水泥生料配料過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉艾明 曾傳駿 張琬君 鄭旺

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生料配料過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉艾明 曾傳駿 張琬君 鄭旺

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生料配料過(guò)程是水泥生產(chǎn)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，生料中各種化學(xué)元素含量指標(biāo)決定了水泥產(chǎn)品質(zhì)量。水泥生料配料過(guò)程中存在著變量多、滯后性、非線性等特點(diǎn)，采用常規(guī)的配料方法會(huì)導(dǎo)致生料成品質(zhì)量不穩(wěn)定。文章根據(jù)水泥生料配料工藝存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水泥配料過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)。

水泥生料；配料過(guò)程；優(yōu)化控制

0 前言

眾所周知，水泥生產(chǎn)線中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)嚴(yán)重影響成品水泥質(zhì)量以及產(chǎn)量，從水泥工藝過(guò)程看出，水泥質(zhì)量好壞與水泥熟料休戚相關(guān)，但是熟料的好壞完全取決于水泥生料的配料配比過(guò)程，因此水泥生料配料過(guò)程尤其重要。在配料過(guò)程中采用先進(jìn)的優(yōu)化控制系統(tǒng),保證了生料配比的最優(yōu)化,配料配制出符合要求的生料成品，對(duì)于提高熟料以及成品質(zhì)量尤為重要，企業(yè)的生產(chǎn)效益和原料的利用率提高都有極大的幫助，以及降低工人的勞作強(qiáng)度、和能源節(jié)約有著重要作用。

1 優(yōu)化控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括優(yōu)化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分，優(yōu)化控制系統(tǒng)主要是對(duì)電子皮帶秤上各原料實(shí)際流量進(jìn)行控制，使各化學(xué)成分在生料成品的百分含量達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo)要求。在配料過(guò)程中不僅要符合生料的指標(biāo)，還要考慮控制生產(chǎn)成本，使生產(chǎn)成本降到最低，優(yōu)化控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)以上所有功能的關(guān)鍵。水泥生料控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。

監(jiān)控系統(tǒng)主要是用Win CC軟件來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫面，基本功能是對(duì)水泥生料配料過(guò)程中工藝參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，主要包括各種原料流量設(shè)定值、實(shí)際值參數(shù)監(jiān)測(cè)，以及生料倉(cāng)的液位狀態(tài)、原料實(shí)時(shí)在線趨勢(shì)圖、報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)控和立磨機(jī)皮帶秤電機(jī)、選粉機(jī)等設(shè)備的啟停。監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)視控制整個(gè)配料過(guò)程，使整個(gè)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確無(wú)誤的運(yùn)行。

圖1 水泥生料控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖

優(yōu)化系統(tǒng)以生料成品中化學(xué)元素含量指標(biāo)為約束條件，控制生產(chǎn)成本最低為目標(biāo)，運(yùn)用序列二次規(guī)劃法計(jì)算出各種原料的流量設(shè)定值，然后把這些原料流量設(shè)定值傳送給底層回路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，即通過(guò)控制變頻器的輸出頻率大小來(lái)控制原料皮帶秤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)原料的實(shí)際流量值跟蹤設(shè)定流量值，完成水泥生料配料過(guò)程。

控制系統(tǒng)主要包括邏輯控制和連續(xù)控制，邏輯控制主要包括對(duì)立磨機(jī)、選粉機(jī)、電子皮帶秤等設(shè)備的啟停。在邏輯控制過(guò)程中，要注意各種控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，建立設(shè)備間啟停、聯(lián)鎖等邏輯控制避免造成設(shè)備損害。連續(xù)控制主要是通過(guò)PID控制變頻器的輸出頻率來(lái)控制電子皮帶秤上各原料的實(shí)時(shí)流量值變化，PID的比例、積分、微分參數(shù)可以根據(jù)原料化學(xué)成分的改變而進(jìn)行相關(guān)整定修改，使各原料實(shí)時(shí)流量值能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地跟蹤原料的設(shè)定值。

2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)中設(shè)定的I/O地址有6個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，8個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，有10個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出，具體的I/O地址分布圖如表1所示。

水泥生料配料控制系統(tǒng)中的核心是S7-400控制器,控制系統(tǒng)平臺(tái)的程序有連續(xù)控制和邏輯控制。邏輯控制主要是各生產(chǎn)設(shè)備的啟?？刂疲饕懈鞣N原料的電子皮帶秤、喂料系統(tǒng)、立磨機(jī)、選粉機(jī)等設(shè)備的啟?？刂疲陂_(kāi)發(fā)的半實(shí)物仿真平臺(tái)中有這些設(shè)備的啟?？刂瓢粹o和狀態(tài)顯示。在監(jiān)控畫面中設(shè)備的啟停控制是通過(guò)按鈕NO/OFF來(lái)執(zhí)行完成啟停動(dòng)作，監(jiān)控畫面中的圓圈是模擬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)燈，當(dāng)設(shè)備正常工作時(shí)是綠色，灰色時(shí)設(shè)備停止工作，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)信號(hào)燈會(huì)自動(dòng)變成紅色進(jìn)行報(bào)警，此外生料倉(cāng)的液位到達(dá)上限值時(shí)也會(huì)影響各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。變頻器控制電機(jī)控制是基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)CPU的PROFIBUS-DP端口直接相連，不需要設(shè)置I/O地址。連續(xù)控制包括底層回路中各原料流量設(shè)定值和流量實(shí)際值作為PID的輸入值,經(jīng)過(guò)PID控制器對(duì)誤差調(diào)節(jié)輸出作為變頻器的輸入信號(hào)值，進(jìn)而形成一個(gè)完整的連續(xù)控制閉環(huán)回路。水泥生料配料優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

表1 I/O點(diǎn)分布

圖2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的需要在控制器上要保留冗余的模塊，文中選擇數(shù)字量輸入模塊SM321，數(shù)字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出SM332。根據(jù)SIMATIC S7-400的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及硬件的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出控制器的硬件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分為PROFIBUS、PROFIBUS-DP、執(zhí)行元件等三個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，其中上位機(jī)與控制器的通信協(xié)議是通過(guò)PROFIBUS來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和共享，在SIMATICS7-400控制器的CPU中有兩個(gè)集成的PROFIBUS-DP通信端口，分布式I/O模塊與PROFIBUS-DP主站端口采用的接口模塊IM153-1進(jìn)行連接才能通信，變頻器也可以通過(guò)PROFIBUS-DP端口與CPU進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)變頻器調(diào)速的控制。

3 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)了水泥生料配料優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括以控制器S7-400為核心的控制平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)以及硬件之間的接線，還包括各個(gè)設(shè)備的邏輯啟?？刂?。以及底層流量形成閉環(huán)回路的連續(xù)控制回路和監(jiān)控控制過(guò)程的監(jiān)控畫面，提升和改進(jìn)了水泥配料生產(chǎn)過(guò)程。