多質量指標的水泥配料自動控制系統設計

吳志強 張 偉

(丹東東方測控技術股份有限公司)

水泥配料過程是水泥生產中的重要工序,其目的是將各種原料按照一定的比例混合制成水泥生料成品，其質量控制是水泥行業生熟料質量控制和系統高產優質、低耗運行的關鍵[1]，體系的確立則取決于企業采用的控制方法。水泥行業采用的控制方法經歷了三個階段，即鈣鐵分析控制、X-射線熒光分析控制和在線分析儀分析控制[2]。

(1)第一階段為鈣、鐵分析控制時期，可控制的質量指標只有Ca和Fe。20世紀70年代以前，水泥原料只有Ca、Fe兩項控制指標能通過小時快速滴定或鈣鐵儀檢測出含量，其他元素的化學分析需4 h才能報出結果，滯后非常嚴重，無法實現對Ca、Fe元素之外的質量指標控制。

(2)第二階段為X-射線熒光分析控制，可控制的質量指標主要為三率值(石灰石飽和比KH，硅酸率SM和鋁氧率IM)。20世紀80年代，X-射線熒光分析儀成功引用到生料配料，能夠快速分析Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、S等多種元素，使同時控制多種質量指標具有理論上的可能性。但由于熒光分析儀為實驗室設備，原料經生料磨磨成粉料約需要5～20 min，加上取樣、制樣與分析時間，控制周期通常為1 h，滯后依然嚴重。再加上人工估算配比誤差，控制效果非常不理想。

(3)第三階段是在線分析儀控制階段。20世紀90年代，由美國熱電公司研發的中子活化在線分析儀進入我國水泥市場，用于生料質量控制。這項技術一經投入便顯示出獨特的優勢，主要是實現了在線實時測量與計算機自動配料，測量與控制周期極短，通常為1 min，實現了前置控制，代替了X熒光分析方法的后置控制[3]，解決了控制滯后問題。

根據水泥現場復雜的原料情況和特殊工藝需求，我國很多水泥企業需要同時對很多種或所有的水泥質量指標予以控制。由于國外水泥工藝與國內水泥工藝的質量指標需求差異，國外在線分析儀配料控制系統往往只是控制一個或少數幾個主要質量指標，通常為三率值或Si、Al、Fe、Ca指標等，而對于Mg、K、Na、S等質量指標很少考慮，不能很好地滿足國內水泥企業的質量指標控制需求。為適應水泥企業對于多質量指標同時控制的需求，迫切需要一種適應性強、配料質量控制功能更完善的在線分析儀自動控制系統。

DF-5701中子活化水泥元素在線分析儀是國內企業自主研發的首款水泥在線分析儀，于2011年首次實現工業應用。經過數年的技術升級，測量性能指標達到了國際先進水平。針對我國水泥現場的多種應用需求，DF-5701在線分析儀自動控制系統不斷進行針對性和創新性設計，質量控制效果普遍優于國外產品。本文以DF-5701中子活化水泥元素在線分析儀為平臺，探討利用中子活化在線分析儀實現多種質量目標的水泥自動配料控制的可行性，提高水泥配料的自動化控制水平，解決傳統水泥配料工藝無法同時滿足多種質量目標控制的問題。

1 水泥生產工藝

1.1 生產過程

水泥生產過程可概括為生料配料、熟料煅燒、水泥粉磨3個主要階段。

(1)生料配料。石灰質原料、黏土質(硅鋁質)原料與少量鐵質、鋁質、硅質校正原料經過破碎、預均化后，按一定比例配合、磨細，并調配為成分合適、質量均勻的生料。

(2)熟料煅燒。生料計量后，送入預熱器預熱，經分解爐分解，進入窯內煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料。

(3)水泥粉磨。熟料加適量石膏后，磨細成水泥。

生料配料階段是水泥生產的最初過程，也是最關鍵環節，各種原料按照一定比例生產的出磨生料的質量好壞，直接影響出窯熟料和最終水泥質量。

1.2 配料質量指標

水泥生料各種質量指標是評價水泥生料質量好壞的依據。由于各個水泥廠的原料來源與水泥用途不盡相同，水泥配料的質量指標也有所不同。通常采用兩類質量指標：一是各元素含量，二是由各元素含量計算所得的率值系數。其中各元素含量指標主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、S等，率值系數主要有石灰石飽和比KH、水硬率HM、硅酸率SM、鋁氧率IM等。

2 自動控制系統硬件設計

自動控制系統硬件部分的主體為中子活化在線分析儀，主要由測量裝置、信號處理柜和主機組成。測量裝置為模塊化結構，不需切割皮帶，可繞皮帶安裝。運行時，皮帶從測量裝置內托槽上滑過，對流經的所有物料進行檢測。整個檢測過程不需取樣，不接觸物料，不影響皮帶運行，可每分鐘給出各元素含量分析結果。 圖1為載料皮帶從測量裝置中間滑槽穿過，信號處理柜安裝于測量裝置旁，主機安裝于主控室。

圖1 在線分析儀安裝示意

中子活化在線分析儀與自動控制單元相連接，組成自動控制系統(圖2)。以水泥生料自動控制為例，在線分析儀安裝在入磨原料皮帶機上，控制系統與各原料下料秤信號相連接，組成閉合的生料自動配料系統。在線分析儀每分鐘檢測入磨原料的化學成分(SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、S)等，將各種質量指標檢測值與質量指標目標值進行比較，通過優化計算，實時生成滿足質量指標要求的配料方案，連續調節各原料下料配比，使出磨生料各個質量指標始終保持在合理范圍內，從而保證生料質量穩定。

圖2 中子活化在線分析儀生料自動配料系統示意

3 自動控制系統軟件設計

3.1 最優化算法

最優化是一門相當廣泛的學科，討論的是決策問題的最佳選擇，構造最佳解的計算方法。隨著計算機的發展和優化計算方法的進步，規模越來越大的優化問題得到解決[4]，其中線性規劃算法是一種最常用的最優化算法。

當水泥生料進行多組分和多種質量指標同時控制時，配比計算非常復雜，人工計算配比費時、費力，且誤差較大。利用計算機強大的數據計算能力，應用線性規劃算法，可以迅速計算出最優化的配料比例。例如，利用Matlab的線性規劃工具，即可求解線性規劃問題。

3.2 多質量指標自動配料設計

3.2.1 質量指標與優先級

水泥生料質量指標的優先級別一般根據不同工藝要求進行設置。通常情況下，石灰石飽和比KH、硅酸率SM、鋁氧率IM的優先級別較高。水泥生料質量指標與優先級見表1。

表1 水泥生料質量指標與優先級

3.2.2 配料方程

建立配料方程：

HX=Q

(1)

配料方程為線性方程組形式，其中H為響應矩陣，Q為質量指標矩陣，X為各原料配料比例。H與各原料元素含量和質量指標計算公式有關，Q與質量指標的目標值有關。通過求解配料線性方程組即可求得各原料的搭配比例X(X1,X2，X3，…，XN)，N為參與配料的原料種類數目。

依據原料種類數目N和質量指標個數M，將配方方案的求解分3種情況：①質量指標的個數M≥原料種類數目N時，配料方程組無解；②質量指標的個數M=(原料種類數目N-1)時，配料方程組有且僅有一組解，即有一種配料方案；③質量指標的個數M<(原料種類數目N-1)時，配料方程組有多組解，即有多種配料方案。

針對第3種情況，當原料種類較多、出現多種配料方案時，從質量指標優先級和成本最小化角度出發，利用線性規劃算法，求出最優化的配料方案。建立目標函數：

FCOST=ΣCNXN,

(2)

式中，CN為各原料的單位成本，元/t；XN為各原料的配料比例。

由于各原料生產條件的限制，各原料配比具有上下限約束：

lb≤XN≤ub,

(3)

式中，lb和ub分別為各原料配比的下限和上限。

由式(1)、(2)、(3)，通過線性歸化算法，可以求得滿足多個質量指標的最優化的配料方案。

3.2.3 自動控制流程

在線分析儀自動控制系統的控制流程主要為：

(1)在線分析儀每分鐘檢測原料成分，得到各質量指標的實時反饋值。

(2)比較各質量指標設定值與反饋值差異，生成新的質量指標目標值。

(3)根據新的質量指標目標值和各原料的初始成分分析，通過配料方程和線性規劃計算，生成最優化的配料方案，即各原料配比。

(4)配料方案通過自動配料控制單元下達至各原料給料設備，及時調整各給料設備的流量值。

(5)原料配料比例更新后，在線分析儀重新得到下一周期的質量指標反饋值。繼續判斷反饋值與設定值差值，如果差值符合質量目標波動范圍，則維持現有配料方案，否則重新計算配料方案。

如此循環，形成自動配料閉環控制。在線分析儀水泥配料自動控制系統控制示意見圖3。

圖3 在線分析儀水泥配料自動控制示意

4 結 論

中子活化在線分析儀多質量指標水泥配料自動控制系統可同時實現多個水泥質量指標的控制要求，能夠滿足水泥現場的各種生產工藝要求，解決傳統配料方式質量控制功能不完善的問題。該系統適用于對多種原料配料質量指標的控制，原料種類不受限制，數目可達20種之多，目前水泥現場尚未出現超過20種原料配料的情況。相比傳統的3組分、4組分配料方式，具有更強的現場適應性。最小控制周期可達1 min，實現了高頻率的閉環前置控制，解決了傳統配料方式以小時為調整周期的控制嚴重滯后問題。該自動控制系統可以應用到煤質、燒結、選礦等其他工業領域的配料工藝中，特別適用于多組分、多質量指標的配料控制需求，對于提高工業自動化控制水平具有重要意義。

[1] 魏元芳,路 森.一臺在線分析儀同時控制二條線原料磨配料的改造實施[J].水泥工程,2014(5):29-32.

[2] 沈 欣,方 婉.水泥生料質量控制體系進展及γ-射線分析儀特性[J].中國水泥,2013(12):71-75.

[3] 紀 俊.生料均化鏈發展淺析[J].建材發展導向,2017(12):44-48.

[4] 袁亞湘,孫文瑜.最優化理論與算法[M].北京:科學出版社,1997.