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1、水泥生产入窑生料的计量控制系统引言该入窑生料的计量控制系统是大中型干法水泥厂生产过程的关键环节之一，系统是否能实现准确地计量、及时地调节和稳定控制入窑的生料量，是稳定窑的热工制定、提高熟料产质量、降低能耗的关键因素之一，也是企业经济技术管理的科学基础。因此如何保证入窑生料在计量控制过程中的稳定性、快速的响应能力和长短期精度，是每个水泥企业所必须面对和解决的问题。、生料特性由于通过研磨后的生料在其的流动性和自然堆积角这两个方面与它在块状或散粒状态下的物理特性有着很大的不同，在水泥生产中通常物料水分增加使得其流动性变差，表现在物料趋于粘聚并有较大的附着性，水分越大其附着性越强，流动性越差；而干燥或
2、伴有气流的粉状物料的流动性极强，表现为物料趋于自溢，含气量越大，其流动性越强。在入窑生料系统中，一般都有一个过程（称重）生料仓作为系统的一个过渡环节，对入窑生料的计量控制往往直接串级在这个过渡环节之后，因此不仅从计量控制上而且从工艺流程的要求上，都要求保证过程仓内粉体物料的能够顺利卸料。然而经过研磨后的生料粉体，在常态下带由一定的附着性，加之生料仓储库容较大，表现为过程仓储时间较长，也就是实压时间常数较大，一般来说其流动性能较差，在实际中经常采用库侧充气破拱和库底充气助卸结合的方式，来保证仓内物料的顺利卸料，但过程仓内生料存储的多少、充气量的大小和气流的速度对其的流动性影响都是非常之大的，在一
3、些气源变化频繁的场合，有些传统的计量控制设备通常会产生波动，严重时会出现振荡以至于无法工作，这就相应对入窑生料的计量控制系统提出了较高的要求。、生料系统的几种应用方式生料计量控制系统发展至今其系统组成主要有如下几种方式，如图1.1，1.2，1.3所示，以及在此基础上演变出众多组合的其它方式。不管何种方式，系统主要由过程称重仓、（预）给料部分（调速螺旋喂料机或调速分格轮或电动调节阀等）、计量部分（流量计或皮带秤）及电气控制部分组成。2.1带位置控制预给料装置（V型）位置控制预给料装置为：电动流量调节阀，气动流量截止阀。此种方式在我国的水泥工业中应用广泛，其大多的控制方式是根据计量部分（流量计或皮
4、带秤）检测出粉体物料的瞬时（或平均）流量与设定流量的偏差通过PID或其变种算法来调节电动流量阀，使物料的流量与设定值保持一致。然而由于此类调节装置的锁料性能很差，生料流动的易变性往往导致调节时严重的非线性，甚至可能出现调节失控现象。从计量控制的角度上看由于调节装置与计量装置的分离，造成流量计测量出的偏差在调节时物理上的时滞，并且如果物料流动性由于外部因素的干扰而产生变化时，其滞后时间往往亦将发生变化，使得系统在调节时除了考虑调节装置非线性，还将考虑它的时变性。图1.1带位置控制预给料装置（V型）2.2带速度控制预给料装置（S型）速度控制预给料装置主要指螺旋喂料机、叶轮给料机等。由于设备本身的加
5、工精度造成它的线性度不是很好，如果此种方式下采用流量计或皮带秤是恒速的，则系统是单回路调节，采用皮带秤的计量方式精度要比采用流量计的计量方式高，但皮带秤方式下如果密封不好时，对环境影响较大，甚至出现溢料。如果皮带秤是调速的，则在软件的控制下系统可实现双回路闭环调节，即前级采用调速螺旋喂料机或调速分格轮等作为预给料的粗调环节，串级一个皮带秤定量计量的精调环节。这种情况下，预给料部分仅作为定性的粗调环节，因此对预给料机的线性度要求就比较宽松，在双回路闭环软件的配合下系统可以抑制预给料环节的非线性和时滞特性，粉体计量控制系统的精度指标和快速响应等指标能得到一定的改善，当然软件配合不当，也可能造成系统
6、振荡或超调。由上可知，采取适当的手段可以改善设备的非线性对系统计量的影响，但它无法抑制仓内生料存储的多少、仓充气量的大小和气流的速度对其的流动性影响等诸多外界因素的影响。图1.2带速度控制预给料装置（S型）2.3带线性控制预给料装置（L型）线性控制预给料装置主要指水平星轮式转子喂料机等。它采用多层多分格式结构，密封性能好，能有效的抑制仓内变化对其的流动性的影响，一般分为四层，第一层是承压部，在受料的同时减少仓压对下级的影响；第二层是打散部，使物料通过这部分后不受仓压变化的影响，同时抑制粉状物体的自流动；第三层是均压部，使物料在这一层保持密度相对稳定；第四层是计量部，粉体物料的运动由这层密封的分
7、隔转子的转速来决定，通过调整分隔转子的转速来决定喂料量的大小（即容积式计量），由此可以看出在保证物料容重一定时，喂料量与这个转子的转速成线性关系。在此基础上再串级一个计量环节，构成一个闭环调节系统，使计量与控制在输出时合二为一，解决了系统线性化问题，使入窑生料在计量控制过程中的稳定性、快速的响应能力和长短期精度得到了改善，且仓的扰动等外界因素的对它影响很小。但这种方式，在生产大型化时由于种种原因遇到一定的阻力，目前多应用在生料喂料量60t/h以下的场合。图1.3带线性控制预给料装置（L型）、生料的计量控制调节软件就是控制理论的实现，生料的计量控制体现了控制理论发展。最初水泥工业生产自动化程度还
8、不是很高的时候，生料的控制往往是开环设定，不检测反馈值，根本谈不上计量，随着生产自动化程度的提高，出现了类似上述方式1的单回路调节，控制软件相应采用经典的PID（比例-积分-微分）调节，它作为最早的实用化的控制方法已有50年的历史，由于其控制方法简单易懂，使用中不需精确的系统模型而成为工业控制中应用最为广泛的一种控制方法。但是这种控制方法很难有效抑制系统的扰动，特别是非线性、滞后、时变、阶跃等扰动。伴随着对传统的计量控制设备进行改进，现代控制理论的发展为解决以上复杂或特定过程提供了一些有效的控制方法，如模糊控制、前馈控制、预测控制、自适应控制、鲁棒控制等。在实际应用中，针对不同的系统组态（数学
9、模型），采用相应的控制策略，使得系统的调节品质得到很大的提高。下面介绍一种用于生料计量控制的采用了预置控制加前馈的自适应PID调节方式，它是双回路的闭环系统，在实际应用已取得了广泛的成功。首先，根据设定流量预置预给机的输出，实现初步预给料，再通过设定荷重与检测荷重的差值来调节预给机，同时对预给机的调节加约束条件，保证皮带秤上物料的负荷维持在设定的相对水平，从而实现稳定喂料；通过设定流量与检测流量的差值来调节皮带秤，从而实现精确计量软件框图如下：图2控制软件示意图SV1流量设定值SV2荷重设定值PV1流量反馈值PV2荷重检测值OUT1皮带秤输出OUT2预给料机输出其中流量差值e1(t)、流量差值
10、变化率e1(t)及荷重差值变化率e2(t)决定流量环的自适应PID，荷重差值变化率的引入有抑制系统对于流量环的扰动；荷重差值e2(t)、荷重差值变化率e2(t)及皮带秤输出的变化率n(t)决定荷重环的自适应PID，荷重差值变化率及皮带秤输出的变化率的引入相当于对预给料机加了前馈，从而能有效抑制系统扰动特别是预给料部分执行机构的非线性和生料流态改变导致的下料扰动。、结束语入窑生料的计量控制是一个系统工程，它不仅要靠调节装置的改善和控制软件的优化来不断提高系统的调节品质，同时它还跟系统工艺有密不可分的联系，只有从系统工程的角度出发，才能很好地解决这一问题，满足现代水泥工业自动化大生产的要求。以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。,.Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.NurfrdenpersnlichenfrStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourltudeetlarechercheuniquementdesfinspersonnelles;pasdesfinscommerciales.
