立窯企業生產過程自動控制技術
1 立窯水泥生產過程自動控制的必要性
由于水泥立窯受其生產工藝、投資規模、臺時產量的影響，生產過程中的計量與自動控制技術發展相對緩慢，也走了很多彎路。在計量方面，物料計量從斗式秤、圓盤秤到失重秤，從恒速秤、間歇式皮帶秤到直流、變頻調速式皮帶秤，從螺旋秤、沖擊流量計到轉子秤；水流量計量從轉子流量計、渦街流量計到克里奧流量計。在自動化方面，也經歷了從無到有、從極個別的二型儀表到局部的三型儀表使用，從局部的單臺計算機控制到只有參數檢測、很少參與控制的局域網系統，且使用的成效與運行的可靠性都很不理想，立窯自動化實際上在較長的時間內處于一種困境。
隨著DCS系統的廣泛應用與現場總線技術的飛速發展，用戶對計算機控制技術的要求也不斷提高。在系統的開放性方面，希望各個廠家的產品具有互操作性、互換性、可替代性、可擴充性(可增值性)和多臺支持(可移植性)。在系統的功能方面，要求實現的算法更多，實現的控制目標更高，系統功能更趨綜合化。在系統的自診斷功能方面，要求自診斷功能盡善盡美、準確無誤。其他方面，如系統的易操作性、可靠性、低成本等要求更加苛刻。在這種情況下，水泥生產過程與生產管理呈現了這樣的趨勢：
控制的自動化水平越來越高，從經典的PID調節、反饋、前饋回路控制逐步發展到批次控制、集散控制面向對象的優化控制、人工智能的專家控制、模糊控制、自學習功能等，對單一參數、單一目標的控制逐步發展到多參數多目標控制，考慮到多種擾動的影響對其進行校正、補償，算法和知識庫的建立等越來越復雜，越來越要做大量細致地工作，并顯得尤為重要。
生料配料、水泥配料和窯、磨、破碎等對象優化控制、自適應控制或人工智能專家系統，要求通過計算機集散控制系統自身實現，即不再附加其它計算機硬件。目前采用IPC與網絡通訊組成的控制系統，對系統的支撐軟件的要求已不僅僅是其功能多么強大、內容多么豐富，而是對其具有不同對象的用戶再開發能力的需求日漸重要。系統軟件如能支持多種流行的高級語言，用戶根據各個特殊控制對象的不同要求能實現自己的控制策略，那將對行業的針對性的軟件開發、對系統內容豐富與軟件的完善都提供了重要的手段。
現場智能化儀表越來越普遍使用。
數字化的直流調速、變頻控制器、軟啟動裝置、開關元器件等將迅速得到廣泛應用。
人工的干預越來越少，操作的點越來越集中，操作方式越來越軟件化。
控制系統的功能越來越向綜合性發展，CRT的作用越來越強。
數字信號越來越深人現場，控制將進一步分散，故障點的影響面將越來越小，控制系統的投資將大幅度下降。
企業管理信息系統、企業資源規劃(ERP)等信息化管理技術已在一些先進的水泥企業成功應用，企業經營管理信息化與生產過程控制一體化，也正在得到迅速發展，電子商務也正在為改變企業的經營、管理模式發揮其越來越大的作用。
近幾年來，水泥立窯丁藝也發生了較大的變化，比如大磨群窯工藝，大直徑立窯的臺時產量也有了較大幅度的提高，輥壓磨、立磨、高產高細磨、高效選粉機和小型預均化堆場等性能優良的設備及工藝技術，已在立窯水泥企業得到廣泛地應用；收塵設備的高效與耐用都給現代立窯開辟了廣闊的前景，特別是生產的連續性將大為提高，這給自動化的應用奠定了新的基礎。同時也可以借鑒旋窯廠的一些成功經驗：要與現代立窯技術發展相適應，水泥企業不能沒有自動化；不能沒有計算機控制系統；不能沒有高效的現代的數字信息管理系統；更不能沒有高可靠性的檢測與計量系統。但是我們必須強調：要想使用使得自動化系統真正為立窯生產過程發揮應有的效用，就一定要實現對水泥生產線的全過程的控制。即從原燃材料的進廠到產成品的出廠的每一個環節、每一個工序的全過程控制，包括供應鏈管理、礦山管理等。
2 生產過程的自動控制
2．1 DCS方案
20世紀80年代中期以來，我國立窯水泥廠的自動化水平有了較大提高，一些自動化新技術、新產品得到廣泛應用：，S型數字儀表、智能儀表替代了故障率高、可靠性差的DDZ—Ⅱ型儀表；并采用了交流變頻器、軟起動器等新型電氣傳動裝置。機立窯生產線自控系統模式，從儀表過程控制加常規繼電器起停控制，過渡到局部的．計算機加PLC控制，到今天的DCS控制。DCS即集散型控制系統，其特點為集中操作、分散控制。但經過多年的研究試驗，目前機立窯尚不能實現完全的閉門煅燒，窯面布料與卸料的平衡操作、呲火處理、異常窯況處理等，還必須由窯面看火工手于操作 針對立窯的這一特殊性，宜采用以下三種方案：一是分散控制、分散操作的方案，即在立窯生產線各主要工段分別設置DCS控制站和操作站，各控制站和操作站只對本工段的設備起停和工藝參數進行顯示，控制和操作；二是設置中央控制室，操作站集中置于中控室，另在窯面控制室設一小型操作站(如OP操作屏)，中控室內的燒成操作站與現場操作站，作協調控制-與監測；三是不設窯面現場操作站，全線在中央控制室操作控制，研究開發窯面智能操作機械手、智能布料機，并配套安裝新型的針孔看火裝置，從而實現對窯面的遠程操作處理與控制。對DCS中的電源模塊、系統網絡采用冗余配置，變送儀表采用精度高、調整方便、通訊能力強、高可靠性的智能型儀表，全面提高檢測控制的可靠性。
立窯水泥廠規模較小，投資少，因此，在DCS的選型上，應面向價格較低的國產DCS系統和利用PLC集成的PCS系統—國產：DCS系統經過多年的努力，技術上已十分成熟，且擁有完全的中文界面，便于技術人員和操作人員的掌握。而PCS系統則具有價格低廉、可靠性高白勺優勢，如西六子公司S7系列產品。
DCS是生產與管理自動化綜合系統，它包括了調度管理、配料控制、生產線熱了參數檢測控制、喂料喂煤的計量控制和設備起停聯鎖控制等功能，有條件的企業，可以預留通訊接口以便掛接企業管理網：：對于異地建廠的集團企業或有技術單位支持的企業，可通過電話線實現遠程診斷、遠程管理。
2．2 原燃料質量控制
對于大磨群窯工藝或生產規模較大的企業可以建立長條形小刑石灰石預均化庫或圓形石灰石預均化堆場，設立個DCS現場控制站或PC站。對于長條形小型石灰石預均化庫，自動控制進料皮帶小車，實現往復均勻布料或定點下料，控制預均化庫底卸料電振機的開停，實現搭配出料。對于圓形石灰石預均化堆場，自動控制皮帶布料機和取料機以及出料拉鏈機的運行，實現石灰石原料的均勻布料和均勻出料，提高系統的可靠性與預均化效果。
采用全自動煤質分析儀或氧彈式發熱量快速測定儀，自動分析進廠原煤的質量，實現合理搭配使用與生料準確配熱：
2．3 生料配料及粉磨
采用DCS的生料控制站，配備QCS控制軟件，加上取樣器、分析儀、調速皮帶秤、數字磨音測量儀和少量熱工儀表構成生料質量控制系統。系統具有生料配方優化計算、配料計量秤的實時控制、磨機負荷控制、參數顯示和報表打印功能。
過去立窯水泥廠多使用鈣鐵分析儀，這種分析儀雖然價格便宜，但它只能分析CaO、Fe2O3，不能滿足快速分析其它常用化學成份的需要，也不利于充分發揮QCS的控制優勢，實現三個率值的控制：因此，建議采用小型多元素分析儀，目前X熒光分析儀已經國產化，以小型X光管為激發源的X熒光分析儀適合立窯水泥廠。采用QCS配料控制系統，在原燃材料化學成份與水分等滿足的條件下，入窯生料三個率值的合格率，在原有基礎上可提高15％～20％。
對球磨機采用電耳檢測磨音輸入計算機，由計算機自動控制入磨物料的總量，實現磨機負荷控制，消除飽磨、空磨現象，保證球磨機穩產高產。對立磨系統檢測磨機進出口壓差信號輸入汁算機，由計算機自動控制入磨物料的總量，控制立磨負荷，立磨系統㈩磨風溫穩定控制，立磨系統振動檢測及控制：對輥壓磨系統檢測溫度、壓力和輥縫等信號，由PLC自動控制輥壓磨運行，檢測入料倉的料重，穩定磨機循環量，自動控制輥壓系統負荷。
采用小型PLC控制系統，自動控制生料均化庫的分區循環供氣，實現生料的空氣攪拌均化，提高人磨生料的合格率、
2．4 熟料燒成
設置DCS燒成站。白動檢測機立窯熱工參數，自動控制預加水成球系統的料水跟蹤，自動檢測和糾正立窯偏火。動態顯示工藝流程圖、趨勢圖、棒圖、偏火畫面和報警圖。
主要檢測參數：燒成帶溫度、廢氣溫度、入窯風壓、入窯風量、入窯生料量、成球加水量、轉速、位置、煙氣中CO含量等。
主要控制參數：機立窯卸料電機轉速、腰風閥門開度、生料喂料電機轉速、加水調節閥門開度、羅茨風機放風閥門開度或轉速(采用變頻調速)。
DCS自動調節入窯喂料量，自動調節水流量，從而實現料水跟蹤控制。
值得注意的是：立窯燒成系統的控制要想取得突破性進展，必須做好三件事：一是選擇好人窯生料和水的計量檢測裝置；二是選擇優質的新型電動調節閥；三是盡快開發了窯面智能操作機械手、智能布料機，并配套安裝新型的針孔看火裝置。
2．5 水泥粉磨
設立DCS控制站，自動檢測磨機運行參數，自動控制入磨物料配比，自動控制磨機負荷。動態顯示廠藝流程圖、趨勢圖、配料控制畫面和報警圖。
主要檢測參數：磨音、各調速皮帶秤轉速、瞬時流量、磨機系統廠主參數、入磨物料化學成份。
主要控制參數：入磨的喂料量、各物料成分的配比、通風管道閥門開度、輸送設備電機轉速等。
2．6 變電所監測控制系統
自動檢測變電所高低壓系統運行參數，又寸總降或現場的高壓柜采用微機綜合保護裝置，取代傳統的繼電器保護方式，提供完善的保護性能，保證參數設定方便，動作靈敏準確，并可與DCS系統進行通訊，實現中控室遠程監控自動控制高低壓供電系統分合閘，具有報警及故障判斷功能。
主要監測參數：各供電回路的電流、電壓、分合閘狀態和報警信息。
主要顯示：控制功能：顯示電流、電壓、有功無功功率、有功無功電量、功率因數等，實現變壓器保護、線路保護、自動選線控制和分合閘操作等。
2．7 其他檢測與控制新技術
采用超聲波式或雷達式料位計連續檢測原料庫、生料庫、熟料庫和水泥庫等大型圓庫的料位，將料位信號輸入計算機系統，為生產控制及生產管理提供準確的庫存數據。
采用工業電視系統在中控室遠距離監視生產線上設備的運行狀況，便于及時發現問題及時處理。
對單管、雙管絞刀和立窯塔篦子等喂料卸料設備，采用變頻凋速技術，提高設備調速精度，穩定下料量。
對立窯羅茨風機等大型風機采用變頻調速技術，可以顯著降低設備運行電耗。
對低壓電機采用電子式軟起動器，可以根據設備的起動特性沒定起動時間和起動電流倍數，改善電機起動性能，降低沖擊電流，延長設備使用壽命。低壓電機采用電子式電機保護器取代熱繼電器，電子式電機保護器可提供速斷、過流和缺相等多種保護功能，保護動作靈敏準確，并具有較強的通訊功能。
對大型繞線電機采用液體變阻器起動和靜止式進相器就地補償，對大型鼠籠電機采用熱變電阻起動和高壓電容器就地補償，可降低電機的起動電流，提高功率因數，降低運行電耗，
3 計量環節自動控制
3．1 生料配料各組分的計量
水泥生產過程中，生料質量對熟料及水泥質量起著極其重要的作用，對于機立窯煅燒熱廠制度的穩定以及降低熱牦也有很大影響，而配料計量設備的性能對生料質量的好壞至為關鍵。采用計量精度高、于作穩定的TDG—V型調速皮帶秤作為生料配料秤是實現生料質量控制的基本保證。該秤集計量與喂料為一體，秤體框架采用折變成型的箱形結構，機械結構合理，剛度大，穩定性好；稱重傳感器采用雙連孔型高精度金屬波紋管密封傳感器，具有抗側向力、抗沖擊、抗振、穩定性好等特點；采取了多種防揚塵和穩定精度的技術措施；電控方面采用變頻調速，速度調節精度高，工作可靠；微機控制器采用高可靠性的工業級芯片，按工業控制機標準設計，具有完善的通訊功能與故障自動檢測報警功能：凋速皮帶秤是通過稱量機構將皮帶上的載荷傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器輸出荷重信號，皮帶的速度是由測速發電機檢測后輸㈩速度信號，兩種信號送至控制器中，經計算后得到實際給料流量。因此，該秤具有標定容易、可控性好、操作簡單、維護方便、精度高等優點。其動態計量誤差小于1％。
3．2 入窯生料量的計量
建議采用新型變頻轉子秤作為立窯入窯生料的計量與控制。、該秤由給料機與轉子秤體兩部分組成，給料機采用回轉型、多分格、帶攪拌、多層式結構，可有效地消除倉壓的影響，防止沖料；多分格結構保證喂料均勻、受控性好；攪拌裝置可防止物料架橋、堵塞，使物料處于松散狀態，保持一定的密度。轉子秤體的支撐與進出料口在同一軸線上，并與外界柔性連結。轉子將物料由進料口旋轉帶至出料口，由于物料從進料口到出料口的輸送過程中偏離支撐軸線，即對軸線產生一力矩，其力矩被稱重傳感器作為支反力測得，其信號與轉子中物料的重量成正比。因此，轉子秤喂料穩定、均勻、密封性好，計量裝軒靈敏度高，抗干擾能力強，計量控制范圍大，小流量時仍能達到較高計量精度。系統誤差小于1％。
3．3 預加水水量的計量
預加水水量的計量建議采用電容式渦街流量計或克里奧流量計。渦街流量計是通過發生體(成球供水)產生的旋渦，使檢測元件產生微小的偏移，從而在檢測元件上產生相應的電容變化，即轉變成電信號。因此，它不受水質的影響，抗干擾能力強，計量液體時精度可達0．5％，無易損件，能在惡劣工況下運行。克里奧流量計是根據克里奧利力原理制成的質量流量計，它的計量精度高，抗干擾能力強，對介質工況變化的適應能力更強、
3．4 熟料的計量
由于熟料溫度較高，宜采用核子秤計量。
3．5 水泥配料組分的計量
水泥配料組分的計量同生料的計量，采用TDG—V系列變頻調速皮帶秤。
3．6 散裝水泥計量
借助于IC卡片的作用，來進行散裝水泥的計量發送：IC卡片上記錄了用戶的預付費用折合為現行價格的散裝水泥噸位；IC卡控制器是接通散裝水泥發送系統的鑰匙；當IC卡片插入IC卡控制器后，本系統可以識別卡片真偽，假卡插入，不能進行工作；真卡插入，它會提示“輸入發送量”；它的主要功能包括兩個內容：一是控制散裝水泥庫的進料輸送機。當水泥滿庫以及計量發送水泥時，進料輸送機都必須停止于作，以確保安全和計量的準確性。二是控制荷重傳感器支撐的散裝水泥計量罐和水泥散裝機。發送水泥時先放下散裝伸縮管、啟動除塵系統通風機、再打開卸料閥，保證無塵裝車過程：當達到發送給定量時，自動關閉卸料閥和通風機、提起散裝伸縮管。
3．7 其它
除上述物料流量的計量外，對變電所主要配電回路和大型用電設備供電線路，采用有功與無功數字電度表計量其用電量。
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