關(guān)于水泥廠機(jī)電設(shè)備集散控制系統(tǒng)(DCS)研究

李 錚

（河南省豫鶴同力水泥有限公司， 河南 鶴壁 458000）

0 前言

隨著水泥廠發(fā)展壓力的不斷增加，自動(dòng)化生產(chǎn)模式以其降低成本及能耗控制優(yōu)勢(shì)，在水泥生產(chǎn)行業(yè)中得到了良好普及。機(jī)電設(shè)備是水泥廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。由于水泥廠生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，且各機(jī)電設(shè)備間的關(guān)聯(lián)性水平較高，為機(jī)電設(shè)備的管理帶來(lái)一定困難，而引入集散控制系統(tǒng)則可有效改善上述狀況。因此，分析水泥廠機(jī)電設(shè)備集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的必要性。

1 水泥廠主要機(jī)電設(shè)備

水泥廠的常見機(jī)電設(shè)備種類主要包含：

（一）篦冷機(jī)設(shè)備

篦冷機(jī)設(shè)備主要由空氣炮、供風(fēng)系統(tǒng)、篦床等要素構(gòu)成。在水泥廠生產(chǎn)中，篦冷機(jī)設(shè)備的作用主要為：利用其構(gòu)成要素——冷卻風(fēng)機(jī)分別向各室進(jìn)行鼓風(fēng)，借助對(duì)流熱交換原理促使各室熟料溫度快速下降，進(jìn)而滿足后續(xù)生產(chǎn)要求。作為水泥煅燒生產(chǎn)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，篦冷機(jī)的運(yùn)行狀況直接影響熟料冷卻處理質(zhì)量。

（二）懸浮預(yù)熱器分解爐設(shè)備

懸浮預(yù)熱器分解爐是由旋風(fēng)預(yù)熱器、分解爐構(gòu)成的一種整體性機(jī)電設(shè)備。其中，預(yù)熱器的功能主要包含促進(jìn)熱交換、窯尾收塵等。不同水泥廠預(yù)熱器的旋風(fēng)筒數(shù)量各不相同。以目前水泥廠常見的旋風(fēng)窯外預(yù)熱分解工藝為例，該預(yù)熱器是由 5個(gè)不同級(jí)別的旋風(fēng)筒組成的。而分解爐設(shè)備的功能則為：傳輸煤粉，促使其與生料混合，發(fā)生分解反應(yīng)。這一機(jī)電設(shè)備是水泥廠生產(chǎn)工藝的核心所在。

2 水泥廠機(jī)電設(shè)備集散控制系統(tǒng)分析

這里主要從以下幾方面入手，對(duì)水泥廠機(jī)電設(shè)備集散控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究：

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面

水泥廠機(jī)電設(shè)備集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是影響集散控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮水泥廠機(jī)電設(shè)備集散性管理的基本需求。本研究將水泥廠機(jī)電設(shè)備的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置為由現(xiàn)場(chǎng)控制站、主控室等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安裝方式采用集中安裝方式[1]。具體而言，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站均由現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜、輸入模塊、輸出模塊及主控模塊等構(gòu)成，上述要素均被排列于相同的電氣機(jī)柜內(nèi)。而機(jī)柜數(shù)量的設(shè)置則需要結(jié)合水電廠整體規(guī)模及機(jī)電設(shè)備數(shù)量等信息完成。

（二）控制范圍及分站處理方面

在引入集散控制系統(tǒng)之前，應(yīng)對(duì)DCS系統(tǒng)的控制范圍進(jìn)行預(yù)先劃定[2]。參照水泥廠機(jī)電設(shè)備的管控要求，可將其控制范圍設(shè)定為：負(fù)責(zé)窯尾預(yù)熱器、煤磨等生產(chǎn)工藝的監(jiān)測(cè)；水泥廠原料堆場(chǎng)及水泥成品等車間各類用電設(shè)備的參數(shù)監(jiān)測(cè)（包含順序控制參數(shù)、順序邏輯控制參數(shù)等）。

集散控制系統(tǒng)的分站是保障DCS系統(tǒng)管控功能發(fā)揮的基本因素[3]。參照水電廠機(jī)電設(shè)備的復(fù)雜性監(jiān)管要求，本研究將其分站處理模式設(shè)置為：第一，原料控制分站。該分站的作用包含監(jiān)控水泥廠相關(guān)水泥生產(chǎn)原料的傳輸、破碎化處理及分配等工序，并負(fù)責(zé)監(jiān)控上述工序中涉及的相關(guān)工藝參數(shù)是否合理。第二，粉磨控制分站。DCS系統(tǒng)中，這一分站的功能主要包含水泥生產(chǎn)原料配比、生產(chǎn)廢棄物處理等工序中所涉及各類參數(shù)、機(jī)電設(shè)備的全程監(jiān)控。第三，窯頭窯尾控制分站。在水泥廠生產(chǎn)過(guò)程中，原料燒成環(huán)節(jié)涉及的機(jī)電設(shè)備較多，主要包含預(yù)熱器、篦冷機(jī)、分解設(shè)備等。該分站則負(fù)責(zé)完成上述相關(guān)設(shè)備及參數(shù)的監(jiān)控、報(bào)警及糾正。第四，水泥粉磨控制分站。該分站的性能直接影響水泥廠所生產(chǎn)水泥產(chǎn)品的質(zhì)量，其功能為：監(jiān)控水泥配料、成品輸送等生產(chǎn)工序所涉及的設(shè)備及各類參數(shù)。與傳統(tǒng)管理方法相比，這種集散式分站處理方法的應(yīng)用可有效滿足水泥廠的高效、安全生產(chǎn)要求。

（三）煤磨設(shè)備控制方面

煤磨是水泥廠的主要設(shè)備之一。為了確保整個(gè)水泥廠的安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)水泥廠幾點(diǎn)設(shè)備DCS系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，合理確定媒磨設(shè)備的整體控制需求。本研究將基于DCS系統(tǒng)的媒磨設(shè)備控制模式設(shè)計(jì)如下：

第一，原煤倉(cāng)料位控制。于DCS系統(tǒng)中增設(shè)原煤倉(cāng)料位控制模塊，利用這一控制機(jī)制保證系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，原煤倉(cāng)料位可為實(shí)際生產(chǎn)提供穩(wěn)定的原煤流量參數(shù)支持。第二，煤磨控制。在這項(xiàng)控制工作中，集散控制系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在入口負(fù)壓、給煤及出口壓力 3方面。其中，監(jiān)控煤磨設(shè)備的入口負(fù)壓參數(shù)的意義在于：其入口負(fù)壓能與反應(yīng)風(fēng)暴類似，可通過(guò)對(duì)該參數(shù)的測(cè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)煤磨設(shè)備出口溫度參數(shù)的評(píng)估。本研究將水泥廠機(jī)電設(shè)備集散控制系統(tǒng)的煤磨入口負(fù)壓控制機(jī)制設(shè)定為：將煤磨設(shè)備的入口負(fù)壓作為外環(huán)，并將出口溫度作為內(nèi)環(huán)，以被調(diào)參數(shù)作為煤磨設(shè)備入口冷熱風(fēng)門開度。此時(shí)，制粉系統(tǒng)的通風(fēng)量、煤磨設(shè)備的出口溫度（煤粉濕度）等均可得到良好控制。而DCS系統(tǒng)的給煤調(diào)控則采用定值調(diào)節(jié)機(jī)制，水泥廠分解爐、窯頭的給煤生產(chǎn)均采用這種調(diào)節(jié)方法。二者的區(qū)別在于：前者的給煤生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行主要通過(guò)出口溫度這一要素完成。此外，水泥廠生產(chǎn)中，煤磨袋收塵出口壓力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵性體現(xiàn)為：通過(guò)對(duì)該參數(shù)的合理調(diào)節(jié)，使得煤磨袋收塵的進(jìn)口、出口均維持相對(duì)恒定的壓差參數(shù)。此時(shí)，煤磨袋的收塵效率、風(fēng)量可得到良好保障，即保障煤磨袋運(yùn)行的安全水平，有效避免水泥廠煤磨爆炸事故的發(fā)生。

（四）窯尾預(yù)熱器設(shè)備控制方面

為了充分發(fā)揮DCS系統(tǒng)的控制優(yōu)勢(shì)，滿足水泥廠機(jī)電設(shè)備的安全監(jiān)管及生產(chǎn)要求，可將其窯尾預(yù)熱器設(shè)備的控制模式設(shè)置如下：

第一，以自動(dòng)控制回路滿足窯尾的生料定量喂料需求。這一管控機(jī)制的原理為：根據(jù)水泥廠喂料預(yù)熱器中的氧氣含量、生料量配合比要求，建立自動(dòng)控制回路，以便利用該工具動(dòng)態(tài)控制二者間的關(guān)系，使得二者的比例基本維持于動(dòng)態(tài)平衡水平。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)窯尾生料量增加時(shí)，DCS系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)控制回路，自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)熱器中的氧氣量，以此確保整個(gè)生產(chǎn)工作的順利完成。第二，生料倉(cāng)位報(bào)警機(jī)制。為了保障水泥廠機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行安全，同時(shí)提高其生產(chǎn)效率，可將DCS系統(tǒng)的生料倉(cāng)位報(bào)警機(jī)制設(shè)置為：精確計(jì)算來(lái)源于水泥廠均化庫(kù)的生料在提升輸送過(guò)程中及被運(yùn)送至下料倉(cāng)時(shí)的真實(shí)生料體積參數(shù)。利用上述 2種參數(shù)合理確定生料倉(cāng)位的相關(guān)報(bào)警下限及上限，最后將這兩個(gè)限值作為生料倉(cāng)位報(bào)警機(jī)制的閾值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生料料位的安全控制。第三，空氣量監(jiān)控?？諝饬繉?duì)水泥廠回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行安全的影響主要是通過(guò)料風(fēng)比這一媒介實(shí)現(xiàn)的。為了保障水泥廠回轉(zhuǎn)窯的安全運(yùn)行，于DCS系統(tǒng)中設(shè)置空氣量自動(dòng)監(jiān)控機(jī)制：結(jié)合以往生產(chǎn)要求，預(yù)設(shè)空氣量閾值，以此作為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)助燃空氣是否短缺的參照依據(jù)。DCS系統(tǒng)在監(jiān)控生料量參數(shù)合理的前提下，精準(zhǔn)評(píng)估助燃空氣是否短缺。如發(fā)現(xiàn)空氣量接近或已達(dá)到最低閾值，可及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防電收塵內(nèi)廢氣（窯尾）爆炸事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

綜上所述，集散控制系統(tǒng)的引入可為水泥廠日常生產(chǎn)及機(jī)電設(shè)備管控提供良好的保障。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，水泥廠應(yīng)結(jié)合自身機(jī)電設(shè)備種類、預(yù)期管理要求，合理實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備與集散控制系統(tǒng)的整合，利用完善的集散管理系統(tǒng)提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)行安全水平，并為水泥生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持。