兩年前，Vulcan材料公司安裝了Rockwell Automation下屬PavilionTechnologies公司的Advanced Process Control (APC) 解決方案以及馬爾文儀器的實時顆粒粒度分析儀，升級了其水泥細磨流程。 這些解決方案共同改變了設備的運行，帶來了重大經濟收益，尤其是在能源消耗方面，并顯著改善了產品質量。

  2006年，Vulcan材料公司作出決定，用自動化過程監測和控制替換手工操作，升級細磨流程。 本文介紹了這一項目，研究了Pavilion Technologies公司的Cement GrindingApplication解決方案以及馬爾文儀器的Insitec細度分析儀所帶來的益處。

  Vulcan材料公司（Birmingham, Alabama, US）是美國建筑集料的領先生產商。 Vulcan公司于2007年收購了Florida Rock Industries公司，將水泥制造納入其建筑材料業務中。公司的Newberry工廠利用現代化技術生產普通水泥和砌筑水泥。 生產的最后階段需要在球磨機流程中將熟料、石膏和石灰石研磨到所需的細度。 成品水泥的細度是決定1天強度的關鍵因素，對于所服務的市場尤其重要。

  細磨流程的手動控制

  細磨流程將上游窯生產的熟料研磨至指定的表面積（布萊恩細度〉。電梯輸送機將球磨機的產物送入一個高效率分離器，根據顆粒粒度提取產品組分，粒度過大的材料被回收到球磨機中(見圖1)。在安裝自動化控制裝置前，通過手動操縱進料率、分離速度和分離器吸入量保持細磨流程的性能，因為這三個參數對于工藝特性具有很大影響。常規測量設備變量和頻繁地離線布萊恩分析可提供數據，并在此基礎上采取糾正措施。

  布萊恩測量被廣泛用于水泥行業內顆粒細度的量化。在確定整個填充床壓降的基礎上進行分析，并且只能離線執行。在Vulcan材料公司，每兩個小時進行一次采樣和相關的測量，以檢查產品質量。這些數據可用于過程控制，但顯然無法提供對于該過程的實時了解。

  意識到手動方式的限制，運營團隊決定投資于自動化控制解決方案，以優化操作，重點在于能耗和產品質量的改進。 Vulcan材料選擇了Pavilion Technologies專為優化水泥細磨流程設計的控制包。

  模型預測控制（MPC）技術

  Pavilion Cement Grinding Application解決方案的核心是一個多元的過程模型，可預測一個輸入范圍內的性能。 基于這些預測，可自動控制這些工藝變量使工藝能夠保持在一個范圍內，達到優化的目標。 目標如下：

  ·將產品質量保持在規定范圍內（布萊恩和325目）

  ·減少變異，提高運行的穩定性

  ·在受設備限制的情況下最大化新熟料的進料率。

  Vulcan Materials細磨流程的具體控制方案是通過工藝試驗進行配置的。 配置過程定義為各個單元的不同參數之間的數學關系，產生一個快速和不斷優化的精確模型。 當工廠投入使用時，模型實時運行，推動系統轉變為限制內的最佳運行點。

  反饋系統測量工藝的反應，并將實際數值與所需值相比較。 一個穩定的狀態優化器計算控制變量的正確變化，以推動控制變量達到目標。 然后，一個綜合動態控制器將這些投射到未來，為每個控制變量開發了一系列控制操作，并預測對于控制變量的影響，以同時滿足多個目標。目的是為了最大限度地減少特定的目標函數，以便預測過程輸出盡可能接近所需的參考軌跡。

  在工藝值重新讀取，第一個控制操作的效果已被觀察到后，這種優化過程隨之重復，以維持未來的預測層位期間。 這被稱為“實時滾動層位控制”，是模型預測控制的一個特點。 總之，該系統是一個綜合控制器的優化器，能夠實時計算和推動過程達到最佳位置，這個位置不斷變化，在這案例中的變動周期為30秒。 表1顯示了流程控制變量的最初狀態（安裝在線粒度分析之前）。

  Pavilion8控制器操縱研磨機的熟料進料率和分離速度，以控制產品的布萊恩值。 電梯功率用于測量分離器的進料率，通過使用相同的參數，并采用不同的研磨機排氣風扇阻尼器（用于控制通過研磨機的氣流），將其推向一個用戶定義的最高限值。 后一個變量和研磨機出口噴水會影響離開研磨機的材料的溫度，將其維持在所需的設置點。 最后一個循環通過最大限度地減少“研磨條件”—從電梯和研磨機功率變化率計算的變量來穩定系統。 如果研磨機條件偏離零，通過研磨機的空氣流和出口噴水速度的變化將使其返回到零。

  軟件平臺的一個重要特征是能夠從輸入變量預測布萊恩細度的Soft Sensor（軟傳感器）。 將預測值與實測實驗數據相比較，以使解決方案糾正偏差。 這種細化過程由系統的能力而促進，以妥善解決干擾變量：影響非直接可控的過程問題。 例如，可磨性或進入球磨機的熟料溫度的任何變化都會影響設備，引發工藝的變化。 對于這種變化將有控制響應，保持過程的控制變量正確，并且模型修正對于這種干擾具有基本的堅固性，即使這些并非專門包含在控制器中。

  自動控制穩定并提高了設備的性能，使其能夠成功運行更長的時間，同時減少了手動輸入，控制器的利用率在95％以上。 然而，手動布萊恩值變化性和操作錯誤所產生的誤差不能與實時PSD測量精度相比。 此外，內部實驗室研究結果表明，1天強度與粒度分布的相關性比布萊恩值更高。 從布萊恩值轉換為線上粒度測量似乎是合乎邏輯的下一步。

  了解水泥性能和粒度之間的相關性

  圖3顯示了質控人員在現場制作的1天強度和3至30微米之間的材料量的相關性。 使用馬爾文儀器的離線激光衍射分析儀Mastersizer 2000生成粒度數據。

  研究顯示粒度參數與早期強度密切相關。 布萊恩值的限制之一是它提供了一個樣本的單數，而不是提供粒度測量的分布。 具有不同粒度分布的兩個水泥樣品可能具有相同的布萊恩值，但由于細顆粒或過大材料的相對比例，現場的表現卻大不相同。 這結果量化了早期強度與關鍵粒度參數之間的關系，為過程控制提供更好的基礎。

  研究粒度和水泥性能之間的相關性有助于深入了解如何提高產品質量。 通過控制水泥水合作用的速度，可以影響比表面積，從而直接通過粒度影響強度，但這項研究表明，顆粒粒度也會反過來影響需水量。 在使用過程中，水泥與水和其它摻入料混合，形成具有一定稠度的水泥漿；“坍落度”(slump) 一詞用于定義流動性。 研究人員發現，控制一定的粒度參數可以減少具有“正常坍落度”的混合料所需的水量。 這是一個重要的發現，因為混合料中的水越少，早期強度就越高。

  總之，離線研究表明，基于粒度而非布萊恩值進行控制，能夠更嚴密地控制產品的性能，并穩定/降低需水量，增加給客戶帶來的好處。

  安裝實時粒度測量儀器

  基于離線研究所獲取的信息，Vulcan材料安裝了一套能夠生成實時粒度數據的激光衍射系統 — 線上Insitec粒度分析儀。 分析儀此前在其他水泥廠生產環境中的成功運行確保該應用。 Insitec的安裝快速方便，沒有出現任何問題，調試也非常簡單。 它現在已成為工廠的一個組成部分，24/7全天候可靠運行。 安裝后的系統可用性一直保持在95％以上。

  工藝流的代表性部分在分析后不斷通過樣品循環返回到生產線（見圖4）。 測量本身具有非破壞性、快速的優點，系統每秒鐘生成四個完整的粒度分布。 分析軟件有助于與設備控制平臺的集成，實現所有測量的完全自動化。 對于常規監測和控制，粒度系統提供：

  · ％小于45微米

  · ％3至30微米

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  改進控制模型，以使用這些參數而非布萊恩值測量，是實現全自動監測和控制的最后一步。 總體而言，分析儀的安裝和調試以及模型的修改需要大約五個星期的時間，對于工廠運行幾乎沒有干擾。 當完整的解決方案完成后，流程的全面優化就會變得非常簡單。

      收獲自動化控制和實時監控的益處

  綜合控制解決方案將流程推向了一個新的運行體系，與以前具有很大的不同。 隨著優化的進行，收集信息，以促進分離器運行的重要變化。 很明顯，如上所述，高負荷能夠提高分離效率，所以現在將電梯功率提升到最大。 分離器速度下降能夠以更高的進料流量提供所需的產品組分。

  工藝經濟性方面最引人注目的變化是特定的能耗減少20.3％，即每研磨一噸水泥的能源使用量（見表2）。 研磨機功率顯著降低，即使產量（進給率）高出15％以上。 由于磨球裝量減少了15％，在研磨方面也取得了益處。 產品質量數據的分析解釋了研磨過程變得更容易的原因。

  每日強度現在超出基礎水平15％，產品布萊恩值低于實施控制前10％。 更好地了解控制強度的顆粒粒度參數，加上嚴密的工藝控制，能夠使產品剛好被碾磨到滿足規范的細度。

  產品質量的提高還降低了C3S (alite) 濃度（見圖5）。提高C3S的濃度有助于提高早期強度，但會增加能源成本，因為生產所需的窯條件更為苛刻。 由于強度目標現在很容易達到，Vulcan材料降低了C 3的水平，以降低窯的運行成本。

  產品的需水量現在已經穩定，相對較低，并已經獲得了最終用戶的良好反饋。 產品質量效益在經濟方面很難量化，而節約能源則更容易估計。

  該公司計算，僅節約能源一項，兩套系統的資本投資就已完全收回，整個項目的投資回收期僅有一年。

  結論

  Vulcan材料公司已通過自動化控制和安裝實時粒度分析成功實現了水泥細磨流程的轉型。 該公司目前正在以更低的成本期間生產質量更好的水泥。 該項目的成功得益于三個關鍵因素：

  ·針對行業需求選擇并安裝了一個功能強大的模型預測控制包

  ·認識到了布萊恩值的局限性，并發現了粒度和水泥性能之間更高的相關性

  ·采用實時粒度分析作為過程控制的基礎

  通過完全自動化，優化過程以不同于項目開始之前的方式對設備進行控制。 產量更高，分離器進給率增加，研磨機功耗更低；過度研磨現在可以忽略不計。 每日強度提高了15％左右，即使該廠所采用的布萊恩細度比以前大大降低。 需水量已經穩定在較低水平，用戶反饋良好。