1 系統(tǒng)概況

70年代水泥研究院遼寧自動化所在琉璃河水泥廠干法生產線上開展的“生料配料自動控制系統(tǒng)”研究項目,于1978年通過了部級鑒定,并榮獲全國科技大會獎。六五期間,我院在消化冀東、寧國等國外引進技術的基礎上,根據國家下達的任務,進行為我國自行設計的2000t/d熟料干法工藝線配備生料質量計算機控制系統(tǒng)的開發(fā)研究。七五期間,為解決我國中小水泥廠生料制備中的質量問題,我院成立了QCS生料質量自動控制系統(tǒng)研究項目課題組,專門從事中、小水泥廠的生料質量自動控制研究與試驗工作。其成果分別在江西、廣東通過省級鑒定。

目前QCS系統(tǒng)已經推廣到廣東、福建、海南、安徽、湖南、湖北、吉林、四川、江西、青海、黑龍江、廣西等省、市、自治區(qū)幾十條生產線上,在不同的工藝、原料條件下取得了較滿意的經濟效益和社會效益。在推廣成果的同時,我們重點抓了成果的繼續(xù)開發(fā)和完善工作,使得該系統(tǒng)不斷完善、充實、日趨成熟。

2 控制原理

從附圖可知,計算機在輸入原料石灰石、粘土、鐵粉、礦化劑等的化學成分及煤的工業(yè)分析數據、原料水分數據的條件下,再輸入化驗室的配方要求以后,自動進行配方計算,用線性規(guī)劃法求得石灰石、粘土、鐵粉等原料的最佳配比,得到生料各種化學成分的控制目標值。在生產過程中,每隔一定的時間取一次生料樣(一般為1h平均樣),壓片機將具有代表性的生料樣制片后,送入分析儀進行分析,得到分析結果自動(或通過鍵盤手動)進入控制機內,這時,控制機將把要求的控制目標值參數與實測值參數進行比較,然后進入配料調節(jié)算法軟件包,該軟件包輸出新的下料配比。在磨機負荷控制系統(tǒng)中,操作人員根據當時的磨機特性設定電耳的控制分貝數,在一定的控制周期內(一般5～20min),控制機實測到具有代表性的電耳實測值后,將目標值與實測值參數進行比較,然后進入負荷調節(jié)算法軟件包,該軟件包輸出新的產量增量?？刂扑惴ù_保磨機填充量穩(wěn)定在設定的磨音范圍內,不會出現因物料易磨性、水分變化導致空磨、飽磨等非正常工況現象。當控制機得到新的產量與新的下料配比后,根據乘法原則,得到各種原料的新的給定流量?？刂茩C與計量秤之間采用自適應調節(jié)方法,使通訊接口的各通道吻合。上述過程確保了生料的優(yōu)質、高產。

3 系統(tǒng)組成

QCS系統(tǒng)由下列裝備構成

3.1 檢測機構

①在線連續(xù)線切割自動取樣器;②制樣裝置;③成分分析儀;④磨音數字測量儀。

3.2 執(zhí)行機械

①計量秤;②自動給定裝置。

3.3 控制機構

①QCS—03控制機;②顯示器;③打印機;④系統(tǒng)接口。

3.4 輔助機構

①UPS不間斷電源;②交流電子穩(wěn)壓電源;③儀表盤。

4 檢測機構

4.1 分析儀

QCS系統(tǒng)根據水泥廠的規(guī)模、工藝條件、廠方要求及投資狀況分別選用:①斷續(xù)鈣、鐵分析儀;②連續(xù)鈣、鐵分析儀;③多元素分析儀。

目前中小水泥廠大部分選用了斷續(xù)鈣鐵分析儀,下面僅給出該儀器的主要技術指標:(QCS—1型分析儀)。

分析范圍:ΔCaO=5%;ΔFe2O3=3%

絕對誤差:CaO≤0.25%;Fe2O3≤0.10%

相對誤差:SCaO≤0.12%;SFe2O3≤0.05%

分析時間:64s、128s、256s任選指

指標適應:連測12次,在置信度為95%條件下。

4.2 磨音數字測量儀

磨音是一種噪音,其聲壓級約為110～120dB。選頻式聲強電耳選出磨音聲壓級級差明顯的頻段內的信號,經處理,能得到較可靠地反映磨機填充率參數的信號。主要技術指標:

測量范圍:60～140dB(分60、100、140以40dB間隔分三檔)

頻率范圍:40Hz～12kHz

輸出信號:0～10mA;0～5V兩種可任選

4.3 取樣器

基本要求:①有代表性;②縮分比合理;③結構簡單;④防止潮濕結露。

5 執(zhí)行機構

5.1 定量喂料裝置

QCS生料系統(tǒng)采用的定量喂料裝置有恒速秤、減量秤、雙懸臂秤、核子秤、調速秤等多種定量喂料秤。但根據我們的實踐經驗,認為選用調速秤較好,該秤性能穩(wěn)定,調節(jié)特性很好。主要參數如下:

系統(tǒng)動態(tài)計量誤差≤1%

系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)誤差≤1%

皮帶寬度:400～800mm(可選)

喂料方式:連續(xù)

喂料范圍:0.2～100t/h(可選)

調速范圍:Vmin∶Vmax=1∶5

5.2 移動給定器

為了增加系統(tǒng)的可靠性,我們設計了移動給定器。當工控機萬一發(fā)生故障時,通過切換開關,操作工可直接通過給定器給定各原料的配比及總產量。

6 控制機構

6.1 QCS—03工業(yè)控制機

QCS系統(tǒng)可提供的控制機有兩種:①PC總線的工業(yè)控制機;②STD總線工業(yè)控制機,兩種工業(yè)控制機都具有高可靠性、高抗干擾性、易維護性。PC總線的工業(yè)控制機主機中央處理器CPU為80286芯片,STD總線的工業(yè)控制機中央處理器CPU為V40芯片。

6.2 過程控制接口裝置

該接口裝置具有模擬量輸入(16路),模擬量輸出(16路或4路),并行口輸入32路,并行口輸出32路。

7 系統(tǒng)特點

7.1 技術特點

①軟件上吸取了國外幾家公司(日本IHI、丹麥FLS-QCX,西德POLAB及ABB-OS-CA-MLX、SINENS等)生料質量控制系統(tǒng)的優(yōu)點;②結合多年的實踐,摸索出適合我國具體國情的軟件技術;③針對每個廠不同的工藝、具體的原材料狀況采用具體的調節(jié)特性,充分達到針對性強,適用性強,效果好的目的;④硬件上(在系統(tǒng)的組態(tài)上)既考慮采用國內最先進、可靠的裝備,又能根據用戶的特殊要求,靈活組態(tài),達到相對最好的使用效果;⑤重視人材培訓。強化培訓,提高水泥廠人員素質。隨著項目的進展,分三個階段進行三次培訓。

7.2 技術參數

條件:①石灰石原料CaCO3波動絕對值≤3.5%,標準偏差S≤1.4%～2%;

②其它原料氧化物波動絕對值≤2%

③入磨綜合原料水分≤1.2%～1.6%

④生料均化庫均化系數≥6;

⑤對于連續(xù)式均化庫有效均化周期≥6～8h;

⑥取連續(xù)積樣且具有代表性。

效果:

①出磨生料化學成分合格率在原有基礎上提高20%～30%或達到60%～80%;

②出磨生料標準偏差≤0.6%～0.8%;均化系數≥2;

③出磨生料率值合格率(KH:±0.2;n、P:±0.1)達到60%～80%或在原有基礎上提高20%～30%;

④出磨生料三個率值標準偏差達:SKH≤0.02%～0.04%,SnP≤0.1%～0.2%;

⑤入窯生料三個率值合格率(范圍同③)達到70%～85%或原有基礎提高10%～15%;

⑥入窯生料三個率值標準偏差:SKH≤0.015%～0.03%,SnP≤0.05%～0.15%;

⑦磨機臺時產量在原有基礎上提高5%～20%以上。

(注:以上使用效果不是全部達到,而是根據用戶的重點要求及現場具體情況部分單項達到)。

7.3 硬件特點

①系統(tǒng)內的每一單機設備具備先進、可靠、適用性;

②保持整個系統(tǒng)設備準確度的一致性,不單純追求某一單機設備的所謂“高準確度”;

③既立足于國內的先進、成熟技術,又要考慮具體廠的實際情況。

7.4 軟件特點及功能

特點:漢字提示、圖形直觀、操作簡便,適用性強

功能:

(1)配方計算(各種組分配方計算軟件包);

(2)配料控制(各種配料算法控制軟件包);

(3)負荷控制(各種負荷過程控制軟件包);

(4)過程控制數據輸入、輸出濾波、處理;

(5)人工緊急干預(修改目標值、配比、流量等非常規(guī)操作);

(6)鍵盤處理(漢字、菜單提示);

(7)聲光報警(飽磨、斷料、卡料等異常報警);

(8)自動累計(各原料用量、總產量、均化庫生料量等);

(9)參數修改(僅供工藝技術人員使用);

(10)通訊接口量程自動校準;

(11)各種畫面、趨勢圖表;

(12)各種表格打印。

8 控制算法

如果說QCS應用軟件是QCS生料質量自動控制系統(tǒng)的關鍵技術,那么QCS應用軟件中的控制算法軟件包(又稱調節(jié)規(guī)則)就是關鍵技術的核心部分。該軟件包既吸取了國外的先進技術,又根據大量的實踐探索,總結出適合我國具體國情的適用技術。

該軟件包針對性強、適應性好,在配料及負荷調節(jié)算法上具有多變性、最優(yōu)性、對策性、模糊性、時變性等特點。上述算法完全適應不同的工廠規(guī)模,各種生產工藝線,各種原料之間的配合,各種生料均化形式及用戶的各種特殊要求。

綜上所述,在調節(jié)算法上,我們考慮了下述各種因素的影響:

(1)過程工藝技術人員擬定不同的控制質量要求(注:不同的控制質量要求可以理解為下述要求):①出磨或入窯生料化學成分合格率;②出磨或入窯化學成分波動標準偏差;③出磨或入窯生料三個率值合格率;④出磨或入窯生料三個率值波動標準偏差);

(2)磨機的動態(tài)特性;

(3)系統(tǒng)的純滯后的時間;

(4)喂料秤容量實際限制;

(5)原料的數目、化學組成及相對質量要求的積累偏差;

(6)原材料的均化水平或入磨原料化學成分波動標準偏差;

(7)生料均化庫形式,均化水平,均化周期,調整周期;

(8)取樣方式(瞬時樣、平均樣、取樣周期)。

上述影響可以用參數的形式在調試過程中隨時適當修改,以達最佳效果。

9 推廣體會

通過多年來在全國幾十條生產線對QCS系統(tǒng)的推廣應用,我們逐步體會到:要使用戶用好QCS生料質量自動控制系統(tǒng),必須達到下述五個方面要求:

(1)先進的適用技術;

(2)嚴格的現代管理;

(3)過硬的可靠設備;

(4)優(yōu)良的人員素質;

(5)完善的售后服務。

先進的適用技術意味著:確保系統(tǒng)的取樣代表性、分析準確性、控制最佳性、計量準確性、通訊準確性、系統(tǒng)準確度的一致性。

嚴格的現代管理意味著:現代化的技術裝備必須要有現代化的嚴格管理相適應。QCS系統(tǒng)要求用戶進行下述五個方面的嚴格管理:①質量意識管理;②使用狀況(效果)分析管理;③操作規(guī)程管理;④控制室規(guī)章制度管理;⑤設備日常維護管理。

過硬的可靠設備意味著:系統(tǒng)設備具有過硬的抗干擾、抗粉塵、抗振動、抗?jié)穸?、抗高溫等能力?

優(yōu)良的人員素質意味著:必須重視、反復培訓用戶的管理、技術、操作、維修人員,使上述人員在其職責范圍內達到熟練地使用QCS系統(tǒng)的要求。

完善的售后服務意味著:及時幫助用戶解決在使用后碰到的技術、設備等各方面問題,以使設備運行在最佳狀態(tài)。