1 a n d 口 v p o 且( a d o ) 阳t 仆d 1 ， p 口。们口秘 p 口皇岫3 ， p a i 沸d 由 p o 童弘d 日 嗍研- o p d - 7 碑d 乃 e 融，f ，f i 目乒再酉百 p 暮百阿 p 置jt a l s ) p 2 弧1 ， p 盘6 以1 p 矾1 萄 嘲帆1 1 ) p 2 2t a i o ) p 薯 曲 陵o 图2 - 1a t 8 9 s 5 2 引脚图 该系列单片机是采用高性能c m o s 工艺制造的8 位微控器，具有低功耗、 内带有非易失性的8 k f l a s h 程序存储器、2 5 6 字节r a m 、3 2 条i o 口线、3 个 1 6 位定时计数器、6 输入2 优先级嵌套中断结构、1 个串行i o 口可用于多机 通信i o 扩展或全双工u a r t 、一个内部看门狗以及片内振荡器和时钟电路，此 外由于器件采用了静态设计可提供很宽的操作频率范围频率可降至o 可实现两 个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式空闲模式冻结c p u 但r a m 定时 器串口和中断系统仍然工作，掉电模式保存r a m 的内容但是冻结振荡器导致 所有其它的片内功能停止工作，由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户 数据运行可从时钟停止处恢复。 2 3 微型机串行通信 2 3 1 数据的传送方式 在串行通信中，数据传送有三种方式：单工方式( s i m p l e xm o d e ) 、半双工方 1 0 船耵驰“款瓠拍抽矗打翘留抖蕊趁甜 武汉理工大学硕士学位论文 式( h a l f - d u p l c xm o d e ) 和全双工方式( f u l l d u p l e x ) 。单工方式只允许数据按一个 固定的方向传送，如图2 - 2 ( a ) 所示。在半双工方式下，如图2 - 2 ( b ) ，数据既 可以a 传向b ，也可以从b 传向a ，不过a ，b 之间只有一根传输线，所以信号 只能分时传送，即在同一时刻只能进行一种传送。在全双工方式下，如图2 - 2 ( c ) ， a 与b 之间有两条线，可实现同时接与同时收。 静嘣鞫箨 f p 轴f p 钢f 芒幻 l ，一l 、j l r jl r jl r j l ，j 图2 2 数据的传送方式示意图 2 3 2 串行通信标准总线 2 321r s 2 3 2 c 串行接口标准简介 r s 2 3 2 c 是1 9 6 9 年由电子工业协会( e t a ) 公布的标准，r s 是推荐标准 ( r c c o m m c n d c ds t a n d a r d ) 的缩写。该标准的用途是定义终端设备( d t e ) 与数 据通信设备( d c e ) 接口的电气特性【划。 为了确保正确地发送二进制数据和正确地执行设备控制，r s 2 3 2 c 标准为数 据和管制信号提供了电压标准及范围。当r s - 2 3 2 c 的线路上没有通信的数据信 号是，d t e 端的发送信号线保持1 5 v 的电压。电压标准如表2 - 1 所示f 3 l l 。r s 一2 3 2 c 串行数据传输率的范围为0 1 9 2 0 0 b s ，总线的传送距离一般不超过1 5 m 。 表2 - 1 电压标准 i电压逻辑状态信号状态接口控制功能 l+ 3 v - + 1 5 vo间隔接通 1 3 v 一1 5 v l标志断开 2 3 2 2r s 4 4 9 和r s 4 2 3 瓜s 4 2 2 随着通信技术的发展，对通信速率的要求越来越高，距离要求越来越远。根 据r s 2 3 2 c 标准，它的最高传输速率为2 0 k b s 时，最远距离仅为1 5 米，当然在 实用中也可达6 0 米，但这远远不能满足上述发展对速度及距离所提出的新的要 武汉理工大学硕士学位论文 求。美国e i a 学会于1 9 7 7 年在r s 2 3 2 c 基础上提出了改进的标准r s 4 4 9 。 r s 4 4 9 比r s 一2 3 2 c 传送速率高、通讯距离长，而且由于r s 4 4 9 使用平衡信 号差传送高速信号，所以噪声低，又可以多点或都使用公用线通讯。 与r s 4 4 9 一起推出的还有r s 4 2 3 与r s 4 2 2 a 。实际上它们都是r s 4 4 9 标准 子集，r s 4 4 2 是利用平衡驱动差分传输方式提高通信距离和可靠性的一种通信标 准，它在发送端使用2 根信号线传送同一信号( 2 根线的极性相反) ，在接收端 对这两根线上的电压信号相减得到实际信号，这种方式可以有效地抗共模干扰， 提高通信距离，最远可以传送1 2 0 0 米，原理如图2 - 3 所示p 。 2 3 2 3r s 4 8 5 施：3 4 8 t 图2 - 3r s 4 2 2 平衡驱动差分接收电路 在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来完成通信任务。目前用 得最广泛的是r s 4 8 5 ，r s 4 8 5 实际上是r s 4 2 2 变型，不同之处在于：( 1 ) r s 4 2 2 为全双工，而r s 4 8 5 为半双工；( 2 ) r s 4 2 2 采用两对平衡差分信号线，而r s 4 8 5 只用其中的一对，所以r s 4 8 5 只要用两条线就可以j 。根据r s 一4 8 5 驱动芯片 驱动能力的不同，一个r s 一4 8 5 数据发送设备可以驱动3 2 2 5 6 台r s 4 8 5 数据 接收设备l ，2 1 。r s 4 8 5 总线接口方法如图2 - 4 所示。 一j 一 r 。 叫 图2 - 4 r s 4 8 5 接口方法 1 2 武汉理工大学硕：b 学位论文 2 3 3 差错控制技术 在串行通信中，由于系统本身硬件、软件故障，或者外界电磁干扰等原因， 数据传送过程中产生错误是难免的，应采取一定的措旄尽量使误码减少。通常 从三方面着手，第一，改善传输信号的电气特性；第二，改善传输线路，使其 干扰减到最小；第三，采用纠错技术j 。由于本文采用的是r s 4 8 5 ，所蛆信号 的电气特性是标准的，至于减少干扰的方法在本文的第三章及第五章有较详细 的介绍，这里只介绍纠错编码。纠错编码方法很多，最常用的是奇偶校验( p a r i t y c h e c k ) 与循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 。奇偶校验是最简单的， 方法就是在信息码组之后加一位监督码元，分为奇校验与偶校验，奇校验就是 若信息码组中1 的个数为奇数，则监督位为“0 ”，否则为1 。而偶校验为当信 息码组中1 的个数为偶数，则监督位为0 ，否则为1 。 奇偶校验是一个字符校验一次，而c r c 是个数据块校验次。实际上就 是在一个p 位二进制数据序列之后附加一个r 位二进制检验码( 序列) ，从而构成一 个总长为n = p + r 位的二进制序列，例如，p 位二进制数据序列d = 【d p - 1 d p 2 山删，r 位二进制检验码r = 【r r - ir r 2 r 1t o ，所得到的这个n 位二进 制序列就是m = 【d p q d p _ 2 d l d or 。1r r - 2 r lr 0 】； 附加在数