水泥粉磨优化控制系统

1、水泥粉磨优化控制系统、背景介绍对水泥粉磨系统的研究一直在不断的进行着，如何提高磨机的粉磨效率、提高水泥 产品质量、使生产过程节能降耗一直是研究的重点，水泥粉磨过程的耗能巨大，尤其是 耗电情况十分严重，由于操作人员对磨机的操作存在滞后性、 不确定性、盲目性等缺点， 导致粉磨系统的效率较低，进一步增加了粉磨系统的电耗。粉磨系统操作复杂，磨机的工况也是随着现场的干扰而不断变化的，导致现场经常 出现粉磨系统的不稳定情况的发生，比如称重仓仓满溢料、球磨机饱磨、球磨机空磨、 皮带秤跳停、旋风筒堵料等，如果操作员不能够及时的发现并采取相应的处理措施，就 会导致粉磨系统设备的保护跳停，进而必须将整个粉磨系统停

2、下来进行处理，严重的影 响了水泥的生产，对水泥的发货造成影响，从而影响了水泥厂的效益。所以在粉磨系统 运行时一定要避免极端情况的发生，如果因为操作员的操作出现了停产的情况则要对相 应的操作员进行处罚，责任到人。因此，如果能够对粉磨系统采用自动控制代替人工的 操作，就能够避免出现极端的情况，并且能够使粉磨系统长时间处于稳定工况，在节约 了电耗的同时，能够保护设备并且减少操作人员的劳动强度，具有一定的实用价值。据统计，我国水泥工业发展较快，水泥产量逐年递增，自19851985年起，我国水泥产量连续2626年位居世界第一位，20112011年总产量达到20.620.6亿吨，占到世界水泥总产量的50%

3、50% 之多，最近5 5年内我国水泥年产量及年平均增长率见表 1.11.1，20072007年到20112011年年平均增长率超过11%11%，如果通过采用自动控制系统能够将水泥的吨电耗降低1%1%左右，带来的经济效益是相当可观的。表1我国水泥年产量.年份20072008200920102011年产量/亿吨13.514.516.418.720.6年平均增长率/%7.413.114.010.21、水泥粉磨系统简介在水泥的生产过程中，水泥制备的最后一个环节就是水泥的粉磨，通过水泥的粉磨 环节能够将水泥熟料以及外加的原材料粉磨至适宜的粒度，使水泥的细度与比表面积达到国家标准，粉磨出的质量较好的水泥具

4、有较大的水化面积，水化速率快，能够满足水 泥浆体凝结与硬化要求。水泥粉磨系统按照工艺流程主要分为三种：开路粉磨系统、闭路粉磨系统、联合粉 磨系统，按照设备使用方式可以分为：辊压机 - -球磨机粉磨系统、球磨机粉磨系统、立 磨- -球磨机粉磨系统、卧式辊磨粉磨系统等系统。目前大多数水泥厂还是采用联合粉磨 系统，这种粉磨系统具有产量高，能耗低的优点，但是设备投资大，操作系统复杂 。在粉磨系统中，水泥球磨机是粉磨系统最重要的设备，磨机具有非线性、大滞后、 强耦合等特点，所以对球磨机的控制必须要考虑到这些特点，同时磨机是一种能耗大、 效率低的设备，最大限度的降低电耗、降低生产成本，是每个水泥厂进行优化

5、改进的目 标。2、水泥粉磨系统自动控制研究现状粉磨技术发展主要历经了设备的大型化阶段和粉磨技术发展两个阶段， 并且预分解 窑系统不断向大型化方向发展，同时球磨机系统也向大型化方向发展。粉磨系统采用大 型钢球磨机不但提高了粉磨的效率减少了设备的损耗，同时能够简化工艺流程，减少辅 助设备，在一定程度上降低了产品成本。虽然大部分水泥企业都采用较先进的圈流磨系 统，但由于开流磨具有自身的优点，仍然有较多水泥厂、粉磨站采用开流磨系统。在粉 磨设备不断向大型化发展的同时，磨机内钢球、磨机衬板以及磨盘的耐磨性也在不断的 提升，这就减少了更换钢球以及其他易磨损设备的频率，提高了设备的使用寿命，节省 了成本。对

6、水泥助磨剂的研究与使用也在不断的发展中，助磨剂的添加能够减少物料的 结块以及减少物料对磨内钢球的黏糊程度，助磨剂重要的作用越来越受到重视。如何降 低磨机内物料的温度也是重要的研究内容，磨机内物料的温度过高会导致物料的黏结， 降低了粉磨效率，并且使部分添加剂脱水，影响水泥的质量，降低温度可以通过向球磨 机喷水的方式解决，也可以采用通风系统对磨机内物料进行冷却。除了上述发展外，水泥粉磨系统大都采用自动化喂料、仪表和计算机集散控制系统 (Distribute(Distribute ControlControl SystemSystem,简称DCS)DCS)控制生产过程，采用 DCSDCS进行系统的控

7、制，整个 生产过程参数，比如：风机转速、料位、喂料量、提升机电流、风压等参数以及设备运 行情况均能在中控室实时的反应， 操作员能够在中央控制室通过计算机实现对现场设备 进行调节，一定程度上保证了粉磨系统的稳定运行。对水泥厂粉磨系统进行自动化方向 的改造，不断减少操作员的手动操作，提高粉磨系统的自动化程度，提升了企业竞争力 的同时能够降低企业的生产成本，具有广阔的应用前景。1亍踏MM rrc:UEVH3D1 ;141sfffflfVW即 KLC? 1 Tin41H 世 母 1 I MUIZT 31I-S-3 ZMF3：IDF M UVi入儀尸札九熊C(c)1 f=匕 fii三:涼烷稈IF丨J,r

8、 ：41t.- * ： f阿 Ji fn|u .! BI* B|V咚!:- rrt、粉磨系统工艺流程及控制方法1、工艺流程本控制系统研究的对象为山东水泥厂平阴线的粉磨系统，平阴水泥生产线采取的粉磨工艺为带辊压机的圈流式联合粉磨系统，系统采用了 ABBABB公司的ControlControl BuilderBuilder F F软 件进行底层的编程，现场的操作员通过上位机显示的现场设备示意图对各个粉磨系统设 备参数进行操作，包括各个设备的启动停止、改变各个风机的转速、改变阀门的开度等。 现场的DCSDCS控制界面如图2 2所示。图2水泥粉磨系统上位机界面从图2 2可见，整个联合粉磨系统生产线是非

9、常复杂的，使用的设备和需要考虑的变 量都是很多的，现场采用的传感器也很多，每一个传感器都能实时的将现场设备的情况 反映到上位机的界面上，中控制的粉磨系统的操作员就能实时的了解到各个设备的运转 状况，对需要进行调整的设备采取远程的控制。为了便于分析粉磨系统的工艺流程，将工艺流程图简化如图3 3所示,水泥生产常用的原材料主要有：熟料、石膏、矿渣、粉煤灰、石灰石等，这些原材料按照一定的配比混合后在入磨提升机的带动下进入到V V型选粉机，V V型选粉机对物料进行粗选粉，细颗粒的物料被循环风机产生的风力带入到旋风筒中，较粗的物料落入到 称重仓中，称重仓也叫缓冲仓，主要用来对物料进行缓冲，使进入辊压机的物

10、料能够平 稳没有很大的冲击力，并且使物料在称重仓中能够充分的混合，缓冲之后物料从称重仓 出来进入辊压机两辊间进行挤压，经过挤压大颗粒的物料被破碎成细小的颗粒，再次经 过入磨提升机的带动进行循环。旋风筒也起到缓冲的作用，使细颗粒物料能够平稳的进 入磨机中粉磨，经过磨机粉磨后物料由磨尾卸下，再通过出磨提升机带动下送至选粉机， 合格的水泥直接在入库提升机的带动下进入水泥库保存，不合格的水泥则再次回到磨机内粉磨，形成了一个圈流粉磨系统。根据以上的工艺分析，可以将粉磨系统分为两个相互联系的回路，第一个回路由喂 料、入磨提升机、V V型选粉机、称重仓、辊压机和循环风机组成的，主要就是通过辊压 机的作用对物

11、料进行一次预粉磨。第二个回路是由循环风机、旋风筒、尾卸式管球磨机、 出磨提升机、选粉机组成的，通过磨机的粉磨，能够得到合格的水泥。下面根据现场的实际生产情况，说明一下粉磨系统的控制难点。(1)(1)粉磨系统球磨机的工况经常发生变化，会出现饱磨、空磨等极端的磨况，而理想的状态是磨机处于最佳出力的正常工况，磨机的工作特性曲线如图4 4所示。出力特性、音频特性等。将图划分为三个区域，当磨机工作在 I I区域时，磨机粉磨功率会根据磨内物料 的增多而增大，效率逐渐增大，但此时磨机内的物料过少，磨机内钢球之间的无效碰撞 增加，浪费了能量和电能，磨机内的物料容易产生过粉磨现象，磨机易出现空磨，应该 避免这种

12、工况。磨机工作在IIII区域时，磨机处于正常工况，磨内负荷较理想，磨机工作 在此区域时效率最高，粉磨效果最好，操作员应该将磨机的工况控制在此区域。磨机处 在IIIIII区域时，磨机内物料量过多，物料得不到充分的粉磨，导致选粉机的回料量增大, 进而导致磨机内的物料继续增多，磨机极易出现饱磨状况，影响了水泥的质量与粒度， 操作人员应该避免磨机出现这种工况。通过对磨机工况的分析可见磨机的工况较多，对 磨机进行有效的控制就要考虑到磨机可能处于的各种工况，并且避免极端工况的发生， 这是进行自动控制的难点之一。(2)(2)现场生产的水泥经常需要转产，平阴粉磨线共生产五种型号的水泥：复合32.532.5水泥

13、(PC32.5)(PC32.5)、普通32.532.5水泥(PO32.5(PO32.5卜普通42.542.5水泥(PO42.5)(PO42.5)、低碱42.542.5水泥、普通 52.552.5水泥(PO525)(PO525)，其中PO32.5PO32.5的水泥发货量最大，其次为 PC42.5PC42.5水泥，发货量最少 的为PC52.5PC52.5,所以根据发货量的不同，调度需要根据水泥库中的库存安排中控室操作员 进行转产操作，现场经常转产，尤其在是发货旺季，水泥库中水泥库存较少，水泥需要 通过转产来调节发货，以达到一定的供需平衡。转产主要包括：32.532.5转普通42.5,42.5,普通

14、42.542.5转32.532.5，普通42.542.5转低碱42.542.5。水泥转产的时候，要调节各种原材料的配比，改变喂料量，调节收尘风机，调节选粉机，这 一系列的改动需要在1-21-2分钟之内完成，短时间内粉磨系统产生了大波动，称重仓仓重 开始迅速变化，出磨提升机电流也大幅度波动，所以如何对转产进行有效的控制是实现粉磨系统自动控制的难点之一(3)(3) 天气以及环境的变化，相对于其他月份， 7 7、8 8 月份处于雨季，雨季空气湿度较 大，会对原材料的含水量产生较大影响，导致原材料的易磨性改变，此时工况变化较剧 烈，对水泥的质量和产量都有较大影响。除了空气湿度的影响外，温度的变化也对磨

15、机 的控制有着重要的影响， 环境温度较高的时候， 磨机内物料温度高， 物料水分挥发的快， 易磨性好，但是如果温度超过9595C以上，会导致部分物料的遇热分解，对水泥成品的质 量产生影响，所以磨机内温度不能过高，相反如果环境温度过低，则会导致物料易磨性 变差，影响磨机的工况。这个因素在进行控制器的设计中也要考虑到。2、控制方法本控制系统以山东水泥厂平阴线的联合粉磨系统为研究对象， 经过在水泥生产现场 的长时间的实地考察同时与现场的操作人员长期的讨论研究后， 总结该条水泥生产线控 制的难点与需要解决的问题，得出了整个粉磨系统的建模与控制方案。由于获得系统相对准确的模型是对系统进行有效控制的关键，

16、所以要采取不同的方 法计算系统的模型，比较分析后才能得出最佳的获取模型的方法。根据从现场获取的大 量的设备运行数据，从这些数据中找到最能体现系统运行状况的相关变量，再根据不断 的仿真比较，采取加权最小二乘方法获取系统模型，此模型精度较高，可以作为控制用 模型。将获取到的系统较精确的模型用于预测控制，预测控制器采用动态矩阵控制 (Dynamic(Dynamic MatrixMatrix ControlControl ，即 DMC)DMC) 算法，控制器的输入为出磨提升机电流， 输出为循环 风机的转速，预测控制是一个不断滚动优化的过程，每过一个控制周期都会计算出一个 风机的转速， 经过现场的不断试

17、验， 发现随着时间的延长， 粉磨系统的模型精度会降低， 这与现场的干扰有关，为了弥补模型的精度避免出现模型失配的情况，采用模型的在线 计算与模型在线更新，确保每个控制周期的模型精度。所有的模型计算以及预测控制算 法都采用C+C+语言编程，部分算法用到了 MatlabMatlab混编技术，调试封装好的程序通过 OPCOPC 接口技术与现场的 DCSDCS 控制系统连接，实现了对设备的自动控制。经过现场的运行发现，只采用预测控制器不能很好的控制称重仓- -辊压机回路，称重仓料位大幅度的波动不利于磨机内负荷的稳定，经过分析与实验，采用模糊控制器实 现对称重仓料位的控制，称重仓料位及料位的变化率为模糊

18、控制器的输入，循环风机转 速为模糊控制器的输出，将计算出来的转速结合即为最终的实际控制输出。物理I/O三、优化控制系统采用的 OPC接口控制系统通过OPCOPC接口实现与DCSDCS控制系统的连接，实现软件对现场变量的读写 操作，使现场设备实现自动控制，并且取得了一定的控制效果。OPCOPC采用面向对象的设计方法，将应用程序封装成一个一个的对象，只是将接口公 开，ClientClient通过同一种方法调用接口，保证了软件的通用性，使其他系统可以很方便的 连接到OPCOPC接口上，易于在工业控制系统中推广使用，具有较强的通用性。使用OPCOPC接口一方面可以实现远程的控制，这在工业现场是十分实用

19、的技术，另一方面便于系统 的组态化，大大简化了系统的复杂性，便于系统的升级，同时提高了系统的稳定性与可 靠性。经过前面的编程分析与接口的配置，编写出将预测控制与模糊控制结合起来的软 件，如图6 6所示，图6 6为软件在山水平阴粉磨线运行时的截图，软件中显示出了几个关 键参数，比如循环风机转速的写入值、称重仓料位、出磨提升机电流等参数，从图中可 见，在DCSDCS上位机界面能够设置称重仓料位的设定值，同时也能够设置出磨提升机电 流的设定值，操作人员可以根据具体的情况调节料位和电流的设定值，而软件则会将称 重仓料位和出磨提升机电流控制在设定值附近，还可看出，操作员还可以设定循环风机 转速的上下限，

20、即转速不能高于上限同时转速也不能低于下限，这样就对转速起到了一 定程度的保护，不至于转速过高、过低而导致跳停，同样的操作员还可以设定称重仓料 位的上限、下限，这样就防止了称重仓彭仓现象的发生。从图6 6软件的界面可见，软件的控制周期是可以改变的，一共分成了 6 6个控制周期, 这主要是根据粉磨现场的特殊情况考虑的，在第一章中分析了粉磨过程控制的几个难 点，比如转产、入熟料、饱磨、空磨等极端情况。当转产的时候，水泥配料发生较大的 改变，粉磨系统开始波动，并且波动较为剧烈，如果仍然采用2 2分钟的控制周期则调节设备频率过慢，不能对设备得到有效的控制，这时需要将软件调到3030秒控制周期，即每过30

21、30秒就进行一次预测控制与模糊控制的计算，这样调节频率增快了 4 4倍，转产过 程就能得到较好的控制，当发生饱磨与空磨的极端情况时也采用 3030秒的控制周期，使 这种极端的粉磨工况尽快恢复到稳定的磨况。图6软件在山水平阴粉磨线运行时的截图由于熟料库较小，熟料库中熟料每 4-64-6小时就基本用完，此时现场需要向熟料库中 加入新的熟料，每次入熟料的时间为 2 2小时左右，这时就会产生较大的波动，主要是由 前面介绍的 离析”现象造成的，离析现象产生的时候，就采用 1 1分钟的控制周期，这样 就能有效的抑制波动。当然，大多数情况下，粉磨工况都是比较稳定的，可以采用2 2分钟或3 3分钟的控制周期，

22、这样能降低对现场设备变频器的调节频率，保护了现场设备， 延长了设备的使用寿命。四、软件投产应用效果分析软件已经在山东水泥厂平阴粉磨线投产使用，经过对软件的长时间的试验与测试，可知软件主要具有如下的优点：(1)(1) 软件能够稳定磨机内负荷，使磨机内的物料长期处于较稳定的状态，稳定了粉磨过程，提升了磨机的粉磨效率。如图 7 7所示。20 4U 6U 典 10U120140 做 15Q200图7出磨提升机电流手自动控制对比曲线图5.65.6表示生产过程中出磨提升机电流手自动控制对比曲线，图中圆圈曲线表示手 动控制出磨提升机电流变化曲线，黑色实线表示自动控制时出磨提升机电流的变化曲 线，纵坐标为出磨

23、提升机电流，单位为安培 (A)(A)，使用自动控制系统后，电流明前变得 平稳，没有了剧烈的波动，电流在设定值附近波动，波动范围由原来的30A30A减小到了15A15A，效果较明显。(2)(2) 软件能够稳定称重仓料位，称重仓料位稳定，就会使辊压机波动减小， 稳定了预 粉磨回路，称重仓手自动对比曲线如图 8 8所示。自动控制下仓位可以稳定在设定值 1 1吨 上下，而手动控制称重仓的波动范围大于 2 2吨，避免了彭仓等极端情况的发生。11 5甘曲：叶A 5I0204060801001i20140160160200图8称重仓料位手自动控制对比曲线(3)(3)自动控制能够在保证水泥质量的前提下，降低水

24、泥的吨电耗。稳定了预粉磨回路 和粉磨回路就能使粉磨系统稳定，磨机的出力较大，提高了粉磨的效率，能够达到节约电能的效果。采用自动控制的时期与去年同期的手动、自动控制电耗对比曲线如图9 9所示，图中黑色的曲线表示自动控制水泥吨电耗曲线，圆圈曲线表示操作员控制时的水泥 吨电耗，每一个点表示每一天的均电耗统计数值，可见黑色曲线大多时间都处于圆圈曲 线的下方，即自动控制能够节省电能，通过求取均值得到：自动控制吨电耗总均值为 22.3622.36吨/ /度，手动控制吨电耗总均值为 22.9522.95吨/ /度，每吨省电0.590.59度。图9手自动控制电耗对比曲线山东水泥厂平阴粉磨线的产能为每年 100

25、100万吨，即每年能省5959万度电，水泥企业 能够节省下一笔较大的开销，同时为节能减排做出了贡献。(4)(4)软件使用后明显减轻了操作员的劳动强度， 减少了操作员的误操作，操作员手动控制时需要经常调节循环风机转速以使系统保证稳定，调节较频繁，劳动强度较大，很 容易就会产生疲劳，疲劳后就容易产生误操作，而采用自动控制就不会出现这种问题。(5)(5) 软件通过OPCOPC连接，适用于使用OPCOPC接口的各种水泥厂和粉磨站，通用性强， 方便推广使用五、系统的推广使用软件在山东水泥厂平阴粉磨线成功投产运行后，由于控制效果较为理想，成功推广 到了日照中联港口粉磨站。1、日照中联粉磨站项目背景日照中联

26、港口 200200万吨/ /年粉磨站位于日照港内，由两条100100万吨/ /年的生产线构成， 具有较强的生产能力。粉磨站中控室采用西门子公司PLC400PLC400的集散控制系统（DCSDCS），下位机采用STEP7STEP7编制程序，上位机采用 WINCC6.0WINCC6.0作为显示界面，西门子系统也有 标准的OPCOPC接口，操作员通过操作员站对现场设备进行调整。经过对现场的实际考察，知道了现场的工艺流程，一号线的如图1010所示，二号线的同一号线。图10软件现场运行界面截图为了便于对工艺流程进行分析给出日照中联粉磨站联合粉磨系统工艺简图如图1111所示。日照中联港口粉磨站采用的工艺同

27、山水平阴粉磨线基本相同，区别之处在于中联水泥预粉磨系统中采用的是打散分级机，而山水的预粉磨系统采用的是循环风机，打散分 级机增加了将物料打散的功能，设备内部有很多锤头，不断的将大物料块打散成小物料 快，而且内部也有一个风机，风机转速可调。现场采用的管球磨机如图1212所示，两条生产线采用的都是同样的磨机，磨机内填 充有一定直径的钢球，磨机运转时，通过钢球之间的互相碰撞来破碎物料，出磨后的成 品水泥经过化验室的检验后合格的水泥直接进入水泥库，现场一共有六个水泥库，PO52.5PO52.5型号的水泥入1 1、3 3、5 5水泥库，PO42.5PO42.5型号的水泥入2 2、4 4、6 6水泥库。这

28、个粉 磨站主要是发散装的水泥，不发袋装的水泥，所以没有包装机。O图ii号线工艺流程简图rOO-称佥图12现场采用的管磨机现场的工业控制计算机采用的是 Windowsdows XPXP的操作系统，有一台工程师站和两 个操作员站，一号线和二号线同时在每一台电脑上显示，即每个操作员同时操作两条生 产线，操作员采用的是三班倒的班制，上 1212小时休息2424小时，操作员的劳动强度是很 大的，尤其是要同时看好两条生产线。2、 两套自动控制系统的对比山水平阴工程师站采用的是 WindowsWindows 20002000 professionalprofessional系统，使用的工业控制软件是ABBABB公司的InIn dustrialdustrial ITIT FreelaFreela neenee ControlControl BuildBuild F(CBF)F(CBF)，日照中联粉磨站工程师站采 用的是WindowsWindows XPXP系统，使用的工业控制软件是西门子公司的PLC400PLC400系统，虽然操作系统不同并且工艺和设备也略有区别， 但由于这两套系统都采用 OPCOPC通用接口技术,所以自动控制软件能够很