现代过程控制基础_6_水泥生产过程控制系统

1、6 水泥生产过程控制系统信息学院杨为民二一一年九月现代过程控制基础6.1 水泥生产过程概述 6.1.1 工艺流程 水泥生产过程主要分为回转窑生产过程和机械立窑（机立窑）生产过程。这两种生产过程所使用的工艺设备不完全相同，但其生产工序基本相同，都是以石灰石、粘土、铁粉等为原料，通过生料配料、生料粉磨、煅烧、熟料配料、水泥粉磨、包装等工序生产出水泥的过程。原料进厂后经过预处理，由化验室对原料进行化验分析，通过计算给出生料配方，生料配料工序根据化验室给出的配方比例对生料进行配料得到混合料，混合料通过生料磨磨成粉状入生料库，生料经煅烧成为熟料，熟料与矿渣、矿化剂按一定比例混合后，通过水泥磨磨成粉状入水

2、泥库，最后经过包装出厂。 原料预处理生料配料原料粉磨原料预均化煅烧熟料配料水泥粉磨包装6.1.1.1 原料预处理 水泥生产的主要原料是石灰石、粘土、铁粉。原料入厂后，首先要对它们进行处理，以使它们符合生产的需要。原料预处理主要完成以下工作： 原料石破碎 将入厂的大块状石灰石等原料破碎成符合入生料磨要求的碎块，为配料和粉磨做好准备。 原料烘干 入厂的粘土、铁粉、煤粉等原料中水份的变化直接影响生料混和料的成分，另外粉状物料在水份较多时容易结块，影响配料及粉磨的顺利进行，所以要把它烘干。一般要求烘干后的粘土水份不超过。 6.1.1.2 生料配料 化验室对入厂的各种原料进行化验，并计算生料配方。生料配

3、方的计算是根据熟料的质量要求推算生料混合料的化学成分，再根据原材料的化学成分计算出符合混合料化学成分的生料配方。原料工序根据配方对生料进行配料。配好的混合料通过生料磨进行粉磨。化验室定时对出磨生料取样化验，化验结果反馈到原料工序，并根据它对原料配方进行调整。出磨的混合料被送入原料库储存并经过预均化后，就可以进行煅烧。 6.1.1.3 煅烧(1) 水泥煅烧过程是对水泥生料连续加热，经过一系列的物理化学反应，使其变成熟料，再进行冷却的过程。 水泥煅烧过程是一个复杂的热工过程，有关的主要工艺设备有分解炉、回转窑、冷却机等。生料混合料的一部分或全部进入分解炉，完成碳酸盐的分解过程，然后进入回转窑，与直

4、接入回转窑的原料一起完成固相反应和烧结反应过程后，进入冷却机骤冷，成为熟料。6.1.1.3 煅烧(2) 分解炉工艺过程 分解炉是利用窑尾烟气和燃料对生料加热，使其碳酸盐分解的工艺设备，它由上旋流室、下旋流室和分解室构成，分解室的下部设有燃料喷嘴和料粉喂入口，入窑空气由下旋流室进入反应室，将燃料及生料粉悬浮，供燃料燃烧、放热，同时供生料粉分解、吸热，然后气流携带料粉由上旋流室被引出，进入下级旋风筒后再入回转窑。 分解炉生产过程的质量标准是分解率，一般要求分解率尽量高，影响分解率的主要参数是分解温度，分解温度越高，分解率越高，但一般分解温度不许超过，否则将使设备容易损坏。6.1.1.3 煅烧(3)

5、 回转窑工艺过程 回转窑是一个倾斜放置的卧式回转圆筒，生料由圆筒的高端（一般称为窑尾）加入，由于窑体有一定斜度且不断旋转，物料由高端向低端（一般称为窑头）逐渐运动，燃料和空气由窑头喷入燃烧，热空气向窑尾流动，对物料加热，物料与高温气体相向运动，接受高温气体和火焰传给的热量，经过一系列的物理化学变化，被煅烧成熟料，再经冷却设备输送到窑外。燃烧用的空气由两部分组成，一部分和燃料一起喷入窑内，叫做“一次空气”，另一部分通过冷却机将熟料冷却，同时本身被加热到一定温度，进入窑内，叫做“二次空气”。燃料与空气燃烧过程中，会产生2、x等气体，废气中x的含量与燃烧温度有关，在氧供给充足时，燃烧温度越高，x的含

6、量越大。6.1.1.3 煅烧(4)物料进入回转窑后，在高温作用下，进行一系列的物理化学反应，按照不同的反应在窑内所占的空间，划分为若干个“带”。 干燥带：物料温度逐渐升高到，水份全部蒸发的过程称为干燥过程，在回转窑中所占的空间叫做干燥带。 预热带：物料温度很快升高到，完成粘土质原料脱水过程在回转窑中所占的空间叫做预热带。6.1.1.3 煅烧(5) 分解带：物料温度继续升高到以上，完成碳酸盐分解过程在回转窑中所占的空间叫做分解带。分解带长度占回转窑筒体长度比例较大，消耗热量最多。 放热反应带：完成固相反应过程在回转窑中所占的空间叫做放热反应带。由于放热反应，物料温度上升很快，使该带的物料与分解带

7、物料有较大温差，从窑头看去，与分解带有明暗界限。该带长度较短，但对回转窑的操作控制起着很重要的作用。6.1.1.3 煅烧(6) 烧成带：完成硅酸三钙的形成和烧结反应过程在回转窑中所占的空间叫做烧成带。烧成带温度对熟料质量影响最大，是回转窑的自动控制中最重要的参数。 冷却带：熟料烧成后继续沿窑体向前移动，温度开始下降，到窑头的这段空间叫做冷却带。冷却带的冷却介质是来自冷却机的二次空气。6.1.1.3 煅烧(7) 冷却机工艺过程 冷却机是用低温空气使高温物料骤冷的工艺设备。有多种类型的冷却机，本课程主要介绍的是推动蓖式冷却机（推冷机），它由蓖床、高压风管、中压风室、拉链机等主要部分组成。物料铺放在

8、蓖床上，随着蓖床的往复运动向前移动，蓖床下沿物料移动方向排列有若干个风室，鼓风机通过高压风管、将高压空气送至各风室，冷空气由各风室穿过蓖床和料层使物料很快冷却到以下，同时空气本身温度上升，并进入窑内参与燃烧。6.1.1.4 熟料配料 煅烧成的熟料经破碎，并加入一定比例的矿渣和石膏，经水泥磨粉磨，就成为水泥，装入水泥库中储存。 6.1.1.5 包装 在水泥库中的散装水泥经包装工序按每袋一定的重量装入水泥袋中，就成为袋装水泥，可以出厂了。 6.2 配料控制系统(1) 在水泥生产中，生料混合料的成分波动会直接给煅烧过程带来困难进而影响水泥的产量和质量，所以说准确地进行生料配料是保证水泥高质高产的基础

9、。因此，在水泥厂进行技术改造时，首先开发成功并应用最广泛的就是生料配料微机控制系统。水泥厂生料配料的主要原料有石灰石、粘土、铁粉、煤粉、石膏、莹石等，分别装在个料仓中，根据配料系统功能的不同，可分为以下两种： 重量配料系统 成分配料系统6.2 配料控制系统(2) 重量配料系统是按化验室给出的生料配方自动控制各种原料的流量，以保证原料之间成一定的比例，考核该系统的指标是重量配比的精度。但由于原料成分的波动，重量配料有时并不能保证混合料成分满足要求。成分配料系统是在重量配料系统的基础上引入出磨生料成分的自动检测，并根据出磨生料成分与给定值的偏差自动修正原料重量配方，以提高出磨生料的合格率，考核该系

10、统的指标是出磨生料的合格率。 6.2.1 物料量检测仪表(1)恒速单悬臂电子皮带秤：这种电子皮带秤结构较简单成本低，可以连续地检测物料的重量流量。但压力信号与物料压在秤上的位置有关，即同样重量的物料压在秤上的不同位置，压力信号就不同，所以它的测量精度较低。6.2.1 物料量检测仪表(2)恒速双悬臂电子皮带秤 这种电子皮带秤结构较单悬臂秤复杂，成本稍高，也可以连续地检测物料的重量流量，压力信号与物料压在秤上的位置无关，即同样重量的物料压在秤上的不同位置，压力信号不变，所以它的测量精度较高。 6.2.1 物料量检测仪表(3)核子秤：这种秤测量部分不与被测物料接触，因而不受物料冲击、物料粒度变化等因

11、素的影响，测量精度较高，维护量小，而且可用于高温物料（如水泥熟料）的测量。但其有核辐射源，需要做好安全防护工作，它的成本也较高。6.2.1 物料量检测仪表(4)核子秤6.2.1 物料量检测仪表(5)调速电子皮带秤：这种电子皮带秤的速度调节，它在测量物料流量的同时，也可以通过调速来改变物料量。所以在使用调速电子皮带秤的配料控制系统中一般不需要其它的给料装置。调速电子皮带秤配料时是通过皮带的运动把物料从料仓底部拉出来，不存在物料对皮带秤的冲击，所以信号较平稳，但要求物料粒度要均匀、粘度要小。这种秤的自动校零也很困难。6.2.1 物料量检测仪表(6)斗式秤：这种秤适用于间歇式配料系统中，配料时先由给

12、料装置给料斗装料，停止装料后再进行秤量，然后放料，属于静态秤量，重量信号不受物料冲击、物料粒度的影响，所以秤量精度较高。另外，秤本身不需要动态标定，所以系统调试较简单，维护量较小；控制系统的操作也较简单；同时实际给料量的偏差也很容易地在下一斗下料时进行补偿，在一段时间内的平均配料精度较高。这种配料系统的缺点是对给料装置和物料传送系统的能力要求较高，另外很难进行手动操作。6.2.1 物料量检测仪表(7)斗式秤6.2.2 物料给料装置(1) 当采用恒速皮带秤、斗式秤等没有调节物料量大小功能的检测装置计量物料时，为实现对物料流量的自动控制，需要有合适的给料装置。生料配料微机控制系统中所用的物料给料装

13、置主要有以下两种：圆盘给料机：以滑差调速电机带动给料圆盘转动，圆盘转速越大，给出的物料流量越大。电振给料机：通过电磁震动使物料下落，振幅越大，给出的物料流量越大。 6.2.2 物料给料装置(2)电振给料机圆盘给料机6.2.3 配料系统主要问题 现场环境恶劣，粉尘大，检测仪表经常零点漂移，影响配料精度，需要定时自动标定。 给料装置非线性，并由于物料粒度不均匀或含水量大造成堵料现象，影响配料系统的正常运行，需人工及时干预。 水泥厂原料来源复杂，成分变化大，使配料合格率降低，需及时调整生料配方。 6.2.4 配料控制算法6.2.4.1 典型配料控制系统结构(1)配比计算调节器1给料装置1测量装置1流

14、量对象1-Q1R1调节器n给料装置n测量装置n流量对象n-QnRnR总6.2.4.1 典型配料控制系统结构(2)一个回路的等效方块图PIDG0(s)-QR在动态过程中，不能保证配比一定6.2.4.2 按累计偏差控制算法(1) 如图所示，它对瞬时流量的测量值进行积分，并与流量设定值的积分相比较，然后通过控制器，按两个积分值的偏差调整控制器，以改变下料量的大小，控制器的目的是保持两个积分值的偏差为零，从而保证在一段时间内物料配比的精度。PIDG0(s)-QRs1s1但是由于物料流量的给定值r0，其积分值将随时间的增加趋向无穷大，所以这个控制系统实际上是不能使用的。6.2.4.2 按累计偏差控制算法

15、(2) 经过等效变换，可得下图，它在PID控制器的前面加了一个积分器，也就是说，该系统是对瞬时流量偏差e的积分值es进行控制。我们把es叫做累计偏差。当该系统达到稳态，由于积分器的作用及P I D控制器的积分作用，必有 e=0 及 es=0，也就是说瞬时流量的偏差为零，同时累计偏差也为零，所以它可以保证配料控制精度。因为PID调节器中有积分环节，再加上一个积分器，开环系统是二型的，闭环系统很难稳定，需要改进PID中的积分算法。PIDG0(s)-QRs1ees6.2.4.3 线性积分控制算法分析(1) 影响上述控制系统稳定性的主要因素是系统前向通道中的两个积分环节。PID控制器前面的积分环节的作

16、用是对瞬时流量偏差e进行积分以得到累计偏差es，它即不能被取消，也不能被改变。PID控制器中的积分环节的作用是调节控制量，使得在稳态时，累计偏差es=0。它也不能被取消，但是可以改变其算法。6.2.4.3 线性积分控制算法分析(2)首先分析积分环节影响系统稳定性的原因。 PID控制器中积分环节的数学模型为：tsILdeKtu0)()(其中：uL(t)控制器积分项输出 KI 积分增益 es(t)控制器输入假设其输入为：)sin()(ttes且初始条件为零，则它的输出为：)cos(1 )(tKtuIL6.2.4.3 线性积分控制算法分析(3) 当0t0，并且 0，控制作用的增加是对的。但当T1t0

17、， 0，uL(t)已经足以克服es(t)，它的继续增加将造成系统的超调和振荡。 同理，当T2tT3，es0，并且 0，控制作用的减小是对的。但当T3t0， 0，uL(t)已经足以克服es(t)，它的继续减小将造成系统的超调和振荡。线性积分器输出曲线dttdes)(dttdes)(dttdes)(dttdes)(6.2.4.4 非线性积分控制算法根据以上分析，可以设想采用如下的非线性积分算法来代替线性积分控制算法改善系统稳定性：tsINdekKtu0)()(其中： uN非线性积分器输出0)( 00)( 1dttde(t)edttde(t)ekssss6.2.4.5 描述函数法分析(1)假设：)s

18、in()(ttes则有：非线性积分器输出曲线 2t23 0 23t )cos( t2 20 )cos(1 )(tKKttKtuIIIN6.2.4.5 描述函数法分析(2)写成以t为自变量的函数： 2t23 0 23t )cos( t2 K 20 )cos(1 )(ItKttKtUIIN6.2.4.5 描述函数法分析(3)UN(t)是以2 为周期的周期函数，它可以展开为付氏级数：其中：描述函数中所关心的是付氏级数的一次分量10)sin()cos(2)(nnnNtnBtnAAtU)()sin()()()cos()(201201tdtntUBtdtntUANnNnININKtdttUBKtdttUA

19、)()sin()(5 . 0)()cos()(201120116.2.4.5 描述函数法分析(4)付氏级数的一次分量可写为：)sin()cos(5 . 0)sin()cos()(1111ttKtBtAtUI或：)52.57sin(59. 0)sin()(11121211tKBAtgtBAtUI非线性积分器的一次分量的相位滞后为57.52，比线性积分器的90相位滞后超前了32.48，这说明这种算法可以增加系统的相位稳定裕量，使系统的稳定性得到改善。6.2.5 配料控制系统的其它功能(1)自动校零自动校零 在配料控制系统运行前要对电子皮带秤进行标定，以使其对物料流量的测量精度满足配料控制的要求。但

20、是在配料控制系统运行过程中由于现场环境恶劣、粉尘较大、振动较强烈，以及由于物料黏结在皮带上等原因，经常造成电子皮带秤的零点漂移，给物料流量的测量带来误差，影响配料控制精度。所以要求控制系统能定时自动校正电子皮带秤的零点。其实现方法是：在系统运行过程中定时地停止电振机下料，电子皮带秤空转一段时间，使秤上没有物料，然后秤量空秤的重量；在正常工作时，将所测得的重量值减去空秤的重量，得到实际物料重量，并转换成物料的瞬时流量值作为控制回路的测量值反馈。6.2.5 配料控制系统的其它功能(2)堵料报警堵料报警 由于料仓内的原料含有水分及粒度不均匀等原因，经常会在下料口处堵住，下不来料，造成堵料现象。这种现

21、象如果不及时处理，其他原料继续下料，势必造成混合料成分不合格。所以出现堵料现象时控制系统应能及时作出判断并报警，以提醒操作人员及时处理。堵料现象是通过物料重量测量信号进行判断的，当某一控制回路的控制量不小于某一给定的值而测量值过小，就认为发生了堵料现象，给出报警信号。6.2.6 采用调速电子皮带秤的配料控制系统(1) 采用恒速电子皮带秤的水泥生料配料计算机控制系统由于物料从给料装置落下，对到电子皮带秤冲击带来测量误差，影响控制精度。为克服这一缺点，在很多水泥厂采用调速电子皮带秤组成配料控制系统。 存储于各料仓中的各种原料由电子皮带秤拉出，压力传感器把皮带秤秤量段物料的重量信号转换成与之相对应的

22、电信号，由传感放大器转换成标准信号送给控制器。由于调速电子皮带秤的皮带速度不是恒定的，物料流量与重量和皮带速度的乘积成正比，所以还需要测出电机转速信号并送入控制器，控制器计算物料重量信号与调速电机转速信号的乘积并将它转换成物料瞬时流量信号，再把它们与相应的设定值相比较，得到它们的偏差值，按PID控制规律调整电磁调速电机的转速，调节下料量，使之与其给定值相等。6.2.6 采用调速电子皮带秤的配料控制系统(2) 采用调速电子皮带秤的配料控制系统由于物料是被皮带秤从料仓中拉出，不会对电子皮带秤造成冲击，所以工作过程较平稳，配料控制精度也较高。但由于工作时秤上总有物料，不易实现自动校零功能。6.2.7

23、 采用斗式秤的配料控制系统(1)4.2.7.1 控制系统结构及工作过程 其原料下料量的控制回路中有装料电振机、卸料电振机、斗式秤等装置。与采用电子皮带秤的配料控制系统不同，其配料过程是间歇式的。压力传感器把料斗内物料与料斗的重量信号转换成与之相对应的电信号，再由传感放大器转换成标准信号送给计算机，进行秤量。存储于各料仓中的各种原料通过装料电振机装入斗式秤的秤量斗内，秤量后再通过卸料电振机卸出，然后再进行秤量。计算机通过计算两次秤量重量值的差值得到实际下料量，完成一次下料过程。6.2.7 采用斗式秤的配料控制系统(2)6.2.7.2 控制算法(1) 设物料给定流量为q，单位时间内下料n次，则平均

24、每次下料重量期望值为：ws=q/n。 每次装料时总是希望装到某一足够大的重量wh，然后卸料至重量wl，并满足： wh-wl=ws 由于装料、卸料过程的误差，上式并不能被满足，这就造成了配料控制过程的误差，各下料过程误差的累计值称为累计偏差es。为消除累计偏差，每次下料时将本次下料量给定值Ws(k)设为： Ws(k)=ws+Es(k) k=1,2,. 其中：k下料次数 Es(k)累计偏差6.2.7.2 控制算法(2) 第k次装料时，当秤量重量w小于wh时使装料电振机工作，继续装料，直到wwh，停止装料电振机并等物料稳定后，进行秤量，得到本次满料重量Wh(k)，希望的卸料后料仓重量给定值Wls(k

25、)为： Wls(k)=Wh(k)-Ws(k) 此时启动卸料电振机卸料，直到秤量重量wWl s(k)时，关闭卸料电振机，等重量稳定后秤量得卸料后实际重量Wl(k)，则本次实际下料量为： W(k)=Wh(k)-Wl(k) 下次累计偏差为： Es(k+1)=Ws(k)-W(k) 6.2.7.3 特点 采用斗式秤的配料控制系统由于采用静态秤量，秤量结果不受物料冲击、振动等影响，其控制算法中较容易地实现了对累计偏差的控制。但由于是连同几乎装满物料的料仓一起秤量，每次下料量只占总秤量重量的一小部分，要求传感器量程要大。另外由于是间歇下料，下料的时间利用率较低，要求物料传输设备容量要大。6.2.8 采用恒速

26、电子皮带秤的间歇式配料控制系统(1) 为克服物料落下时对电子皮带秤的冲击造成测量误差，采用恒速电子皮带秤的配料控制系统中也可以借鉴斗式秤的思想，采用间歇式下料、间歇式秤量控制的方法。其控制系统结构与采用恒速电子皮带秤的连续式配料控制系统相同，所不同的是控制算法。 采用恒速电子皮带秤的间歇式配料控制过程是一个周期过程，周期时间T为电子皮带秤皮带速度v与皮带长度L的乘积，即： T=L/v 周期时间T被分为2部分：给料时间T1、称量时间T2，其中：T1=2T/3，T2=T/3。6.2.8 采用恒速电子皮带秤的间歇式配料控制系统(2) 在第k个周期的开始，设时间t=0。先使电振机工作，开始向皮带秤上下

27、料。直到称量重量wWs(k)或t T1，停止下料，等到tT1后开始称量，得到本次实际下料量W(k)，最后再计算Es(k+1)= Ws(k) -W(k) 。等到t=T时，开始第K+1个周期的下料过程，当t=T+T1时，秤上第K次下的所有物料都已从秤上落下，秤上只有第K+1次下料的物料，开始下一个周期的秤量。 设物料流量给定值为q，则平均每个周期下料重量的期望值为： ws=qT 在第k个周期(k-0,1。)，考虑到累计偏差ES(k)，实际下料重量的给定值为： Ws(k)ws+Es(k)6.2.8 采用恒速电子皮带秤的间歇式配料控制系统(3) 在这种控制过程中由于两次下料中间至少有T2时间间隔，秤量

28、时上一次下到皮带秤上的物料都已落下，而下一次下料还没开始，所以秤量的重量是本次下料量；另外，秤量时电振机不工作，不会因为物料冲击皮带秤给秤量带来误差。6.2.9 成分配料控制系统(1) 上述几种配料控制系统都是按物料重量配比进行控制的系统，它们的控制目的是保证各种物料在混合料中占一定比例，但水泥生产过程要求配料系统能够做到使混合料中主要成分的含量稳定在其给定值。由于原料成分波动等原因，即使重量配比准确，仍不能保证混合料成分满足要求，所以需要按成分进行控制的配料控制系统，即成分配料控制系统。6.2.9 成分配料控制系统(2) 考核混合料是否合格的标准是混合料中CaO和Fe的含量是否满足要求，成分

29、配料控制系统是在上述重量配料控制系统的基础上增加混合料在线成分分析仪实现的。混合料在线成分分析仪在线检测混合料中钙和铁等主要成分的含量，并反馈给配料控制计算机，计算机根据其测量值自动修正配料的重量配方，以保证混合料的合格率。6.2.9 成分配料控制系统(3) 在有石灰石、粘土、铁粉、莹石四种原料的配料系统中，设：2423222114131211aaaaaaaaATxxxxX4321TyyY21其中：a11、a12、 a13、a14分别是石灰石、粘土、铁粉、莹石的氧化钙含量； a2l、a22、a23、 a24分别是石灰石、粘土、铁粉、莹石的氧化铁含量； x1、x2、x3、x4分别是石灰石、粘土、

30、铁粉、莹石的重量配比； y1、y2分别是混合料中的氧化钙、氧化铁含量。6.2.9 成分配料控制系统(4) 通过实验室分析得A，并根据期望的Y值计算出配比X，则应有： Y=AX x1+x2+x3+x4=1 按配比X进行控制，一段时间后，检测混合料成分，得混合料实际成分Y*：TyyY*2*1*由于原料成分波动等原因，一般Y*Y，需要对配方进行调整。6.2.9 成分配料控制系统(5) 为简化运算，认为y1*的偏误差是由于石灰石中含钙量a11的变化造成的，认为y2*的偏误差是由于铁粉中含铁量a23的变化造成的，既： A*X=Y* 其中：24*232221141312*11*aaaaaaaaA则有：34

31、24222121*2*231414313212*1*11)()(xxaxaxayaxxaxaxaya6.2.9 成分配料控制系统(6) 水泥配料中，莹石的加入是为了满足水泥的物理性能的要求，其配比一般不改变，即x4不变，而修正x1、x2、x3，修正后的配方为：TxxxxX4*3*2*1*应满足： A*X*=Y 及： x1*+x2*+x3*+x4=1 6.2.9 成分配料控制系统(7)令：TxxxX*3*2*1111*2322211312*11aaaaaaATxxayxayY44242414116.2.9 成分配料控制系统(8)则应有： Y=AX即： X=A-1Y 可求得x1*、x2*、x3*，

32、得到X*，做为修正后的配方进行控制。6.3 煅烧控制系统 6.3.1回转窑自动控制系统的结构 实 时 专 家 控 制 系 统PID水泥回转窑生产过程燃油流量给定燃油流量尾气NOx含量尾气O2含量尾气CO含量烧成带温度椭圆齿轮流量计在线气体成分分析仪光电比色高温计窑转速转速变送器窑转速给定过程自动化基 础 自 动 化回转窑自动控制系统结构+-PID生料流量冲板流量计+-比值器回转窑自动控制系统分为基础自动化和过程自动化两个层次。基础自动化部分完成过程参数的采集、数据处理及一些参数的闭环控制功能；过程自动化部分采用实时模糊专家控制系统得出基础自动化各控制回路的给定值实现回转窑自动控制的目标。6.3

33、.2 参数检测(1)123456789101112回转窑参数检测点示意图 1 入窑生料流量 7烧成带温度 2窑尾气温度 8冷却机速度 3窑尾压力 9冷却机蓖下压力 4窑尾气成分 10燃料流量 5窑转矩 11二次风温度 6窑转速 12各风室风量6.3.2 参数检测(2)、烧成带温度的检测 烧成带温度是直接反映烧成工况的重要参数。对烧成带温度的检测，主要有两种方法：第一种方法是在窑壁上插入热电偶进行测量。这种方法主要有两个难点，其一是由于窑体的旋转，按装在窑体上的热电偶的信号不能直接引出来，人们通常采用滑环的办法解决这个问题，但由于热电偶信号较弱、滑环接触不良等原因，效果不好。其二是由于窑内高温物

34、料对热电偶的冲刷，使热电偶无法长期稳定工作，所以热电偶一般不插入窑内，只是埋在窑壁中，对窑内温度进行间接测量。但由于窑内高温物料冲刷窑壁或结块，使得窑壁厚度发生变化，测量精度很差。6.3.2 参数检测(3) 第二种方法是采用辐射高温计从窑头对窑内烧成带温度进行测量。这种方法的难点是窑内火焰及光路中灰尘等对测量的干扰以及窑头环境温度较高影响仪表的正常工作。可以采用一定波长的光电比色高温计以避开火焰的干扰，采用高压仪表风反吹以清洁光路，并对测量仪表进行水冷等方法解决以上问题。 6.3.2 参数检测(4)、废气成分的在线检测 窑尾废气中、含量直接反映燃料充分燃烧的程度及过剩空气量，含量在氧气量供给充

35、足的条件下，随烧成带温度变化然而迅速变化，故可用作控制窑煅烧的重要参数。废气成分的在线检测主要是分析窑尾气中2 、X 的含量，它的主要难点有两点，其一是尾气温度较高，使取样探杆难以长期工作。解决这一问题的办法是水冷。其二是窑尾气中灰尘较多，易造成取样过滤器堵塞。一般通过用高压气体反吹来解决，但效果不理想，也有人用向尾气中喷水雾的办法，效果较好，但由于尾气中一些气体成分溶于水，对测量结果干扰较大。6.3.2 参数检测(5) 我们认为解决废气成分的在线检测问题首先要正确选择取样点，取样点要有代表性，取出的气样能正确反映尾气的情况，同时取样点的环境条件要好一些，灰尘尽量少、温度也不太高，使得对取样探

36、杆的要求不太苛刻。另外，在取样装置的设计上，改进取样口的形状，使吸入的灰尘尽量少，改进水冷、反吹装置，以提高取样装置在恶劣环境下长期工作的可靠性。 6.3.2 参数检测(6)、窑转矩的检测 窑转矩是间接反映烧成工况的重要参数。直接检测较困难，目前多采用间接测量，用窑传动马达的功率或电流来近似地代替。当烧成带温度下降时，窑转矩增大，反之，窑转矩减小，但滞后较大。6.3.2 参数检测(7)、胴体温度的检测 在水泥回转窑的运行过程中，保护窑胴体不至过热损坏，并延长耐火砖的寿命是很重要的，因此，需要对胴体温度连续监视。胴体温度的检测主要有三种方法： （）、采用高速红外温度扫描器连续地测量整个窑胴体的温

37、度，用计算机采集温带信号，并在显示器上以图形、曲线的形式显示整个温场，对高温情况进行报警。国外有关产品可做到以每秒次的速度对整个窑沿长度方向扫描，效果较好，但成本很高。6.3.2 参数检测(8)（）、采用窑沿长度方向运动的小车带动红外红外辐射温度计对窑头附近窑胴体温度检测，用记录仪记录温度信号，对高温情况进行报警。这种方法扫描速度较低，一般只能对窑高温带检测，但成本较低。 （）、采用红外热像仪连续地扫描整个窑胴体的温度，用计算机对温场信号进行处理、显示温场并报警。 6.3.3 控制系统数学模型(1) 建立回转窑控制系统的数学模型首先要采集大量过程数据，并积累操作经验，通过理论分析和对实际数据的

38、分析，建立入窑生料量与窑转速、燃料量的关系，熟料游离氧化钙含量、熟料立升重与烧成带温度、窑转矩、窑尾废气X含量的关系，窑尾废气2、含量与空燃比的关系，并以此为依据，应用模糊逻辑控制的原理，建立回转窑自动操作的数学模型，它应包括以下几个方面内容：6.3.3 控制系统数学模型(2)、入窑生料量与窑转速、燃料量的协调动作。、根据窑尾废气2、含量调整送风量与燃料量的比值。、根据窑尾废气X含量、比色高温计测量值、窑转矩等判断烧成带温度，并以此预估熟料立升重值，决定对入窑生料量与窑转速的比值及燃料量的调节。、根据由人工设入的实际的熟料立升重值修正熟料立升重与烧成带温度、窑转矩、窑尾废气X含量的关系。6.3

39、.4 实时专家控制系统的组成 实时专家控制系统由数据库、知识库和推理机组成。数据库存储生产过程的实时数据，知识库存储控制规则，推理机根据实时数据和控制规则进行推理，得出控制结论。 数 据 库推 理 机知 识 库实时专家控制系统的组成基础自动化水泥回转窑生产过程实时专家控制系统6.3.5 知识的表示(1) 实时专家控制系统中，采用了基于规则表的知识表示形式。规则表由若干条控制规则组成，每条规则分为条件和结论两部分，在规则表中占一行。条件由系统输入变量组成，并表示它们的与、或关系；结论由系统控制变量组成，表示条件成立时系统应采取的控制动作。6.3.5 知识的表示(2) 每个输入变量或输出变量占一列

40、，规则中输入变量的取值为其论域上的一个模糊子集，或几个模糊子集的“或”。每个控制变量占一列，其在规则中的取值为其论域上的一个模糊子集。图中所示规则表中表示的规则可叙述为： 规则1 IF NOx偏低 AND O2正常 AND CO正常 AND 温度偏低 THEN 降低转速 规则2 IF NOx偏高 AND O2正常 AND CO正常 AND 温度偏高 THEN 提高转速 规则3 IF NOx偏低 AND O2偏低 AND CO偏高 AND 温度正常 THEN 减小燃料量 规则4 IF NOx偏低 AND O2偏高 AND CO很低 AND 温度正常 THEN 增加燃料量6.3.5 知识的表示(3

41、) 在这种知识表示方式中，在任一条规则中都要包括所有的变量，而实际控制系统中，不同的规则可能由不同的变量组成，这给知识的表示带来了困难。为解决这个问题，RECS系统中预定义了“ ”和“ ”两个模糊变量。其在任意变量X论域上的隶属度函数为：ALWAYSxxX() 1 NEVERxxX() 0 当规则中某个输入变量取值为“ ”时，表示其总是匹配的，条件是否成立取决于该规则中其它输入变量的匹配情况。当规则中某个输入变量取值为“ ”时，表示其总是不匹配的，条件不可能成立。当规则中某个输出变量取值为“ ”时，表示不管条件是否成立，其输出不变化。输出变量不可以取值为“ ”。 ALWAYSNEVERNEVE

42、RALWAYSALWAYSNEVER6.3.5 知识的表示(4) 规则表中列出了所有的输入变量和控制变量，一条规则中的输入变量集合是全体输入变量集合的一个子集。一条规则中的输出变量集合是全体输出变量集合的一个子集。不属于该规则的输入变量在表中对应位置取值为“ ”不属于该规则的输出变量在表中对应位置取值为“ ”。 ALWAYSNEVER6.3.6 推理机 推理机实现在线的实时控制,首先将数据库中的输入变量的值模糊化，然后采用极大极小原理计算它们对各条规则条件的隶属度。认为隶属度大于或等于组态时给出的的规则匹配成功，条件成立，该规则的输出有效，并将它的隶属度作为该规则的可信程度。当有多条控制规则成

43、立时，按加权平均法进行模糊决策，得到实际的控制量。如果所有规则的隶属度都小于，认所有规则都不成立，保持原有控制量不变。 6.4 冷却机控制系统 6.4.1 工艺原理(1) 推冷机是回转窑水泥生产过程中的重要工艺设备，它的作用主要是通过空气使出窑的高温水泥熟料迅速冷却至以下，以防止熟料的“粉化”现象发生，确保熟料质量。同时，冷空气被高温熟料加热，作为二次风进入窑内，即减少了热损失，又保持了窑内热工制度的平衡。6.4.1 工艺原理(2) 从回转窑中出来的水泥熟料落在蓖板上，蓖板由滑差调速电机拖动做循环往复运动，使熟料向前运动，在蓖板下放有六个风箱，鼓风机通过这六个风箱向料层鼓风，使熟料冷却。冷空气

44、通过料层时被加热，进入窑内参加燃烧。图1 推冷机工艺原理图1.回转窑 2.推冷电机4.2号风机3.1号风机5.3号风机6.4号风机7.5号风机 8.6号风机9.蓖板6.4.1 工艺原理(3) 推冷机蓖板上物料的料层厚度和二次风温度是回转窑水泥生产过程中的重要参数，为了提高水泥熟料的产量，希望蓖板上物料的料层厚度尽量厚些，但料层太厚又会使熟料冷却速度降低，还会造成推冷电机超负合。从使熟料尽量快地降温角度出发，希望各风箱风量尽量大一些，二次风温度尽量低一些；但二次风温度直接影响窑内烧成带温度，它的变化会造成窑内热工制度的不稳定，二次风温度太低会使得烧成带温度很难提高。使它保持在一个合理的温度值对水

45、泥熟料的产量和质量有重要意义。6.4.2 二次风温度模糊控制系统 6.4.2.1 设计思想(1) 二次风温度的变化直接影响窑内烧成带温度，熟料的质量和产量，把它控制在一定的范围内对于稳定窑内煅烧制度，提高熟料的质量和产量有重要意义。影响二次风温度的因数主要有以下几种：熟料温度料层厚度各室风箱风量6.4.2.1 设计思想(2) 二次风温度的控制手段主要是调节蓖板下六个风箱阀门的开度，从控制角度来说，这是一个多输入单输出对象，由于对象非线性较严重，干扰因素多，难以建立精确的数学模型，传统的控制方法不适合于这种控制场合，所以要应用模糊控制系统。6.4.2.2 模糊控制算法(1) 在推冷机二次风温度控

46、制系统中二次风温的检测由热电偶完成，并通过调节六个风阀的开度对其进行控制，从被控对象出发，它是一个多输入单输出对象，一般应采用多输入多输出系统进行控制，其控制系统将很复杂。但是工艺上要求六个风阀的开度要有一定的关系，根据实际操作经验，在正常工况下，1室风阀应保持最大开度，5、6室风阀开度很小，主要调节2、3、4号风阀的开度，需要增大风量时，先主要开2号风阀，3、4号风阀随之开大，但幅度较小，2号风阀开到最大开度后，如果需继续增大风量，就开3、4号风阀。需要减小风量时，按上述相反的顺序关风阀，即先关4号风阀，再关3、2号风阀。因此，可以设计一个控制量u,根据u的大小改变各风阀的开度，把被控对象简

47、化为单输入单输出对象。 6.4.2.2 模糊控制算法(2) 二次风温T的测量范围为0-1000，要求控制在65050范围，以650为温度给定值，并定义温度偏差为e=T-650 (1) 则e的变化范围为 -650350，把温度偏差e转化成取值为-7，5区间的变量E，E与e之间的关系如图所示，为分段线性关系。EEEeeeeEiiiiii11()6.4.2.2 模糊控制算法(3) 例如，如果e的实际测量值为70，则 变量值 E温度偏差 -7-650-6-250-2-5025041505350E 42150507050224().变量E赋值表6.4.2.2 模糊控制算法(4) 把变量E模糊化，其对应的

48、模糊变量分为正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)，零(ZE)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NL)七个模糊子集，其隶属度函数为 PLEEe()(.)5152PMEEe( )(.)3152PSEEe()(.)1152ZEEEe( )(.)1 32NSEEe()(.)1152NMEEe()()422NLEEe( )(.)62 52 (E -6)1.0 (E-6)当上式计算结果小于0.1时，我们就取隶属度为0。6.4.2.2 模糊控制算法(5)变量E隶属度表 -7-6-5-4-3-2-1012345NL1.01.00.850.530.2400000000NM0.110.370.781.00.

49、780.370.11000000NS00000.170.641.00.640.170000ZE000000.10.551.00.550.1000PS0000000.170.641.00.640.1700PM000000000.170.641.00.640.17PL00000000000.170.641.0元素变量隶属度6.4.2.2 模糊控制算法(6) 在二次风温的控制中，还必须考虑温度偏差e的变化量，把连续两次采样得到的温度偏差的变化量de(dei=ei-ei-1)用分段线性的方法转换成在-3，3区间取值的变量 DE。DE对应的模糊集合分为负大(NL)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)

50、、正大(PL)五档，其隶属度为： 3)(DE 1.03) -3)1.0 (DE -3)6.4.2.2 模糊控制算法(7)变量DE隶属度赋值表 元素变量隶属度-3-2-10123NL1.00.500000NS00.51.00.5000ZE000.371.00.3700PS0000.51.00.50PL000000.51.0变量DE赋值表变量值 DE偏差变化值 -3-50-1-101103506.4.2.2 模糊控制算法(8) 根据实际操作经验，把控制量u分成在0，11区间取整数的变量U，对应的模糊量分为负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)七

51、档： 012345678910111#405060801001001001001001001001002#0102040557080901001001001003#05103040556070801001001004#0000510204060801001005#000001020304050701006#00000102030405070100控制量u与阀门开度对应关系 6.4.2.2 模糊控制算法(9)控制量U隶属度赋值表 01234567891011NL1.01.00.90.70.40.20.100000NM0.30.50.81.00.80.30.100000NS000.10.40.71

52、.00.70.20000O000000.81.00.90.50.200PS0000000.81.00.80.30.10PM00000000.2 0.71.00.80.2PL000000000.10.30.71.0元素变量隶属度6.4.2.2 模糊控制算法(10) 根据现场实际操作经验总结，得到以下形式控制规则（共18）条if E=NS and (DE=PS or DE=PL) then U=OPS=U then )PS=DEor ZE=DE( and PS=E ifPM=U then )ZE=DEor NS=DE( and PM=E ifPL=U then PL=E ifif E=PM and

53、 (DE=PS or DE=PL) then U=PL6.4.2.2 模糊控制算法(11) 控制系统实时运行中，计算机以10秒的周期对二次风温进行采样，将温度偏差值及其变化量量化并通过式(3)、(4)、(6)对其模糊化，计算出各隶属度值，然后通过以上各控制规则进行推理，对于每一条控制规则i，根据E和DE的隶属度，对应or关系采用并逻辑运算(取大)，对应and关系采用交逻辑运算(取小)推出对应的控制量Ui 1234567iiiiiiiiUNLNMNSOPSPMPL(i=1,2,.18) 6.4.2.2 模糊控制算法(12)然后采用并逻辑运算求出总的控制量U U181iiUU得到如下形式的控制量：

54、 3567124aaaaaaaUNLNMNSOPSPMPL其中 aijij 118(i=1,2,3,4,5,6,7) 6.4.2.2 模糊控制算法(13)由模糊推理得到的控制量U是一个模糊量，按重心法决策得到控制量U，设 )(),.,(),(max)(721UaUaUaUxPLNMNL则 110110)()(dUUxdUUUxU最后通过查控制量u与阀门开度对应关系表，按插值的方法确定各阀门的开度值，从而实现了二次风温度的模糊控制。6.4.3 料层厚度控制系统(1) 料层厚度控制系统由推冷速度窑转速比值控制系统和二室压力闭环控制系统两部分组成，推冷速度窑转速比值控制系统在因窑转速变化造成进入推冷

55、机的熟料流量变化时自动保持推冷速度与窑转速成比例，从而使料层厚度保持稳定，该系统简单实用，在料层厚度控制中起主要作用。二室压力闭环控制系统作为比值控制系统对料层厚度控制的补充，其控制器的灵敏度不宜太高，因而选用带死区的PI控制规律，并且其比例度和积分时间都较大。 6.4.3 料层厚度控制系统(2)推冷机料层厚度控制系统方框图料层厚度控制器推冷机滑差调速电机压力变送器二室压力给定值二室压力测速电机比值器窑转速+6.5 分解炉控制系统(1) 上个世纪七十年代初，出现了带窑外分解炉的新型干法回转窑。它的主要特点是把大量吸热的碳酸盐分解反应由窑内传热效率较低的区带转移到悬浮预热器与窑之间的预分解炉中进行。悬浮预热器利用窑废气热将生料粉加热至分解的临界点，物料进入分解炉后呈悬浮或沸腾状态。发生分解反应需要的热量，靠分解炉中进行的燃烧反应供给，分解炉中需要加入一定的燃料，使燃料燃烧的放热反应与生料分解吸热过程同时迅速的进行。这样，回转窑只承担放热反应和烧结任务，可以大大减轻回转窑的热负荷，从而使窑的生产能力成倍提高。6.5 分解炉控制系统(2) 窑外分解窑的主要优点是：入窑生料温度可达800850，碳酸钙表现分解率提高到9095%，熟料的热耗可降低到3200千焦/千克，比一般悬浮预热器窑低36%，单位面积产量比预热器窑高出一