基于自動化實驗室的水泥質量控制系統

陳月紅 張 偉

（丹東東方測控技術股份有限公司， 遼寧 丹東 118002）

0 引言

智能制造已成為全球工業發展的趨勢，智能制造裝備產業受到了國家高度重視。在水泥行業中，智能質量控制建設是國內外各大水泥廠發展建設的趨勢，其中生產過程自動化是非常重要的部分。

水泥廠的質量控制離不開配料控制與取樣化驗，如何實現取樣、化驗過程的自動化，實現智能配料控制，是水泥質量控制工作的重點。目前水泥廠逐漸取代了傳統的人工取樣、定時化驗及傳統配料的方式，逐漸向自動取樣、送樣和智能配料的方向發展，傳統制造逐漸向智能制造轉型，為打造智能水泥工廠提供了科學、有力的保障。

1 傳統生產方式

水泥的生產工藝流程主要為“兩磨一燒”，即把水泥配料過程中的各種原材料磨成合乎粒度要求的生料成品，配置出公司要求的配比生料成品，然后把生料成品放入回轉窯燒至熔融狀態的熟料，再將石膏加入熟料中磨成最終的成品水泥[1]。這個工藝流程的工序之間連續性很強，各環節之間環環相扣，無論哪個環節都會影響最終成品的質量，并且生產情況也是瞬息萬變，生產所需的原材料含量可能存在誤差，所以在生產出現波動時，如果不及時調整可能造成無法挽回的影響。

在我國水泥生產企業中，多數采用傳統的生產控制方式，工藝流程是人工到生產現場定時取樣，再送至廠區化驗室，化驗后將結果反饋至生產管理者，如果化驗結果與生產指標不區匹配，需要對生產設定指標及原料配比進行調整。原則上是取樣化驗周期盡量小，但現實生產中化驗室工作任務較重，時常無法按時完成化驗任務，所以不得不減少化驗頻次。對于取樣過程存在很多誤差，物料自身質量的差異分布是隨機的，為保證所取樣品有足夠的代表性，必須遵循多點、隨機、等量的取樣原則進行取樣，實際生產工作中很難按檢驗要求標準實施[2]。所以選擇合理的、實時性強的自動化質量控制方法非常重要，盡量減少人工參與，實現自動取樣、送樣及化驗勢在必行。

2 發展過程

上世紀50年代開始，在一些發達國家中，水泥在線質量檢測技術已逐漸開始應用。目前國外一些領先的企業除了應用較先進的生產設備，另外在自動控制方面也應用了先進的方法，自動化程度較高。

我國一些研究機構和自動化公司將水泥質量控制作為一個課題進行了研究，目標是實現水泥生產過程的自動取樣、輸送與化驗，盡量減少人工參與，實現工藝流程的自動化與智能化，加快生產過程中的檢測與反饋，在生產出現波動時能夠快速作出調整。

對于生產配料環節，大多數水泥廠已引進DCS控制系統，對生產進行集中控制，在一定程度上提高了生產效率，提升了水泥配料的自動化水平，但是大多數操作員仍依據人工經驗調整生產，并且DCS控制系統配料的依據是化驗室反饋的化驗數據，低效率的化驗環節仍是自動化配料的瓶頸。

3 水泥質量控制系統的總體控制方案

影響水泥成品質量波動的因素很多，原材料成分的波動是最主要的因素。按常理來說，原料成分都是有一定標準的，應該非常穩定，但實際情況是原料成分長周期穩定，短周期內仍會出現波動。在進場時，水泥廠會對其進行采樣檢測，但采樣有隨機性、片面性，采樣結果完全不能代表整個料堆，因此會出現混料后成分波動的情況。所以要提高水泥質量，加強取樣、化驗及配料管理很重要，對生產進行全面智能管控。

（1）對入場、入堆的原料進行精準化管理，掌控倉內原料成分，建立堆場質量數據庫。可采用中子活化多元素分析儀對入場的石灰石、煤質等進行成分檢測，快速給出分析結果[3]，確保了原料成分的穩定性，也監督了質量監控等工作。

（2）對出磨生料、入窯生料、出窯熟料、出磨水泥等生產環節進行自動取樣，經過自動化實驗室的自動取樣、送樣等一系列步驟，通過炮彈輸送系統自動將樣品輸送到中央實驗室進行檢測。其中，“炮彈”為取樣、送樣過程中的存放樣品裝置。

（3）中央實驗室接收到樣品后，對樣品進行制樣和化驗，可采用高精度的儀器儀表進行化驗分析。

（4）根據樣品檢測結果，自動將結果反饋到水泥質量控制系統，重新計算質量指標及優化配比，實現自動配料調整。

水泥質量控制系統的總體控制方案流程見圖1。

4 自動化實驗室的工作流程

自動化實驗室包括生料、熟料和水泥的自動取樣及發送站，中央實驗室等，含破碎和縮分系統。首先，采用自動取樣器取樣，裝入樣品罐；其次，通過氣力輸送管道將樣品罐自動輸送到中央實驗室；再次，在中央實驗室中，實現自動制樣、分析；最后，生成化驗數據后上傳至水泥質量控制系統中，為生產監控、調整配方提供了數據基礎，其工作流程見圖2。

圖2 自動化實驗室的工作流程

4.1 生料自動取樣及發送站

發送站具備接收和發送炮彈的功能，同時對來自取樣器的樣品物料進行均化處理。根據設定的取樣時間間隔，定時為炮彈裝填定量的樣品物料，然后密封，再經炮彈管道系統發送至化驗室的自動接收裝置。

4.2 水泥自動取樣及發送站

水泥自動取樣器在取到具有代表性的物料后，經過發送站內自動攪拌縮分裝置裝入“炮彈”中，經由壓縮空氣管路輸送至中央實驗室，再由中央實驗室完成對樣品的自動制樣和檢測等工作。

4.3 熟料自動取樣器及發送站

熟料自動取樣器將取到的具有代表性的物料，通過振動給料機輸送至發送站上方的破碎機進行破碎，破碎后的熟料經過發送站內自動攪拌縮分裝置裝入“炮彈”中，經由壓縮空氣管路輸送至中央實驗室，再由中央實驗室完成對樣品的自動制樣和自動檢測等工作。

4.4 中央實驗室

為實現全自動樣品處理檢測，保證檢測結果的穩定可靠，除配套的自動取樣輸送系統，另配置智能化的中央實驗室，用于生料、熟料、水泥樣品的制備、分析檢測。中央實驗室內主要包含制樣系統、機械手、研磨壓片一體機、樣品檢測系統等設備。

（1）制樣系統是一套集成的制樣系統，可滿足各類樣品處理檢測功能。

（2）機械手主要負責樣品的調度，它將樣品送入研磨壓片一體機，制成標準樣，再由機器手把標準樣片送入樣品檢測系統進行檢測。

（3）研磨壓片一體機，具備樣品接收、研磨、壓制、輸送、清潔等功能。

（4）樣品檢測系統主要是熒光儀，主要用于檢測生料、熟料和水泥的化學成份和含量。

5 水泥質量控制系統

自動化實驗室的應用縮短了檢測物料成分環節的時間，而水泥質量控制系統是對整個生產過程進行管控，根據樣品檢測結果，重新計算指標及優化配比，實現自動配料調整。

水泥質量控制系統與自動化實驗室實現了無縫銜接，一般采用OPC技術接口。OPC規范是自動化控制系統經常使用的標準協議，要求各儀表廠商發布各自的OPC服務器，提供標準協議接口，這樣任何符合OPC規范的客戶端應用程序都根據接口規范進行訪問，具有接口透明度高、集成度高等優勢[4]。

水泥質量控制系統可分別對出磨生料、出窯熟料及水泥磨進行配料控制，根據控制目標值，可以自動調整配料比例中各原料的摻入比例，使混合料指標符合質量指標設定值。

優化的原料設定配比是水泥質量控制系統中最重要的輸出項，計算過程復雜，影響因素多，計算優化配比時不僅要依據短周期內的質量指標，還需考慮長周期的原料成分、熱耗及成分等因素，不僅要監測各原料秤的設備運行狀態及反饋配比，還需參考混合料的化驗結果。水泥質量控制系統不僅對生產過程的各環節的監測，并且重點在于在生產出現波動時，系統及時進行反應控制，調整優化配比。控制過程見圖3。

圖3 水泥質量控制系統的控制條件與方法

反饋調整是水泥質量控制的重要一環，反饋數據是原料秤提供的實時流量和配比數據。隨著工業需求和技術發展，儀表系統不再是獨立運行的系統，可實現將數據遠程傳輸到管理控制數據中心，實現數據整合[5]。由于水泥生產過程中生產情況是實時變化的，僅依據化驗數據計算的優化配比是遠遠不夠的，所以水泥質量控制系統要實時監控原料秤的運行情況，在供料條件、混合料成分變化等異常情況出現時，系統將會進行及時調整。比如在原料秤出現斷料、反饋配比與設定配比出現較大差距時，系統將會向操作員提示報警，并及時進行配比補償。

6 系統優勢

與傳統的以人工經驗為主的生產模式相比，基于自動化實驗室的水泥質量控制系統大幅度提升了自動化水平，保證了生產指標的穩定，提高了質量管理水平，具體有如下優勢：

（1）減員增效：自動化實驗室是基于“有人巡視、無人值守”的原則，在取樣點、化驗室、集控系統均可實現無人值守或減人值守，減少了人力成本，創造了經濟效益。并且實現自動化后，提高了采樣頻率和化驗頻率，為配料系統調整配方提供了更多的數據支持。

（2）化驗準確及時：自動化實驗室的自動取樣環節與傳統的人工取樣相比，更快捷，無滯后，不受天氣、環境等外界因素干擾，無人工操作誤差，全系統無人參與，避免了瞞報、漏報等意外情況。

（3）提升安全性：工業生產現場條件艱苦，工作環境惡劣，采樣點灰塵大、噪音大，工人長期在此環境中工作可能對身體造成傷害，通過自動化實驗室系統的實施，將會提升工人工作的體驗感，減少安全事故的風險。

（4）誤差小：人工取樣化驗需要大量的人工參與，影響因素多誤差大，自動化實驗室需要人工參與的工作很少，大大減少了化驗結果的誤差。

（5）質量管控到位：由于自動化實驗室反饋的化驗數據及時準確，生產現場的設備數據實時接入系統，在生產出現波動時系統在第一時間作出調整與管控，保證了水泥質量的穩定，實時性強，提高了水泥質量控制的精細化水平。

7 結束語

自動化實驗室的應用有效地解決了人工取樣、送樣和制樣的難題，實現了取樣化驗自動化，為水泥質量管控提供了可靠的數據依據，通過水泥質量控制系統優化計算，使供料穩定、精準，整個工藝過程更加合理、完善，實現了降低成本，節約能源消耗，提升了水泥廠的質量管理水平。