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1、水泥粉磨优化控制系统一、背景介绍对水泥粉磨系统的研究一直在不断的进行着，如何提高磨机的粉磨效率、提高水泥产品质量、使生产过程节能降耗一直是研究的重点，水泥粉磨过程的耗能巨大，尤其是耗电情况十分严重，由于操作人员对磨机的操作存在滞后性、不确定性、盲目性等缺点，导致粉磨系统的效率较低，进一步增加了粉磨系统的电耗。粉磨系统操作复杂，磨机的工况也是随着现场的干扰而不断变化的，导致现场经常出现粉磨系统的不稳定情况的发生，比如称重仓仓满溢料、球磨机饱磨、球磨机空磨、皮带秤跳停、旋风筒堵料等，如果操作员不能够及时的发现并采取相应的处理措施，就会导致粉磨系统设备的保护跳停，进而必须将整个粉磨系统停下来进行处理
2、，严重的影响了水泥的生产，对水泥的发货造成影响，从而影响了水泥厂的效益。所以在粉磨系统运行时一定要避免极端情况的发生，如果因为操作员的操作出现了停产的情况则要对相应的操作员进行处罚，责任到人。因此，如果能够对粉磨系统采用自动控制代替人工的操作，就能够避免出现极端的情况，并且能够使粉磨系统长时间处于稳定工况，在节约了电耗的同时，能够保护设备并且减少操作人员的劳动强度，具有一定的实用价值。据统计，我国水泥工业发展较快，水泥产量逐年递增，自1985年起，我国水泥产量连续26年位居世界第一位，2011年总产量达到20.6亿吨，占到世界水泥总产量的50%之多，最近5年内我国水泥年产量及年平均增长率见表1
3、.1， 2007年到2011年年平均增长率超过11%，如果通过采用自动控制系统能够将水泥的吨电耗降低1%左右，带来的经济效益是相当可观的。表1 我国水泥年产量.年份20072008200920102011年产量/亿吨13.514.516.418.720.6年平均增长率/%7.413.114.010.21、水泥粉磨系统简介在水泥的生产过程中，水泥制备的最后一个环节就是水泥的粉磨，通过水泥的粉磨环节能够将水泥熟料以及外加的原材料粉磨至适宜的粒度，使水泥的细度与比表面积达到国家标准，粉磨出的质量较好的水泥具有较大的水化面积，水化速率快，能够满足水泥浆体凝结与硬化要求。水泥粉磨系统按照工艺流程主要分为
4、三种：开路粉磨系统、闭路粉磨系统、联合粉磨系统，按照设备使用方式可以分为：辊压机-球磨机粉磨系统、球磨机粉磨系统、立磨-球磨机粉磨系统、卧式辊磨粉磨系统等系统。目前大多数水泥厂还是采用联合粉磨系统，这种粉磨系统具有产量高，能耗低的优点，但是设备投资大，操作系统复杂。在粉磨系统中，水泥球磨机是粉磨系统最重要的设备，磨机具有非线性、大滞后、强耦合等特点，所以对球磨机的控制必须要考虑到这些特点，同时磨机是一种能耗大、效率低的设备，最大限度的降低电耗、降低生产成本，是每个水泥厂进行优化改进的目标。2、水泥粉磨系统自动控制研究现状粉磨技术发展主要历经了设备的大型化阶段和粉磨技术发展两个阶段，并且预分解窑
5、系统不断向大型化方向发展，同时球磨机系统也向大型化方向发展。粉磨系统采用大型钢球磨机不但提高了粉磨的效率减少了设备的损耗，同时能够简化工艺流程，减少辅助设备，在一定程度上降低了产品成本。虽然大部分水泥企业都采用较先进的圈流磨系统，但由于开流磨具有自身的优点，仍然有较多水泥厂、粉磨站采用开流磨系统。在粉磨设备不断向大型化发展的同时，磨机内钢球、磨机衬板以及磨盘的耐磨性也在不断的提升，这就减少了更换钢球以及其他易磨损设备的频率，提高了设备的使用寿命，节省了成本。对水泥助磨剂的研究与使用也在不断的发展中，助磨剂的添加能够减少物料的结块以及减少物料对磨内钢球的黏糊程度，助磨剂重要的作用越来越受到重视。
6、如何降低磨机内物料的温度也是重要的研究内容，磨机内物料的温度过高会导致物料的黏结，降低了粉磨效率，并且使部分添加剂脱水，影响水泥的质量，降低温度可以通过向球磨机喷水的方式解决，也可以采用通风系统对磨机内物料进行冷却。除了上述发展外，水泥粉磨系统大都采用自动化喂料、仪表和计算机集散控制系统(Distribute Control System，简称DCS)控制生产过程，采用DCS进行系统的控制，整个生产过程参数，比如：风机转速、料位、喂料量、提升机电流、风压等参数以及设备运行情况均能在中控室实时的反应，操作员能够在中央控制室通过计算机实现对现场设备进行调节，一定程度上保证了粉磨系统的稳定运行。对水
7、泥厂粉磨系统进行自动化方向的改造，不断减少操作员的手动操作，提高粉磨系统的自动化程度，提升了企业竞争力的同时能够降低企业的生产成本，具有广阔的应用前景。二、粉磨系统工艺流程及控制方法1、工艺流程本控制系统研究的对象为山东水泥厂平阴线的粉磨系统，平阴水泥生产线采取的粉磨工艺为带辊压机的圈流式联合粉磨系统，系统采用了ABB公司的Control Builder F 软件进行底层的编程，现场的操作员通过上位机显示的现场设备示意图对各个粉磨系统设备参数进行操作，包括各个设备的启动停止、改变各个风机的转速、改变阀门的开度等。现场的DCS控制界面如图2所示。 图2 水泥粉磨系统上位机界面从图2可见，整个联合
8、粉磨系统生产线是非常复杂的，使用的设备和需要考虑的变量都是很多的，现场采用的传感器也很多，每一个传感器都能实时的将现场设备的情况反映到上位机的界面上，中控制的粉磨系统的操作员就能实时的了解到各个设备的运转状况，对需要进行调整的设备采取远程的控制。为了便于分析粉磨系统的工艺流程，将工艺流程图简化如图3所示，图3工艺流程简图水泥生产常用的原材料主要有：熟料、石膏、矿渣、粉煤灰、石灰石等，这些原材料按照一定的配比混合后在入磨提升机的带动下进入到V型选粉机，V型选粉机对物料进行粗选粉，细颗粒的物料被循环风机产生的风力带入到旋风筒中，较粗的物料落入到称重仓中，称重仓也叫缓冲仓，主要用来对物料进行缓冲，使
9、进入辊压机的物料能够平稳没有很大的冲击力，并且使物料在称重仓中能够充分的混合，缓冲之后物料从称重仓出来进入辊压机两辊间进行挤压，经过挤压大颗粒的物料被破碎成细小的颗粒，再次经过入磨提升机的带动进行循环。旋风筒也起到缓冲的作用，使细颗粒物料能够平稳的进入磨机中粉磨，经过磨机粉磨后物料由磨尾卸下，再通过出磨提升机带动下送至选粉机，合格的水泥直接在入库提升机的带动下进入水泥库保存，不合格的水泥则再次回到磨机内粉磨，形成了一个圈流粉磨系统。根据以上的工艺分析，可以将粉磨系统分为两个相互联系的回路，第一个回路由喂料、入磨提升机、V型选粉机、称重仓、辊压机和循环风机组成的，主要就是通过辊压机的作用对物料进
10、行一次预粉磨。第二个回路是由循环风机、旋风筒、尾卸式管球磨机、出磨提升机、选粉机组成的，通过磨机的粉磨，能够得到合格的水泥。下面根据现场的实际生产情况，说明一下粉磨系统的控制难点。(1)粉磨系统球磨机的工况经常发生变化，会出现饱磨、空磨等极端的磨况，而理想的状态是磨机处于最佳出力的正常工况，磨机的工作特性曲线如图4所示。图4 磨机的工作特性曲线水泥球磨机运行特性曲线如图4所示，图中包括磨机的功率特性、出力特性、音频特性等。将图划分为三个区域，当磨机工作在I区域时，磨机粉磨功率会根据磨内物料的增多而增大，效率逐渐增大，但此时磨机内的物料过少，磨机内钢球之间的无效碰撞增加，浪费了能量和电能，磨机内
11、的物料容易产生过粉磨现象，磨机易出现空磨，应该避免这种工况。磨机工作在II区域时，磨机处于正常工况，磨内负荷较理想，磨机工作在此区域时效率最高，粉磨效果最好，操作员应该将磨机的工况控制在此区域。磨机处在III区域时，磨机内物料量过多，物料得不到充分的粉磨，导致选粉机的回料量增大，进而导致磨机内的物料继续增多，磨机极易出现饱磨状况，影响了水泥的质量与粒度，操作人员应该避免磨机出现这种工况。通过对磨机工况的分析可见磨机的工况较多，对磨机进行有效的控制就要考虑到磨机可能处于的各种工况，并且避免极端工况的发生，这是进行自动控制的难点之一。(2)现场生产的水泥经常需要转产，平阴粉磨线共生产五种型号的水泥
12、：复合32.5水泥(PC32.5)、普通32.5水泥(PO32.5)、普通42.5水泥(PO42.5)、低碱42.5水泥、普通52.5水泥(PO525)，其中PO32.5的水泥发货量最大，其次为PC42.5水泥，发货量最少的为PC52.5，所以根据发货量的不同，调度需要根据水泥库中的库存安排中控室操作员进行转产操作，现场经常转产，尤其在是发货旺季，水泥库中水泥库存较少，水泥需要通过转产来调节发货，以达到一定的供需平衡。 转产主要包括：32.5转普通42.5，普通42.5转32.5，普通42.5转低碱42.5。水泥转产的时候，要调节各种原材料的配比，改变喂料量，调节收尘风机，调节选粉机，这一系列
13、的改动需要在1-2分钟之内完成，短时间内粉磨系统产生了大波动，称重仓仓重开始迅速变化，出磨提升机电流也大幅度波动，所以如何对转产进行有效的控制是实现粉磨系统自动控制的难点之一。(3)天气以及环境的变化，相对于其他月份，7、8月份处于雨季，雨季空气湿度较大，会对原材料的含水量产生较大影响，导致原材料的易磨性改变，此时工况变化较剧烈，对水泥的质量和产量都有较大影响。除了空气湿度的影响外，温度的变化也对磨机的控制有着重要的影响，环境温度较高的时候，磨机内物料温度高，物料水分挥发的快，易磨性好，但是如果温度超过95以上，会导致部分物料的遇热分解，对水泥成品的质量产生影响，所以磨机内温度不能过高，相反如
14、果环境温度过低，则会导致物料易磨性变差，影响磨机的工况。这个因素在进行控制器的设计中也要考虑到。2、控制方法本控制系统以山东水泥厂平阴线的联合粉磨系统为研究对象，经过在水泥生产现场的长时间的实地考察同时与现场的操作人员长期的讨论研究后，总结该条水泥生产线控制的难点与需要解决的问题，得出了整个粉磨系统的建模与控制方案。由于获得系统相对准确的模型是对系统进行有效控制的关键，所以要采取不同的方法计算系统的模型，比较分析后才能得出最佳的获取模型的方法。根据从现场获取的大量的设备运行数据，从这些数据中找到最能体现系统运行状况的相关变量，再根据不断的仿真比较，采取加权最小二乘方法获取系统模型，此模型精度较
15、高，可以作为控制用模型。将获取到的系统较精确的模型用于预测控制，预测控制器采用动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control，即DMC)算法，控制器的输入为出磨提升机电流，输出为循环风机的转速，预测控制是一个不断滚动优化的过程，每过一个控制周期都会计算出一个风机的转速，经过现场的不断试验，发现随着时间的延长，粉磨系统的模型精度会降低，这与现场的干扰有关，为了弥补模型的精度避免出现模型失配的情况，采用模型的在线计算与模型在线更新，确保每个控制周期的模型精度。所有的模型计算以及预测控制算法都采用C+语言编程，部分算法用到了Matlab混编技术，调试封装好的程序通过OPC接口技术与现场的DCS控制系统连接，实现了对设备的自动控制。经过现场的运行发现，只采用预测控制器不能很好的控制称重仓-辊压机回路，称重仓料位大幅度的波动不利于磨机内负荷的稳定，经过分析与实验，采用模糊控制器实现对称重仓料位的控制，称重仓料位及料位的变化率为模糊控制器的输入，循环风机转速为模糊控制器的输出，将计算出来的转速结合即为最终的实际控制输出。三、优化控制系统采用的OPC接口控制系统通过OPC接口实现与DCS控制系统的连接，实现软件对现场变量的读写操作，使现场设备实现自动控制，并且取得了一定的控制效果。OPC采用面向对象的设计方法，将应用程序封装成一个一个
