自動化控制在水泥工業(yè)中的應用分析

張志東

摘 要 自動化控制在從最初的單板機發(fā)展到單片機再到微型計算機和工業(yè)控制機，控制水平有了長足的發(fā)展，在水泥工業(yè)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(xiàn)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(jiān)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

中圖分類號：TQ172 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）04-0121-02

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(fā)展，其在水泥行業(yè)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(yè)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(yè)的計算機控制應用情況，國內發(fā)展相對較慢，在技術方面相對于產品開發(fā)也存在滯后，計算機在水泥行業(yè)的推廣會加速技術發(fā)展以適應需求。

水泥行業(yè)的自動化技術應用初期，主要是體現(xiàn)在自動化儀表，重點環(huán)節(jié)是生產配料，通過檢測計量與儀表控制相配合來實現(xiàn)。隨著配合預加水成球技術的發(fā)展，通過微機來實現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)督管理。

對自動控制的發(fā)展過程分析可發(fā)現(xiàn)，隨著技術的發(fā)展，控制環(huán)節(jié)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(xiàn)了對生料和配料過程的控制，后期逐步實現(xiàn)對預加水成球及立窯等工序的控制，再到全程監(jiān)控。控制的算法則是從單參數(shù)的PID控制逐步演變?yōu)槿缒：壿嬁刂频戎悄?、綜合控制。技術功能從單純的顯示和監(jiān)控演變?yōu)閷ιa過程的全面自動控制。而自動控制的范圍也發(fā)展到分析化驗、生產調度和數(shù)據(jù)管理多個方面的控制網(wǎng)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(tǒng)DCS可實現(xiàn)操作人員在總控室對全系統(tǒng)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(tǒng)進行操作。水泥企業(yè)在產業(yè)結構調整中，DCS系統(tǒng)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(tǒng)一般由管理命令系統(tǒng)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(huán)路來實現(xiàn)連接。MCS是操作人員調整參數(shù)、開停現(xiàn)場設備以及監(jiān)控工況的系統(tǒng)，其實現(xiàn)主要是通過對PCU的操作來實現(xiàn)。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(huán)路的批處理、模擬和順序，在系統(tǒng)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(xiàn)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(huán)接口模件負責PCU機柜之間的通信。EWS主要是實現(xiàn)制作畫面圖像、設計組態(tài)程序以及對PCU主模件進行管理功能和檢測系統(tǒng)參數(shù)，其組成為計算機接口單元和PC機組成。廠環(huán)通訊系統(tǒng)為雙環(huán)冗余的可靠環(huán)路通訊，是無主次封閉系統(tǒng)。廠環(huán)實現(xiàn)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(fā)展而逐步提升，加強了再現(xiàn)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(xiàn)整體最佳化，初級系統(tǒng)為集成電路來提升機械設備的效率，高級系統(tǒng)則是通過計算機的應用來實現(xiàn)智能化生產，在現(xiàn)今水泥生產中，兩類運用都較多。機電一體化系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)來完成生產過程的自動化。

3.2 生料質量控制系統(tǒng)

對于生料化學成分穩(wěn)定性的檢查收到的影響因素較多，包括人磨原料成分出現(xiàn)的波動、生料粉磨系統(tǒng)的滯后以及原料成分分析的不及時。而該控制系統(tǒng)的應用就能控制實時參數(shù)、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(tǒng)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(xiàn)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(huán)節(jié)就是煅燒，以實現(xiàn)從生料到熟料的轉變，對熟料的檢測監(jiān)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(xiàn)。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(yōu)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(jiān)控，對相關參數(shù)能隨時打印，包括平均粒徑和水泥比表面積；該技術能在監(jiān)控水泥細度的基礎上診斷粉磨系統(tǒng)的操作狀態(tài)；在監(jiān)控反饋信息的基礎上，對選粉機操作參數(shù)進行調整來提升水泥品質。國內水泥行業(yè)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(jiān)控磨機狀態(tài)。

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(tǒng)可對生產情況進行監(jiān)控，保證回轉窯筒體不出現(xiàn)耐火磚燒壞脫落。該系統(tǒng)可對窯筒體溫度進行不間斷、長時間的監(jiān)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(tǒng)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(yè)電視與比色高溫計系統(tǒng)能實現(xiàn)和生產過程控制的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，對窯內的煅燒情況進行電視監(jiān)控。國內水泥行業(yè)在引進該技術后進行二次開發(fā)而更好的使用。

4 水泥行業(yè)中Ethernet網(wǎng)絡的應用

Ethernet技術的應用更好的實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的通訊。Ethernet技術有著極高的通信速率，對于同等數(shù)據(jù)吞吐量，更高的速率則有著更低的網(wǎng)絡負荷、更小的延時以及更低幾率的網(wǎng)絡碰撞。其次，采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，通過交換機劃分網(wǎng)絡。Ethernet交換機有著存儲和轉發(fā)數(shù)據(jù)的功能，能實現(xiàn)輸入、輸出數(shù)據(jù)幀的緩沖而不出現(xiàn)碰撞，也可對數(shù)據(jù)傳輸過程進行過濾，保證在本地網(wǎng)段下進行各網(wǎng)段節(jié)點間的傳輸，這樣不會經過主干網(wǎng)而降低網(wǎng)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(fā)送時不出現(xiàn)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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