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1 水泥的生产工艺与配料 在水泥的生产工艺过程中，决定水泥质量的关键因素是水泥的生料、熟料的配比，由于生产水泥配料的方法的多样性和组成的差异性的存在，人工方法无法快速、准确、实时的控制配料过程，因此采用人工配料方法生产的水泥质量难以得到保证。目前国内仍有许多中小型水泥厂采用人工配料或半自动化配料，严重影响了水泥的质量和产量，而一些现有的微机配料系统由于设备技术落后面临更新换代。因此开发适合中小水泥厂的新一代微机配料系统具有广泛的市场需求，并将为水泥企业带来较大的社会效益和经济效益。
水泥微机配料系统要求能够适应恶劣的现场环境，运行稳定，抗干扰能力强，计量准确，有数据加工处理能力。采用一系列新技术，新思想，例如采用现场总线技术和智能模块构成新型微机配料系统，可以提高系统的可靠性和易维护性。新型微机配料系统应具有成本低廉，可靠性高，易于使用和维护等特性，从而容易为现场运行人员接受，便于广泛推广和应用。此外工厂自动化的发展方向是全厂的自动化控制与管理，新型微机配料系统组成的全厂计算机监控系统，HBM称重传感器可以解决自动化孤岛的问题。
料斗秤水泥配料系统，具有静态计量准确，结构简单，造价低等优点。本文以料斗秤为例，介绍了一种基于可编程智能模块、工业控制计算机和RS485总线通讯方式的水泥微机配料系统。
2 微机配料系统总体设计
2.1，水泥厂配料系统设计指导思想
1)利用先进、有效的智能称重控制技术开发研制出高品质、新一代的水泥智能配料系统，不断提高我国水泥配料设备的档次和生产管理水平，促进我国水泥产品质量和行业竞争能力的提高。
2)利用最新的工业计算机硬件技术、网络通信技术以及智能控制技术，实现一种高性能、高可靠、低成本的自动化系统。
3)软件系统的设计和硬件设备的选型充分考虑整个系统的开放性和可移植性，保证系统具有良好的规模伸缩性，以便于不同规模水泥窑进行配料系统的实施，逐步实现全厂的生产与管理综合自动化。
2.2，系统体系结构
为了保证水泥微机配料系统的通用性、先进性，达到高性能价格比、系统稳定和可靠的目标，采用以下结构设计：
1）采用通用型工业控制计算机和RS485现场总线来实现信号的采集、处理、控制和输出。
2）模块化、标准化设计，通用性强、维护方便、可扩展性强；
3）基于丰富的PC软件，使料斗秤控制器应用软件开发周期短；
4）可靠的接地并附加信号调理及隔离模块保证信号的稳定；
5）严格的测试程序保证系统的可靠性。
2.3，水泥厂配料系统功能
1）显示台时、配比、料给量、料重、信号和累计量，对班产量、日产量、月产量和年产量进行自动累计；
2）工况图动态显示，如电振机的振动，电机的开关门，出料。动作过程真实生动，且有文字提示；
3）数据编辑的功能：输入台时、配比、系数；
4）自动识别缺料、卡秤，故障自动报警并全线自动停机，屏幕指示故障内容；
5）计算机辅助标秤功能，操作方便准确可靠；
6）计算精度：0.5%；
7）微机控制1-8路；
8）方便的手动控制功能，可进行单路上料的控制；
9）信号检测采用RS485总线传输，传输距离可达1.2公里；
10）微机配料称与厂级监控计算机通过以太网构成网络。
3，配料系统的硬件设计料斗秤微机配料系统的组成如图1所示。该系统由3级两个层次组成。称重传感器和执行器及信号变换模块构成第 1级——检测及驱动；工业控制计算机构成第2级——现场控制；管理计算机为第3级——车间管理、厂长管理。第1级和第2级组成了基础自动化层，第3级为管理自动化层。监控计算机与管理计算机构成一个局域网，管理人员可以随时在网上查看现场生产信息。
3.1，称重传感器信号变换
A/D变换采用IOM4017模块，D/O变换采用IOM4050模块，其中电磁振动给料机由一块IOM4050控制，开门电机由一块IOM4050控制。IOM4017和IOM4050模块是自主开发的A/D和D/O转换模块，具有抗干扰能力强，可靠性高，传输距离远等特点。它只需二根导线通过RS485网络即可与控制主机相互通讯。使用多个模块可以方便的构成RS485分布式的控制系统。每个网络最多可串接255个模块，该网络通过RS232/RS485转换即可连到控制计算机。
3.2，水泥配料系统RS485总线
RS485是一种半双工传输的通讯总线，只有两条信号线，一条为信号线正，一条为信号线负，分别标为A和B，或DATA+、DATA-。RS485采用差分传输，最大传输距离为1.2Km米。模块连接时总线的信号正与各个模块的DATA+相接，总线的信号负与模块的DATA-相接。
4，软件设计
VisualC++是为开发Windows应用程序而创建的一种循序渐进的编程工具。它的高性能及高度集成的开发环境，可使用户方便地创建和调试Windows应用程序。与VisualBasic相比，VisualC++具有高效、高可靠的特点，是编写微机监控系统的优选软件之一。本系统采用VisualC++编写。微机配料系统采用单文档界面，使用静态链接库，形成一个可执行文件。
水泥微机配料控制系统以PC总线式工业控制计算机(IPC)为主机（上位机），配以自行开发设计的各种接口装置（FTC-01智能流量控制器、AMP-03信号放大器等）构成集散型式配料控制系统（DCS）。由于采用集散型结构，上位机只完成对配料系统的数据管理和对下位机（智能流量控制器）的协调调度等工作，即集中管理。下位机（智能流量控制器）则具体完成对每台秤的控制操作，即流量控制，使其按照工艺人员设定的配方（流量），准确、稳定地下料，每个控制器只对一台秤进行控制，即分散控制。采用这种集中管理、分散控制的系统，可以极大限度的减少备件储备量、降低维护费用、缩短故障停机时间、减轻设备维护人员的工作强度，提高工作效率。整个系统在软、硬件设计上充分考虑了水泥生产工艺及操作、维护人员的知识结构等特点，使系统的安装、调试和操作更方便，维护更简单。同时也考虑了使用单位今后发展的需要。水泥微机配料控制系统留有充分的软、硬件接口，以便与网络和其它可选设备相连构成综合性的控制系统。
水泥自动配料系统，水泥生料成分的稳定性直接影响水泥的安定性和强度。统计结果表明，无论怎样调整配方，一个厂的熟料强度和f-CaO含量，根本上与该厂生料成分的合格率成正比：生料成分合格率越高，则熟料强度越高、f-CaO越低；相反，如果生料合格率很低，要生产优质水泥熟料是不可能的。
大型水泥厂生料成分用率值来反映，因为他们有能力购买价格昂贵的X射线荧光分析仪快速测定生料所有主要化学成分；而中小型水泥厂只能通过控制CaO和Fe2O3来控制生料成分。但这并不表明中小型水泥厂不懂得率值配料的重要性，相反，他们一直在研究如何通过控制CaO和Fe2O3来巧妙地控制生料的成分。
率值配料不是一个新概念。早在1987年河南硅酸盐学会的刘笃新工程师在《河南建材》上发表的《关于水泥生料配料公式研究》中就提出了率值配料的概念，1991年还出版专著《水泥生料配料的率值公式法》，详细探讨了生料反馈回调的各种方法，证明在原材料成分波动时单控制生料CaO、Fe2O3不能稳定生料三率值，进一步明确了率值配料的概念。他没有止步于揭示钙铁控制的缺陷，而是进一步研究了6种回调方法，提出了钙铁控制下保证率值合格的最佳回调方法，最大限度地避免了钙铁控制的缺陷。水泥厂目前普遍采用的回调方法实际上就是刘笃新工程师倡导的方法。 此后，率值配料的理论并没有新的突破。目前率值配料的基本假定是：要实现率值配料必须要测定出生料硅、铁、铝、钙4种化学成分。
率值配料设备的研制都基于这一基本思想。 率值配料设备的研制可追溯到上世纪70年代，当时辽宁自动化研究所在琉璃河水泥厂干法生产线上开展“生料配料自动控制系统”研究项目，该项目于1978年荣获全国科学大会奖；1981～1985年间合肥水泥研究院为日产2000吨熟料干法生产线配备了生料质量计算机控制系统；1986～1990年间，合肥水泥研究院研究了QCS生料质量自动控制系统，专门为中小型水泥厂服务，并在江西、广东分别通过省级鉴定，在全国几十家中小水泥厂推广应用；期间，天津水泥设计研究院也开展了该系统的研制工作，应用于老厂改造和新厂建设中。据报道，1987年1月中国建材研究院水泥所研制成功RCS－861生料成分自动控制系统，在首都水泥厂应用，使生料成分合格率提高了47%。近年来也有不少单位研制率值配料系统。其中武汉工业大学林宗寿教授1999年12月主持开发的生料率值控制系统知名度最高，在水泥厂广为推广应用。不太知名的还有四川大学某公司、深圳开特自动化有限公司、杭州某厂、新疆建材研究所、福建康利有限公司、辽宁某厂。 前述率值配料系统主要面向立窑水泥厂，为什么没有面向新型干法水泥厂呢？因为新型干法水泥厂在建厂设计之初就配备有率值配料控制系统，包括100多万元的X射线荧光分析仪、原料预均化堆场，以及生料空气搅拌均化库等，率值配料系统运转良好，托利多称重传感器也就没有引起大家注意。
二、水泥自动配料系统当前率值配料系统的问题
自从3年前武汉工业大学林宗寿教授在全国三十多个省、市、自治区巡回演讲以来，立窑水泥厂开始对率值配料的重要性有所了解，率值配料系统受到前所未有的重视，林教授提出的率值配料系统也在全国得到广泛应用。另外，前述其他一些单位研发的率值配料系统也在不少水泥厂得到应用。虽然所有率值配料系统都能在一段时间里运行良好，但从实际效果看，还没有一家单位能保证所有率值配料系统都能运行良好，应用失败的厂家数量也很大，装好又拆掉的厂家不在少数，这表明率值控制系统还不成熟，需要改进的地方还很多。
水泥配料系统考察一下应用率值控制系统的厂家，可发现率值系统的联网传送数据功能发挥得较好，能代替人工电话指挥生产，能进行配料方案计算，比过去人工计算方便得多，这些令水泥厂感到新鲜，但在计算机技术普及的今天，这些功能只不过是计算机技术在水泥厂的简单应用，并没有真正创新的东西，其基本理论仍然停留在刘笃新阶段。特别是有大量水泥企业安装该系统后发现越调越乱，不能正常应用。对于出现的问题，研制厂家认为责任在于水泥厂管理不善；而水泥厂自认为管理状况正常，是设备难以在短时间内大幅度升级。
正是由于众多厂家安装率值控制系统后效果不明显或使用不正常，使得率值配料系统喊得响，真正使用的并不多，这与我们首创的“立窑生料热量测定技术”的推广应用情况形成反差，后者在短短的几年里凭借其完善的设计、显著的效果和广泛的适应性而很快得到普及。 率值配料系统的症结究竟在哪里？我们认为不应责怪使用厂家，中小型水泥厂的设备及管理现状难以在短时间内发生根本的改变，这是中国的国情；相反，研究单位必须走出象牙塔，认真研究水泥厂出现的问题并找到解决办法，让技术来适应水泥厂的现状。
1. 准确监控磨机工况是保证率值配料系统成功使用的基础 率值控制系统根据出磨生料成分来反馈调节原料配比，对于零点漂移、修改控制指标这样的低难度问题当然能顺利解决，但碰到磨机工况不稳定、原材料波动大等情况，如果系统设计不完善，胡乱判断，后果就只能是越调越乱。因为配料回调的前提是出磨生料成分是入磨各原料配比的正确反映，在磨机正常工作时，配料回调工作正常；当磨机发生饱磨或空磨时，出磨生料不再反映入磨各原料的配比，这时如果仍按原来方法调节，必然越调越乱。目前在成功应用率值配料系统厂家，化验室主任都瞪大眼睛日夜观察磨机工况，一旦发现磨机工况不正常就不回调，搞得比应用率值系统前还累。所以，只有实现磨机工况准确监控，才能保证率值配料系统成功使用。
2.二氧化硅、三氧化二铝测定难、速度慢是制约当前率值配料系统效果的主要原因 配料回调的关键在于速度要快，滞后1小时几十吨不合格生料就过去了，而且如果原料成分波动大，2小时的回调周期就失去了意义。 一般认为，二氧化硅对率值影响最大，必须测定，而现有的测定方法有X射线荧光法和化学法。
水泥配料系统从实际效果看，小型X射线荧光仪对硅这样的轻元素测定结果的精密度和稳定性随原料变化而变化，达不到满意效果；而大型X射线荧光分析仪价格在100万元左右，令立窑水泥厂望机兴叹。
另一方面，经典化学分析法操作复杂、耗时，难以适应水泥生产控制的需要；即使中国建材研究院刘玉兵等人于1990年首创的二氧化硅快速测定法，也需要近30分钟左右才能完成一个样品的测定，加上取样、熔样、计算，还要花费一定的时间，要实现快速回调是不可能的。实际上水泥厂生产线较多，而控制组人员多，素质也参差不齐，工人普遍感到工作量大，结果稳定性差。
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