試析自動化控制在水泥工業中的應用

邯鄲金隅太行水泥有限責任公司 056200

摘要：自動化控制在從最初的單板機發展到單片機再到微型計算機和工業控制機，控制水平有了長足的發展，在水泥工業的應用中，國內的自動化控制有一定程度的滯后。水泥生產中逐步實現了生產全過程的自動化，對生產過程中各項指標進行檢測監控，包括生料質量、游離氧化鈣、水泥細度以及水泥回轉窯筒體溫度，促進水泥質量提升。

關鍵詞：自動化；水泥；溫度

1 自動化技術的應用狀況分析

從20世紀80年代開始，立窯水泥生產中開始運用計算機技術，伴隨著該技術的不斷發展，其在水泥行業的應用也有了提升。從最開始壟斷性質的8位微處理器單板機到單片機為核心進行配料和成球控制，再到微型計算機以及工業控制機的應用，檔次都在不斷的提升，自動控制也取得了更佳的效果。相對于國外水泥行業的計算機控制應用情況，國內發展相對較慢，在技術方面相對于產品開發也存在滯后，計算機在水泥行業的推廣會加速技術發展以適應需求。

水泥行業的自動化技術應用初期，主要是體現在自動化儀表，重點環節是生產配料，通過檢測計量與儀表控制相配合來實現。隨著配合預加水成球技術的發展，通過微機來實現對立窯煅燒過程進行自動控制，相對之前的自動控制達到了一個新的高度，但真正實現立窯水泥生產的權限自動控制還是在計算機新技術的應用后，通過集散式控制方式來對生產過程進行控制和監督管理。

對自動控制的發展過程分析可發現，隨著技術的發展，控制環節增多、控制算法更高級、技術功能更充實和更全面的應用。早期的自動控制僅僅是實現了對生料和配料過程的控制，后期逐步實現對預加水成球及立窯等工序的控制，再到全程監控。控制的算法則是從單參數的PID控制逐步演變為如模糊邏輯控制等智能、綜合控制。技術功能從單純的顯示和監控演變為對生產過程的全面自動控制。而自動控制的范圍也發展到分析化驗、生產調度和數據管理多個方面的控制網絡。

2 生產過程的自動化控制

相對于單片機控制，20世紀90年代后期的可靠性更高的集散控制系統DCS可實現操作人員在總控室對全系統進行控制。工控機上的畫面顯示包括流程圖、分組控制、分組啟停、分組趨勢記錄以及報警等，通過這些畫面能了解到全廠的生產情況，對于需要了解的詳細內容頁可以通過點擊獲取，鼠標點擊就能對整個系統進行操作。水泥企業在產業結構調整中，DCS系統的應用能有效降低人工使用費用，提升設備效率而減少了成本。

集散型控制系統一般由管理命令系統MCS、過程控制單元PCU以及工程師工作站EWS三部分組成，通過廠還環路來實現連接。MCS是操作人員調整參數、開停現場設備以及監控工況的系統，其實現主要是通過對PCU的操作來實現。PCU的部件有I/O供電電源、模件供電電源、I/O從端子模件、I/O從模件以及冗余多功能處理器模件MFC等。MFC為一種增強型控制處理器，具有多環路的批處理、模擬和順序，在系統中，MFC都使用了冗余配置。I/O端子模件和從模件來間接MFC和現場設備之間的通信。模件總線負責PCU內模件之間的通信，總線接口模件和廠環接口模件負責PCU機柜之間的通信。EWS主要是實現制作畫面圖像、設計組態程序以及對PCU主模件進行管理功能和檢測系統參數，其組成為計算機接口單元和PC機組成。廠環通訊系統為雙環冗余的可靠環路通訊，是無主次封閉系統。廠環實現了MCS、EWS和PCU之間的連接以及各點的通訊。

3 檢測技術探討

水泥生產過程中的檢測隨著精密儀器、光學、粉體技術以及微電子學的發展而逐步提升，加強了再現性和可靠性，這里主要介紹下面5類。

3.1 計量裝置與機電一體化

該技術主要是為了實現整體最佳化，初級系統為集成電路來提升機械設備的效率，高級系統則是通過計算機的應用來實現智能化生產，在現今水泥生產中，兩類運用都較多。機電一體化系統通常包括五部分：機械裝置、變送器和傳感器、檢測裝置、驅動器和執行器、信息處理部分以及接口。常見的計量裝置有沖擊式流量計、電子皮帶秤、天平式定量給料器和轉子秤以及空氣輸送在線流量計等。這類裝置都是具有較高的可靠性，能對信息進行檢測和反饋到上級控制系統來完成生產過程的自動化。

3.2 生料質量控制系統

對于生料化學成分穩定性的檢查收到的影響因素較多，包括人磨原料成分出現的波動、生料粉磨系統的滯后以及原料成分分析的不及時。而該控制系統的應用就能控制實時參數、虛擬校正以及固定批量校正，以此達到對原料配比的實時調控。該系統的組成包括X射線熒光粉成分分析儀、γ射線分析儀以及通訊接口裝置，其中，γ射線分析儀主要是對原料成分進行檢測，實現超前控制。

3.3 游離氧化鈣的在線檢測

水泥生產中一個非常重要的環節就是煅燒，以實現從生料到熟料的轉變，對熟料的檢測監控主要包括單位體積密度和fcao含量。國內的檢測為離線檢測，其測定是進行取樣、粉磨和制樣后采取化學分析法或X熒光分析儀來實現。為保證熟料質量，更好的方法是在線檢測技術，在線檢測儀的應用就是對信號進行測定，通過配套軟件來對回轉窯的煅燒進行優化控制。

3.4 水泥細度的在線檢測

水泥顆粒在0.1 μm到100 μm，但決定其強度的顆粒主要集中在3 μm到30 μm，因此水泥的性能和其顆粒的粒度分布有很大關系。對于水泥細度的在線檢測主要是以下幾個方面：對水泥細度的測定為實時監控，對相關參數能隨時打印，包括平均粒徑和水泥比表面積；該技術能在監控水泥細度的基礎上診斷粉磨系統的操作狀態；在監控反饋信息的基礎上，對選粉機操作參數進行調整來提升水泥品質。國內水泥行業在使用該技術上采用激光粒度儀來進行補充分析以保證更好的監控磨機狀態。

3.5 水泥回轉窯筒體溫度檢測和保護

窯筒體溫度掃描檢測系統可對生產情況進行監控，保證回轉窯筒體不出現耐火磚燒壞脫落。該系統可對窯筒體溫度進行不間斷、長時間的監控，操作人員通過觀察其反應的窯內狀況來進行操作以提高運轉率，系統的顯示包括窯徑向和軸向的溫度曲線、溫度的最大值和最小值以及溫度分布的二、三維色相圖。工業電視與比色高溫計系統能實現和生產過程控制的系統聯網，對窯內的煅燒情況進行電視監控。國內水泥行業在引進該技術后進行二次開發而更好的使用。

4 水泥行業中Ethernet網絡的應用

Ethernet技術的應用更好的實現了現場設備的通訊。Ethernet技術有著極高的通信速率，對于同等數據吞吐量，更高的速率則有著更低的網絡負荷、更小的延時以及更低幾率的網絡碰撞。其次，采用星型網絡拓撲結構，通過交換機劃分網絡。Ethernet交換機有著存儲和轉發數據的功能，能實現輸入、輸出數據幀的緩沖而不出現碰撞，也可對數據傳輸過程進行過濾，保證在本地網段下進行各網段節點間的傳輸，這樣不會經過主干網而降低網絡負荷。而全雙工通信保證了端口間雙絞線在進行接收和發送時不出現沖突，與交換式集線器的使用減低碰撞幾率的同時又不存在沖突域，使得Ethernet通信具有更好的實時性和確定性。

參考文獻：

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