水泥成分快速分析和配料自动化

引言 

我厂特种水泥生产原料主要由石灰石、铝钒土和部分熟料(晶种)组成，配料原则上应该根据各原料的化学成分按比例配制。但是因为技术和装备等原因，原料、生料和熟料的成分分析一直沿用传统的化学分析方法，定时取样，手工分析。根据CaCO3的滴定值，人工计算，人工下料，配料方法原始，时间滞后，不能及时精确地指导生产，致使生料碱度系数Am合格率和625号高铝水泥产品品级率低，严重制约了特种水泥生产的发展。 
　　
1999年我们采用X荧光光谱分析技术，实现了原料、生料和熟料成分的快速分析，建立了各种分析数据库，编制了水泥配料专家系统软件，建立了光谱仪、配料微机和失重秤三者之间的联网，完成了分析数据的传送、配料的自动计算和失重秤下料量的自动控制，提高了特种水泥生产控制分析和过程控制的自动化水平，满足了生产的要求。 

1　水泥生料、熟料成分的快速分析 

　　成分分析用国内较先进的X荧光光谱分析技术，仪器为国产FJ-2810G型X荧光分析仪。主要由X射线发生器、样品室、Si-Li探测器、多道能谱仪、计算机数据处理系统和压片制样装置等构成。工作原理是利用X射线激发被分析元素的原子，从而产生该元素的特征X射线，由探测器接收特征X射线而产生电源脉冲，经前置放大器、主放大器、模数转换器变成微机可接受的数字量被多道谱仪所采集、由计算机将获取的特征X射线的强度数据进行一系列的数学处理，并加以标定、拟合、校正，最后得到样品中各元素的含量。 

1.1　标准样品的制备 
　　
仪器分析的精度主要取决于标准样品的均匀性和准确定值。X荧光光谱分析每个品种选择了15～30个，标样中各元素的含量范围覆盖生产样品所可能达到的范围并有一定的变化梯度。 
　　
选取生产过程中出现的最高和最低的样品分别粉磨，并用0.08mm方孔筛进行筛分处理，将筛余部分重新粉磨，直至全部通过0.08mm方孔筛。然后进行筛混，随机取样8次，进行硅、铁、铝、钙、镁、钛等化学成分的测定，检查其均匀性，并进行成分定值。中间标样按间隔布点，用高低标样按比例掺混，配制成分布均匀的15～30个标样，这些标样分别用振动筛筛混4次，然后再人工筛混3次，经过化学分析多次测定，进行定值。 

1.2　工作曲线的制作 
　　
仪器分析的关键是工作曲线，需进行压片、测量、设置分析元素和检测区、编辑浓度文件和强度文件、编辑影响元素表、做工作曲线等工作。还要进行分析准确性和可靠性检验，进行统计分析，计算相对标准偏差。 

1.3　生产应用 
　　
本法经过化验室8个多月的运行使用，承担了普通水泥和特种水泥的生料、熟料及其它原料的成分分析任务，取代了原来的化学分析方法。仪器分析SiO2、Al2O3和CaO的标准偏差都在0.15～0.25之间；Fe2O3的在0.1左右；MgO的稍高，达到0.3左右；分析结果合格率在90%以上。分析精度和准确性可以满足生产控制分析需要，同时提高了分析速度，减轻了工人劳动强度，人员减少了55%，降低了分析成本。 

2　特种水泥原料磨在线自动配料系统的开发 

　　 
2.1　系统设计原则 
　　1)软件界面友好，操作简单，适宜一般工作人员使用。 
　　2)系统安全、可靠、易于维护。 
　　3)充分利用设备原有的资源，全部采用国产仪器，节省投资。 
　　4)开放式系统，易于扩充和修改。 
　　5)离线快速分析、在线控制。 

2.2　分析数据库的建立 
　　
在X荧光光谱仪微机上，根据传送和配料需要，建立了普通水泥、特种水泥生料和熟料的分析数据库。这样，分析员每分析一个样品，分析结果会自动存入相应的数据库中，以备调用。 

2.3　X荧光光谱仪与配料系统的连接 
　　
由于X荧光光谱仪不仅用于自动配料，还承担其它分析任务。为使X荧光光谱仪和配料系统都能各自不中断运行，充分发挥各自的作用。经过比较，我们选用了WIN95的对等网，在双方微机上各安装一块网卡，配置了网络适配器。这样连接，充分利用了WIN95的多任务功能，并且成本低，性能可靠，配料系统可以随时到荧光分析仪的数据库中读取分析数据，而不用中断X荧光的正常分析工作。 
　　
专家系统微机距离现场配料岗位300m左右，需进行远程通讯。我们采用远程通讯卡和芯屏蔽电缆将二者相连。这里使用了VB6的串行通信控件MSCOMM，通过对其属性的设定和编程，实现了配料数据的自动传送。 

2.4　水泥配料专家系统软件的开发 

2.4.1　专家系统配料的主要公式 
　　
特种水泥生产配料的数学公式之一为: 
　　 
　　式中:CaO、Al2O3、SiO2、TiO2和MgO均为高铝生料或熟料中相应组分的百分含量。 
　　
我们根据接收到的FJ-2810G型X荧光分析仪的分析数据，计算碱度系数Am，参考水泥技术人员的经验预置一整定值(Am0)，通过比较，计算出要加物料的重量，传送到失重秤，实现自动控制下料量。 

2.4.2　程序原理框图 
　　
根据上述模型和控制机理，编制了采样、对比分析、调整发送和控制等程序，汇集成水泥配料专家系统软件。程序原理框图见图1。 
　　 

图1　配料专家系统原理 

2.4.3　功能介绍 
　　
本软件用VB6语言编写，可直接运行于WIN95或WIN98环境中，界面友好，操作简单。为了便于用户操作，软件的全部功能按钮放于屏幕底部，用户用鼠标单击左键，便可实现相应的功能。它们分别为:输入标准值、接收数据、计算配比、调整配比、修改配比、发送配比、退出。各功能分别介绍如下: 
　　
输入标准值:执行后，会弹出一个对话框，请用户输入各个配料成分的标准配比和经验碱度系数Am0。用户输入完成后，单击确定，各配比会被显示在主屏幕上。 
　　
计算配比:程序将平均值代入Am计算公式，计算出实际的Am值，并显示于屏幕上。 
　　
接收数据:通过WIN95对等网，从X荧光分析仪的专用数据库中读取分析数据。执行时，会先请求用户输入样品名称，然后程序会从数据库中找出所有符合条件的分析数据记录，用网格控件以电子表的形式显示于屏幕上，并求出平均值，列于电子表格最后一行。 
　　
调整配比:程序将实际的Am值与给定标准的Am0相比较，计算出差值，判断是否超差。如果超差，则调整石灰石和铝钒土等原料的配比。 
　　
发送配比:程序将调整后的配比通过串口发送至失重秤微机。为了能够让控制机知道去控制几号磨，用选项控件，做了一个磨号选择过程，用户只需将预控制的磨号前的按钮选中，程序会自动将配料数据发往该磨。 

2.4.4　配料系统与失重秤的连接 
　　
配料微机距离现场配料岗位300m左右，需进行RS-232串行端口远程通讯。我们采用远程通讯卡和四芯屏蔽电缆将二者相连。这里使用了VB6的串行通信控件MSCOMM，通过对其属性的设定和编程，实现了配料数据的自动传送。 

2.4.5　程序的使用 
　　
程序使用时，在WINDOWS桌面上双击配料系统图标，即可进入水泥专家配料系统。程序的所有操作在屏幕上均有体现。 

2.5　特种水泥自动配料系统简介 

2.5.1　控制模式 
　　
本系统控制模式分为两种。模式1可以自动与X荧光分析仪连接的专家系统微机通讯，专家系统微机根据分析数据及工程师下达的碱度系数Am指标，自动计算调整配比并发送到现场控制微机。模式2为重量配比，配比为工艺员根据化验结果，手工调整。两种模式可以随时切换。 

2.5.2　系统简图 
　　
特种水泥快速分析与自动配料控制联网结构如图2所示。系统硬件由X荧光光谱仪、配料微机、远程通讯卡、球磨机和失重秤等组成。这种方式是经过多种方案对比，优化选取的，具有成本低、操作维护方便，效果好等特点。系统运行时，配料微机自动从X荧光分析读取有关分析数据，经运算处理后，计算出新的配比，通过串口远程传至失重秤微机，失重秤微机接到新的配比方案后，指导失重秤动作，按指令下料。 
　　 




　　图2　联网结构图 


2.5.3　系统功能 
　　1)自动调用X荧光光谱仪的成分分析数据； 
　　2)自动计算、调整配比，给定下料量； 
　　3)根据下料量自动发出指令卸料； 
　　4)系统能自动累计显示每路的时产量、班产量、日产量、月产量、年产量，可以随时查询和打印； 
　　5)在线控制与离线控制随意切换； 
　　6)具有双通讯功能，可以跟总控微机连接，也可以同时跟X荧光分析仪或钙铁分析仪连接；可以将信息远传到管理部门。 
　　
系统不受路数和磨机台数限制，适合失重秤、皮带秤、调速秤。可以在建材行业推广，也可以应用于其它生产过程分析和配料系统，有较高的推广应用价值。