立窑生产线工艺自动化与计量

1　序言
　　近十多年来，水泥回转窑生产规模越来越大型化，回转窑生产线的检测与自动控制技术、计量技术也得到了迅速发展并趋于成熟，成功的例子很多。相比而言，由于水泥立窑受其生产工艺、投资规模、台时产量的影响，立窑的计量与自动控制技术发展相对缓慢，也走了很多弯路。在计量方面，物料计量从斗式秤、圆盘秤到失重秤，从恒速秤、间歇式皮带秤到直流、变频调速式皮带秤，从螺旋秤、冲击流量计到转子秤；水流量计量从转子流量计、涡街流量计到克里奥流量计。在自动化方面，也经历了从无到有、从极个别的二型仪表到局部的三型仪表使用，从局部的单台计算机控制到只有参数检测、很少参与控制的局域网系统，且使用的成效与运行的可靠性都很不理想，立窑自动化实际上在较长的时间内处于一种困境。
　　随着DCS系统的广泛应用与现场总线技术的飞速发展，用户对计算机控制技术的要求也不断提高。在系统的开放性方面，希望各个厂家的产品具有互操作性、互换性、可替代性、可扩充性（可增值性）和多台支持（可移植性）。在系统的功能方面，要求实现的算法更多，实现的控制目标更高，系统功能更趋综合化。在系统的自诊断功能方面，要求自诊断功能尽善尽美、准确无误。其他方面，如系统的易操作性、可靠性、低成本等要求更加苛刻。在这种情况下，水泥生产过程与生产管理呈现了这样的趋势:
　　（1）控制的自动化水平越来越高，从经典的PID调节、反馈、前馈回路控制逐步发展到批次控制、集散控制、面向对象的优化控制、人工智能的专家控制、模糊控制、自学习功能等，对单一参数、单一目标的控制逐步发展到多参数多目标控制，考虑到多种扰动的影响对其进行校正、补偿，算法和知识库的建立等越来越复杂，越来越要做大量细致地工作，并显得尤为重要。
　　（2）生料配料、水泥配料和窑、磨、破碎等对象优化控制、自适应控制或人工智能专家系统，要求通过计算机集散控制系统自身实现，即不再附加其它计算机硬件。目前采用IPC与网络通讯组成的控制系统，对系统的支撑软件的要求已不仅仅是其功能多么强大、内容多么丰富，而是对其具有不同对象的用户再开发能力的需求日渐重要。系统软件如能支持多种流行的高级语言，用户根据各个特殊控制对象的不同要求能实现自己的控制策略，那将对行业的针对性的软件开发、对系统内容丰富与软件的完善都提供了重要的手段。
　　（3）现场智能化仪表普遍使用。
　　（4）数字化的直流调速、变频控制器、软启动装置、开关元器件等将迅速得到广泛应用。
　　（5）人工的干预越来越少，操作的点越来越集中，操作方式越来越软件化。
　　（6）控制系统的功能越来越向综合性发展，CRT的作用越来越强。
　　（7）数字信号越来越深入现场，控制将进一步分散，故障点的影响面将越来越小，控制系统的投资将大幅度下降。
　　（8）企业管理信息系统（MIS）、企业资源规划（ERP）等信息化管理技术已在一些先进的水泥企业成功应用，企业经营管理信息化与生产过程控制一体化也正在得到迅速发展，电子商务也正在为改变企业的经营、管理模式发挥其越来越大的作用。
　　近几年来，水泥立窑工艺也发生了较大的变化，比如大磨群窑工艺，大径窑的台时产量也有了较大幅度的提高，辊压磨、立磨、高产高细磨、高效选粉机和小型预均化堆场等性能优良的设备及工艺技术，已在立窑水泥企业得到广泛地应用；收尘设备的高效与耐用都给立窑开辟了广阔的前景，特别是生产的连续性将大大提高，这给自动化的应用奠定了新的基础，同时也可以借鉴回转窑厂的一些成功经验。正是要与立窑技术发展相适应，立窑生产线不能没有自动化；不能没有计算机控制系统；不能没有高效的现代的数字信息管理系统；更不能没有高可靠性的检测与计量系统。但是我们必须强调：要想使得自动化系统真正为立窑生产过程发挥应有的效用，就一定要实现对水泥生产线的全过程的控制。

2　自动化
　　(1)DCS方案
　　80年代中期以来，我国立窑水泥厂的自动化水平有了较大提高,一些自动化新技术、新产品得到广泛应用。S型数字仪表、智能仪表替代了故障率高、可靠性差的DDZ－Ⅱ型仪表，并采用了交流变频器、软起动器等新型电气传动装置。机立窑生产线自控系统模式从仪表过程控制加常规继电器起停控制过渡到局部的计算机加PLC控制，到今天的DCS控制。DCS即集散型控制系统，其特点为集中操作、分散控制。但经过多年的研究试验，目前机立窑尚不能实现完全的闭门煅烧，窑面布料与卸料的平衡操作、呲火处理、异常窑况处理等，还必须由窑面看火工手工操作。针对立窑的这一特殊性，宜采用以下三种方案：一是分散控制、分散操作的方案，即在立窑生产线各主要工段分别设置DCS控制站和操作站，各控制站和操作站只对本工段的设备起停和工艺参数进行显示、控制和操作。二是设置中央控制室，操作站集中置于中控室，另在窑面控制室设一小型操作站（如OP操作屏）,中控室内的烧成操作站与现场操作站作协调控制与监测。三是不设窑面现场操作站，全线在中央控制室操作控制，研究开发窑面智能操作机械手、智能布料机，并配套安装新型的针孔看火装置，从而实现对窑面的远程操作处理与控制。对DCS中的电源模块、系统网络采用冗余配置，变送仪表采用精度高、调整方便、通讯能力强、高可靠性的智能型仪表，全面提高检测控制系统的可靠性。
　　立窑水泥厂规模较小，投资少，因此,我们在DCS的选型上，面向价格较低的国产DCS系统和利用PLC集成的PCS系统。国产DCS系统经过多年的努力,技术上已十分成熟，且拥有完全的中文界面，便于技术人员和操作人员的掌握。而PCS系统则具有价格低廉、可靠性高的优势，如西门子公司S7系列产品。
　　DCS是生产与管理自动化综合系统，它包括了调度管理、配料控制、生产线热工参数检测控制、喂料喂煤的计量控制和设备起停联锁控制等功能。有条件的企业，可以预留通讯接口以便挂接企业管理网。对于异地建厂的集团企业或有技术单位支持的企业，可通过电话线实现远程诊断、远程管理。

　　(2)原燃料质量控制
　　对于大磨群窑工艺或生产规模较大的企业可以建立长条形小型石灰石预均化库或圆形石灰石预均化堆场，设立一个DCS现场控制站或PC站。对于长条形小型石灰石预均化库，自动控制进料皮带小车，实现往复均匀布料或定点下料，控制预均化库底卸料电振机的开停，实现搭配出料。对于圆形石灰石预均化堆场，自动控制皮带布料机和取料机以及出料拉链机的运行，实现石灰石原料的均匀布料和均匀出料，提高系统的可靠性与预均化效果。
　　采用全自动煤质分析仪或氧弹式发热量快速测定仪，自动分析进厂原煤的质量，实现准确配煤与合理搭配使用。

　　(3)生料配料及粉磨工段
　　采用DCS的生料控制站，配备QCS控制软件，加上取样器、分析仪、调速皮带秤、数字磨音测量仪和少量热工仪表构成生料质量控制系统。系统具有生料配方优化计算、配料的实时控制、磨机负荷控制、参数显示和报表打印等功能。
　　过去立窑水泥厂多使用钙铁分析仪，这种分析仪虽然价格便宜，但它只能分析CaO、Fe2O3,不能满足快速分析出水泥厂其它常用化学成分的需要，也不利于充分发挥QCS的控制优势，实现三个率值的控制。因此，建议采用小型多元素分析仪，如牛津的Lab－X3000和飞利浦的Minimate，其中飞利浦的小型分析仪价格较牛津的低些，更为适合立窑水泥厂。采用QCS配料控制系统,在原燃材料化学成分与水分满足一定条件下,入窑生料三个率值在原有基础上可提高15％～20％。
　　对球磨机采用电耳检测磨音输入计算机，由计算机自动控制入磨物料的总量，实现磨机负荷控制，保证球磨机稳产高产。对立磨系统检测磨机进出口压差信号输入计算机，由计算机自动控制入磨物料的总量，控制立磨负荷；立磨系统出磨风温稳定控制，立磨系统振动检测及控制。对辊压磨系统检测温度、压力和辊缝等信号，由PLC自动控制辊压磨运行；检测入料仓的料重，稳定磨机循环量，自动控制辊压磨系统负荷。
　　采用小型PLC控制系统，自动控制生料均化库的分区循环吹风，实现生料的搅拌均化，提高入磨生料的合格率。

　　(4)烧成工段
　　设置DCS烧成站。自动检测机立窑热工参数，自动控制预加水成球，自动检测和纠正立窑偏火。动态显示工艺流程图、趋势图、棒图、偏火画面和报警图。
　　主要检测参数：烧成带温度、废气温度、入窑风压、入窑风量、入窑生料量、成球加水量、转速、位置、烟气中CO含量等。
　　主要控制参数：机立窑卸料电机转速、腰风阀门开度、生料喂料电机转速、加水调节阀门开度、罗茨风机放风阀门开度或转速（采用变频调速）。
　　DCS自动调节入窑喂料量，自动调节水流量，从而实现料水跟踪控制。
　　值得注意的是：立窑烧成系统的控制要想取得突破性进展，必须做好三件事：一是选择好入窑生料和水的计量检测装置；二是选择优质的新型电动调节阀；三是尽快开发出窑面智能操作机械手、智能布料机，并配套安装新型的针孔看火装置。

　　(5)水泥磨工段
　　设立DCS控制站，自动检测磨机运行参数，自动控制入磨物料配比，自动控制磨机负荷。动态显示工艺流程图、趋势图、配料控制画面和报警图。
　　主要检测参数：磨音、各调速皮带秤转速、瞬时流量、磨机系统工艺参数、入磨物料化学成分。
　　主要控制参数：入磨的喂料量、各物料成分的配比、工艺管道阀门开度、转速等。

　　(6)变电所监测控制系统
　　自动检测变电所高低压系统运行参数，对总降或现场的高压柜采用微机综合保护装置，取代传统的继电器保护方式，提供完善的保护性能，保证参数设定方便，动作灵敏准确，并可与DCS系统进行通讯，实现中控室远程监控自动控制高低压供电系统分合闸，具有报警及故障判断功能。
　　主要监测参数：各供电回路的电流、电压、分合闸状态和报警信息。
　　主要显示控制功能：显示电流、电压、有功无功功率、有功无功电度、功率因数等，实现变压器保护、线路保护、自动选线控制和分合闸操作等。

　　(7)其他检测与控制新技术
　　采用超声波式或雷达式料位计连续检测原料库、生料库、熟料库和水泥库等大型圆库的料位，将料位信号输入计算机系统，为生产控制及生产管理提供准确的库存数据。
　　采用工业电视系统在中控室远距离监视生产线上设备的运行状况，便于及时发现问题及时处理。
　　对单管、双管螺运机和立窑塔篦子等喂料卸料设备，采用变频调速技术，提高设备调速精度，稳定下料量。立窑罗茨风机等大型风机采用变频调速技术，可以显著降低设备运行电耗。
　　对低压电机采用电子式软起动器，可以根据设备的起动特性设定起动时间和起动电流倍数，改善电机起动性能，降低冲击电流，延长设备使用寿命。低压电机采用电子式电机保护器取代热继电器，电子式电机保护器可提供速断、过流和缺相等多种保护功能，保护动作灵敏准确，并具有较强的通讯功能。
　　对大型绕线电机采用液体变阻器起动和静止式进相器就地补偿，对大型鼠笼电机采用热变电阻起动和高压电容器就地补偿，可降低电机的起动电流，提高功率因数，降低运行电耗。

3　计量
　　(1)生料配料各组分的计量
　　水泥生产过程中，生料质量对熟料及水泥质量起着极其重要的作用，对于机立窑煅烧热工制度的稳定以及降低热耗也有很大影响，而配料计量设备的性能对生料质量的好坏至为关键。采用计量精度高、工作稳定的TDG－Ⅴ型调速皮带秤作为生料配料秤是实现生料质量控制的基本保证。该秤集计量与喂料为一体，秤体框架采用折变成型的箱形结构，机械结构合理，钢度大，稳定性好；称重传感器采用双连孔型高精度金属波纹管密封传感器，具有抗侧向力、抗冲击、抗振、稳定性好等特点；采取了多种防扬尘和稳定精度的技术措施。电控方面采用变频调速，速度调节精度高，工作可靠。微机控制器采用高可靠性的工业级芯片，按工业控制机标准设计，具有完善的通讯功能与故障自动检测报警功能。调速皮带秤是通过称量机构将皮带上的载荷传递给称重传感器，称重传感器输出荷重信号，皮带的速度是由测速发电机检测后输出速度信号，两种信号送至控制器中，经计算后得到实际给料流量。因此，该秤具有标定容易、可控性好、操作简单、维护方便、精度高等优点。其动态计量误差小于1％。

　　(2)入窑生料量的计量
　　建议采用新型变频转子秤作为立窑入窑生料的计量与控制。该秤由给料机与转子秤体两部分组成，给料机采用回转型、多分格、带搅拌、多层式结构，可有效地消除仓压的影响，防止冲料；多分格结构保证喂料均匀、受控性好；搅拌装置可防止物料架桥、堵塞，使物料处于松散状态，保持一定的密度。转子秤体的支撑与进出料口在同一轴线上，并与外界柔性连结。转子将物料由进料口旋转带至出料口，由于物料从进料口到出料口的输送过程中偏离支撑轴线，即对轴线产生一力矩，其力矩被称重传感器作为支反力测得，其信号与转子中物料的重量成正比。因此，转子秤喂料稳定、均匀、密封性好，计量装置灵敏度高，抗干扰能力强，计量控制范围大，小流量时仍能达到较高的计量精度，系统误差小于1％。

　　(3)预加水水量的计量
　　预加水水量的计量建议采用电容式涡街流量计或克里奥流量计。涡街流量计是通过发生体产生的旋涡，使检测元件产生微小的偏移，从而在检测元件上产生相应的电容变化，即转变成电信号。因此，它不受水质的影响，抗干扰能力强，计量液体时精度可达0.5％，无易损件，能在恶劣工况下运行。克里奥流量计是根据克里奥利力原理制成的质量流量计，它的计量精度高，抗干扰能力强，对介质工况变化的适应能力更强。

　　(4)熟料的计量
　　由于熟料温度较高，宜采用核子秤计量。

　　(5)水泥配料组分的计量
　　水泥配料组分的计量同生料的计量，采用TDG－V系列变频调速皮带秤。

　　(6)其他
　　除上述物料流量的计量外，对变电所主要配电回路和大型用电设备供电线路，采用有功与无功数字电度表计量其用电量。

摘自《中国水泥》