现代过程控制基础水泥生产过程控制系统

6水泥生产过程控制系统信息学院·杨为民二○一一年九月当代过程控制基础第1页第2页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，经过生料配料、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，经过计算给出生料配方，生料配料工序依据化验室给出配方百分比对生料进行配料得到混合料，混合料经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、矿化剂按一定百分比混合后，经过水泥磨磨成粉状入水泥库，最终经过包装出厂。

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第3页6.1.1.1原料预处理

水泥生产主要原料是石灰石、粘土、铁粉。原料入厂后，首先要对它们进行处理，以使它们符合生产需要。原料预处理主要完成以下工作：１原料石破碎将入厂大块状石灰石等原料破碎成符合入生料磨要求碎块，为配料和粉磨做好准备。２原料烘干入厂粘土、铁粉、煤粉等原料中水份改变直接影响生料混和料成份，另外粉状物料在水份较多时轻易结块，影响配料及粉磨顺利进行，所以要把它烘干。普通要求烘干后粘土水份不超出２％。

第4页6.1.1.2生料配料化验室对入厂各种原料进行化验，并计算生料配方。生料配方计算是依据熟料质量要求推算生料混合料化学成份，再依据原材料化学成份计算出符合混合料化学成份生料配方。原料工序依据配方对生料进行配料。配好混合料经过生料磨进行粉磨。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，并依据它对原料配方进行调整。出磨混合料被送入原料库储存．并经过预均化后，就能够进行煅烧。

第5页6.1.1.3煅烧(1)

水泥煅烧过程是对水泥生料连续加热，经过一系列物理化学反应，使其变成熟料，再进行冷却过程。水泥煅烧过程是一个复杂热工过程，相关主要工艺设备有分解炉、回转窑、冷却机等。生料混合料一部分或全部进入分解炉，完成碳酸盐分解过程，然后进入回转窑，与直接入回转窑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。第6页6.1.1.3煅烧(2)⑴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，使其碳酸盐分解工艺设备，它由上旋流室、下旋流室和分解室组成，分解室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。分解炉生产过程质量标准是分解率，普通要求分解率尽可能高，影响分解率主要参数是分解温度，分解温度越高，分解率越高，但普通分解温度不许超出９５０℃，不然将使设备轻易损坏。第7页6.1.1.3煅烧(3)⑵回转窑工艺过程回转窑是一个倾斜放置卧式回转圆筒，生料由圆筒高端（普通称为窑尾）加入，因为窑体有一定斜度且不停旋转，物料由高端向低端（普通称为窑头）逐步运动，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，接收高温气体和火焰传给热量，经过一系列物理化学改变，被煅烧成熟料，再经冷却设备输送到窑外。燃烧用空气由两部分组成，一部分和燃料一起喷入窑内，叫做“一次空气”，另一部分经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ＳＯ2、ＮＯx等气体，废气中ＮＯx含量与燃烧温度相关，在氧供给充分时，燃烧温度越高，ＮＯx含量越大。第8页6.1.1.3煅烧(4)物料进入回转窑后，在高温作用下，进行一系列物理化学反应，按照不一样反应在窑内所占空间，划分为若干个“带”。干燥带：物料温度逐步升高到１５０℃，水份全部蒸发过程称为干燥过程，在回转窑中所占空间叫做干燥带。预热带：物料温度很快升高到４５０～４６０℃，完成粘土质原料脱水过程在回转窑中所占空间叫做预热带。第9页6.1.1.3煅烧(5)分解带：物料温度继续升高到６００℃以上，完成碳酸盐分解过程在回转窑中所占空间叫做分解带。分解带长度占回转窑筒体长度百分比较大，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空间叫做放热反应带。因为放热反应，物料温度上升很快，使该带物料与分解带物料有较大温差，从窑头看去，与分解带有明暗界限。该带长度较短，但对回转窑操作控制起着很主要作用。第10页6.1.1.3煅烧(6)烧成带：完成硅酸三钙形成和烧结反应过程在回转窑中所占空间叫做烧成带。烧成带温度对熟料质量影响最大，是回转窑自动控制中最主要参数。

冷却带：熟料烧成后继续沿窑体向前移动，温度开始下降，到窑头这段空间叫做冷却带。冷却带冷却介质是来自冷却机二次空气。第11页6.1.1.3煅烧(7)⑶冷却机工艺过程冷却机是用低温空气使高温物料骤冷工艺设备。有各种类型冷却机，本课程主要介绍是推进蓖式冷却机（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。物料铺放在蓖床上，伴随蓖床往复运动向前移动，蓖床下沿物料移动方向排列有若干个风室，鼓风机经过高压风管、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１００℃以下，同时空气本身温度上升，并进入窑内参加燃烧。第12页6.1.1.4熟料配料煅烧成熟料经破碎，并加入一定百分比矿渣和石膏，经水泥磨粉磨，就成为水泥，装入水泥库中储存。

第13页6.1.1.5包装在水泥库中散装水泥经包装工序按每袋一定重量装入水泥袋中，就成为袋装水泥，能够出厂了。

第14页6.2

配料控制系统(1)

在水泥生产中，生料混合料成份波动会直接给煅烧过程带来困难进而影响水泥产量和质量，所以说准确地进行生料配料是确保水泥高质高产基础。所以，在水泥厂进行技术改造时，首先开发成功并应用最广泛就是生料配料微机控制系统。水泥厂生料配料主要原料有石灰石、粘土、铁粉、煤粉、石膏、莹石等，分别装在６～８个料仓中，依据配料系统功效不一样，可分为以下两种：重量配料系统成份配料系统第15页6.2

配料控制系统(2)重量配料系统是按化验室给出生料配方自动控制各种原料流量，以确保原料之间成一定百分比，考评该系统指标是重量配比精度。但因为原料成份波动，重量配料有时并不能确保混合料成份满足要求。成份配料系统是在重量配料系统基础上引入出磨生料成份自动检测，并依据出磨生料成份与给定值偏差自动修正原料重量配方，以提升出磨生料合格率，考评该系统指标是出磨生料合格率。

第16页6.2.1物料量检测仪表(1)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，能够连续地检测物料重量流量。但压力信号与物料压在秤上位置相关，即一样重量物料压在秤上不一样位置，压力信号就不一样，所以它测量精度较低。第17页6.2.1物料量检测仪表(2)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，也能够连续地检测物料重量流量，压力信号与物料压在秤上位置无关，即一样重量物料压在秤上不一样位置，压力信号不变，所以它测量精度较高。

第18页6.2.1物料量检测仪表(3)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、物料粒度改变等原因影响，测量精度较高，维护量小，而且可用于高温物料（如水泥熟料）测量。但其有核辐射源，需要做好安全防护工作，它成本也较高。第19页6.2.1物料量检测仪表(4)核子秤第20页6.2.1物料量检测仪表(5)④调速电子皮带秤：这种电子皮带秤速度调整，它在测量物料流量同时，也能够经过调速来改变物料量。所以在使用调速电子皮带秤配料控制系统中普通不需要其它给料装置。调速电子皮带秤配料时是经过皮带运动把物料从料仓底部拉出来，不存在物料对皮带秤冲击，所以信号较平稳，但要求物料粒度要均匀、粘度要小。这种秤自动校零也很困难。第21页6.2.1物料量检测仪表(6)⑤斗式秤：这种秤适合用于间歇式配料系统中，配料时先由给料装置给料斗装料，停顿装料后再进行秤量，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；控制系统操作也较简单；同时实际给料量偏差也很轻易地在下一斗下料时进行赔偿，在一段时间内平均配料精度较高。这种配料系统缺点是对给料装置和物料传送系统能力要求较高，另外极难进行手动操作。第22页6.2.1物料量检测仪表(7)斗式秤第23页6.2.2物料给料装置(1)当采取恒速皮带秤、斗式秤等没有调整物料量大小功效检测装置计量物料时，为实现对物料流量自动控制，需要有适当给料装置。生料配料微机控制系统中所用物料给料装置主要有以下两种：①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，给出物料流量越大。②电振给料机：经过电磁震动使物料下落，振幅越大，给出物料流量越大。

第24页6.2.2物料给料装置(2)电振给料机圆盘给料机第25页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，并因为物料粒度不均匀或含水量大造成堵料现象，影响配料系统正常运行，需人工及时干预。水泥厂原料起源复杂，成份改变大，使配料合格率降低，需及时调整生料配方。第26页6.2.4配料控制算法6.2.4.1经典配料控制系统结构(1)配比计算调整器1给料装置1测量装置1流量对象1-Q1R1调整器n给料装置n测量装置n流量对象n-QnRn……R总第27页6.2.4.1经典配料控制系统结构(2)一个回路等效方块图PIDG0(s)-QR在动态过程中，不能确保配比一定第28页6.2.4.2按累计偏差控制算法(1)

如图所表示，它对瞬时流量测量值进行积分，并与流量设定值积分相比较，然后经过控制器，按两个积分值偏差调整控制器，以改变下料量大小，控制器目标是保持两个积分值偏差为零，从而确保在一段时间内物料配比精度。PIDG0(s)-QR不过因为物料流量给定值r>0，其积分值将随时间增加趋向无穷大，所以这个控制系统实际上是不能使用。第29页6.2.4.2按累计偏差控制算法(2)

经过等效变换，可得下列图，它在PID控制器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积分值es进行控制。我们把es叫做累计偏差。当该系统到达稳态，因为积分器作用及PID控制器积分作用，必有e=0及es=0，也就是说瞬时流量偏差为零，同时累计偏差也为零，所以它能够确保配料控制精度。因为PID调整器中有积分步骤，再加上一个积分器，开环系统是二型，闭环系统极难稳定，需要改进PID中积分算法。PIDG0(s)-QRees第30页6.2.4.3线性积分控制算法分析(1)影响上述控制系统稳定性主要原因是系统前向通道中两个积分步骤。PID控制器前面积分步骤作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控制器中积分步骤作用是调整控制量，使得在稳态时，累计偏差es=0。它也不能被取消，不过能够改变其算法。第31页6.2.4.3线性积分控制算法分析(2)首先分析积分步骤影响系统稳定性原因。PID控制器中积分步骤数学模型为：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：且初始条件为零，则它输出为：第32页6.2.4.3线性积分控制算法分析(3)当0<t<T1，es>0，而且>0，控制作用增加是正确。但当T1<t<T2，es>0，<0，uL(t)已经足以克服es(t)，它继续增加将造成系统超调和振荡。同理，当T2<t<T3，es<0，而且<0，控制作用减小是正确。但当T3<t<T4，es>0，>0，uL(t)已经足以克服es(t)，它继续减小将造成系统超调和振荡。线性积分器输出曲线第33页6.2.4.4非线性积分控制算法依据以上分析，能够构想采取以下非线性积分算法来代替线性积分控制算法改进系统稳定性：其中：uN－非线性积分器输出第34页6.2.4.5描述函数法分析(1)假设：则有：非线性积分器输出曲线第35页6.2.4.5描述函数法分析(2)写成以ωt为自变量函数：第36页6.2.4.5描述函数法分析(3)UN(ωt)是以2π为周期周期函数，它能够展开为付氏级数：其中：描述函数中所关心是付氏级数一次分量第37页6.2.4.5描述函数法分析(4)付氏级数一次分量可写为：或：非线性积分器一次分量相位滞后为57.52º，比线性积分器90º相位滞后超前了32.48º，这说明这种算法能够增加系统相位稳定裕量，使系统稳定性得到改进。第38页6.2.5配料控制系统其它功效(1)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，以使其对物料流量测量精度满足配料控制要求。不过在配料控制系统运行过程中因为现场环境恶劣、粉尘较大、振动较强烈，以及因为物料黏结在皮带上等原因，经常造成电子皮带秤零点漂移，给物料流量测量带来误差，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零点。其实现方法是：在系统运行过程中定时地停顿电振机下料，电子皮带秤空转一段时间，使秤上没有物料，然后秤量空秤重量；在正常工作时，将所测得重量值减去空秤重量，得到实际物料重量，并转换成物料瞬时流量值作为控制回路测量值反馈。第39页6.2.5配料控制系统其它功效(2)堵料报警因为料仓内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。这种现象假如不及时处理，其它原料继续下料，势必造成混合料成份不合格。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。堵料现象是经过物料重量测量信号进行判断，当某一控制回路控制量大于某一给定值而测量值过小，就认为发生了堵料现象，给出报警信号。第40页6.2.6采取调速电子皮带秤配料控制系统(1)采取恒速电子皮带秤水泥生料配料计算机控制系统因为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，在很多水泥厂采取调速电子皮带秤组成配料控制系统。存放于各料仓中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重量信号转换成与之相对应电信号，由传感放大器转换成标准信号送给控制器。因为调速电子皮带秤皮带速度不是恒定，物料流量与重量和皮带速度乘积成正比，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乘积并将它转换成物料瞬时流量信号，再把它们与对应设定值相比较，得到它们偏差值，按PID控制规律调整电磁调速电机转速，调整下料量，使之与其给定值相等。第41页6.2.6采取调速电子皮带秤配料控制系统(2)采取调速电子皮带秤配料控制系统因为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。但因为工作时秤上总有物料，不易实现自动校零功效。第42页6.2.7采取斗式秤配料控制系统(1)4.2.7.1控制系统结构及工作过程

其原料下料量控制回路中有装料电振机、卸料电振机、斗式秤等装置。与采取电子皮带秤配料控制系统不一样，其配料过程是间歇式。压力传感器把料斗内物料与料斗重量信号转换成与之相对应电信号，再由传感放大器转换成标准信号送给计算机，进行秤量。存放于各料仓中各种原料经过装料电振机装入斗式秤秤量斗内，秤量后再经过卸料电振机卸出，然后再进行秤量。计算机经过计算两次秤量重量值差值得到实际下料量，完成一次下料过程。第43页6.2.7采取斗式秤配料控制系统(2)第44页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重量wh，然后卸料至重量wl，并满足：

wh-wl=ws因为装料、卸料过程误差，上式并不能被满足，这就造成了配料控制过程误差，各下料过程误差累计值称为累计偏差es。为消除累计偏差，每次下料时将此次下料量给定值Ws(k)设为：Ws(k)=ws+Es(k)k=1,2,…..其中：k－下料次数

Es(k)－累计偏差第45页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w>wh，停顿装料电振机并等物料稳定后，进行秤量，得到此次满料重量Wh(k)，希望卸料后料仓重量给定值Wls(k)为：Wls(k)=Wh(k)-Ws(k)此时开启卸料电振机卸料，直到秤量重量w≤Wl

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)，则此次实际下料量为：

W(k)=Wh(k)-Wl(k)

下次累计偏差为：

Es(k+1)=Ws(k)-W(k)第46页6.2.7.3特点采取斗式秤配料控制系统因为采取静态秤量，秤量结果不受物料冲击、振动等影响，其控制算法中较轻易地实现了对累计偏差控制。但因为是连同几乎装满物料料仓一起秤量，每次下料量只占总秤量重量一小部分，要求传感器量程要大。另外因为是间歇下料，下料时间利用率较低，要求物料传输设备容量要大。第47页6.2.8

采取恒速电子皮带秤间歇式配料控制系统(1)为克服物料落下时对电子皮带秤冲击造成测量误差，采取恒速电子皮带秤配料控制系统中也能够借鉴斗式秤思想，采取间歇式下料、间歇式秤量控制方法。其控制系统结构与采取恒速电子皮带秤连续式配料控制系统相同，所不一样是控制算法。采取恒速电子皮带秤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。第48页6.2.8

采取恒速电子皮带秤间歇式配料控制系统(2)在第k个周期开始，设时间t=0。先使电振机工作，开始向皮带秤上下料。直到称量重量w≧Ws(k)或t≧T1，停顿下料，等到t>T1后开始称量，得到此次实际下料量W(k)，最终再计算Es(k+1)=Ws(k)-W(k)。等到t=T时，开始第K+1个周期下料过程，当t=T+T1时，秤上第K次下全部物料都已从秤上落下，秤上只有第K+1次下料物料，开始下一个周期秤量。设物料流量给定值为q，则平均每个周期下料重量期望值为：

ws=qT在第k个周期(k--0,1。…)，考虑到累计偏差ES(k)，实际下料重量给定值为：

Ws(k)＝ws+Es(k)第49页6.2.8

采取恒速电子皮带秤间歇式配料控制系统(3)在这种控制过程中因为两次下料中间最少有T2时间间隔，秤量时上一次下到皮带秤上物料都已落下，而下一次下料还没开始，所以秤量重量是此次下料量；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。第50页6.2.9成份配料控制系统(1)上述几个配料控制系统都是按物料重量配比进行控制系统，它们控制目标是确保各种物料在混合料中占一定百分比，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份含量稳定在其给定值。因为原料成份波动等原因，即使重量配比准确，仍不能确保混合料成份满足要求，所以需要按成份进行控制配料控制系统，即成份配料控制系统。第51页6.2.9成份配料控制系统(2)考评混合料是否合格标准是混合料中CaO和Fe含量是否满足要求，成份配料控制系统是在上述重量配料控制系统基础上增加混合料在线成份分析仪实现。混合料在线成份分析仪在线检测混合料中钙和铁等主要成份含量，并反馈给配料控制计算机，计算机依据其测量值自动修正配料重量配方，以确保混合料合格率。第52页6.2.9成份配料控制系统(3)

在有石灰石、粘土、铁粉、莹石四种原料配料系统中，设：其中：a11、a12、a13、a14分别是石灰石、粘土、铁粉、莹石氧化钙含量；

a2l、a22、a23、a24分别是石灰石、粘土、铁粉、莹石氧化铁含量；

x1、x2、x3、x4分别是石灰石、粘土、铁粉、莹石重量配比；y1、y2分别是混合料中氧化钙、氧化铁含量。第53页6.2.9成份配料控制系统(4)经过试验室分析得A，并依据期望Y值计算出配比X，则应有：

Y=AXx1+x2+x3+x4=1按配比X进行控制，一段时间后，检测混合料成份，得混合料实际成份Y*：因为原料成份波动等原因，普通Y*≠Y，需要对配方进行调整。第54页6.2.9成份配料控制系统(5)为简化运算，认为y1*偏误差是因为石灰石中含钙量a11改变造成，认为y2*偏误差是因为铁粉中含铁量a23改变造成，既：

A*X=Y*其中：则有：第55页6.2.9成份配料控制系统(6)水泥配料中，莹石加入是为了满足水泥物理性能要求，其配比普通不改变，即x4不变，而修正x1、x2、x3，修正后配方为：应满足：

A*X*=Y

及：

x1*+x2*+x3*+x4=1

第56页6.2.9成份配料控制系统(7)令：第57页6.2.9成份配料控制系统(8)则应有：

Y’=A’X’即：

X’=A’-1Y’可求得x1*、x2*、x3*，得到X*，做为修正后配方进行控制。第58页6.3煅烧控制系统

6.3.1回转窑自动控制系统结构

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番量计在线气体成份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采集、数据处理及一些参数闭环控制功效；过程自动化部分采取实时含糊教授控制系统得出基础自动化各控制回路给定值实现回转窑自动控制目标。第59页6.3.2参数检测(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窑尾气成份10燃料流量5窑转矩11二次风温度6窑转速12各风室风量第60页6.3.2参数检测(2)１、烧成带温度检测烧成带温度是直接反应烧成工况主要参数。对烧成带温度检测，主要有两种方法：第一个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，其一是因为窑体旋转，按装在窑体上热电偶信号不能直接引出来，人们通常采取滑环方法处理这个问题，但因为热电偶信号较弱、滑环接触不良等原因，效果不好。其二是因为窑内高温物料对热电偶冲刷，使热电偶无法长久稳定工作，所以热电偶普通不插入窑内，只是埋在窑壁中，对窑内温度进行间接测量。但因为窑内高温物料冲刷窑壁或结块，使得窑壁厚度发生改变，测量精度很差。第61页6.3.2参数检测(3)第二种方法是采取辐射高温计从窑头对窑内烧成带温度进行测量。这种方法难点是窑内火焰及光路中灰尘等对测量干扰以及窑头环境温度较高影响仪表正常工作。能够采取一定波长光电比色高温计以避开火焰干扰，采取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处理以上问题。

第62页6.3.2参数检测(4)２、废气成份在线检测窑尾废气中ＣＯ、Ｏ２含量直接反应燃料充分燃烧程度及过剩空气量，ＮＯＸ含量在氧气量供给充分条件下，随烧成带温度改变然而快速改变，故可用作控制窑煅烧主要参数。废气成份在线检测主要是分析窑尾气中Ｏ2、ＣＯ、ＮＯX

含量，它主要难点有两点，其一是尾气温度较高，使取样探杆难以长久工作。处理这一问题方法是水冷。其二是窑尾气中灰尘较多，易造成取样过滤器堵塞。普通经过用高压气体反吹来处理，但效果不理想，也有些人用向尾气中喷水雾方法，效果很好，但因为尾气中一些气体成份溶于水，对测量结果干扰较大。第63页6.3.2参数检测(5)我们认为处理废气成份在线检测问题首先要正确选择取样点，取样点要有代表性，取出气样能正确反应尾气情况，同时取样点环境条件要好一些，灰尘尽可能少、温度也不太高，使得对取样探杆要求不太苛刻。另外，在取样装置设计上，改进取样口形状，使吸入灰尘尽可能少，改进水冷、反吹装置，以提升取样装置在恶劣环境下长久工作可靠性。

第64页6.3.2参数检测(6)３、窑转矩检测窑转矩是间接反应烧成工况主要参数。直接检测较困难，当前多采取间接测量，用窑传动马达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。第65页6.3.2参数检测(7)４、胴体温度检测在水泥回转窑运行过程中，保护窑胴体不至过热损坏，并延长耐火砖寿命是很主要，所以，需要对胴体温度连续监视。胴体温度检测主要有三种方法：（１）、采取高速红外温度扫描器连续地测量整个窑胴体温度，用计算机采集温带信号，并在显示器上以图形、曲线形式显示整个温场，对高温情况进行报警。国外相关产品可做到以每秒１６次速度对整个窑沿长度方向扫描，效果很好，但成本很高。第66页6.3.2参数检测(8)（２）、采取窑沿长度方向运动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，用统计仪统计温度信号，对高温情况进行报警。这种方法扫描速度较低，普通只能对窑高温带检测，但成本较低。

（３）、采取红外热像仪连续地扫描整个窑胴体温度，用计算机对温场信号进行处理、显示温场并报警。

第67页6.3.3控制系统数学模型(1)

建立回转窑控制系统数学模型首先要采集大量过程数据，并积累操作经验，经过理论分析和对实际数据分析，建立入窑生料量与窑转速、燃料量关系，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ＮＯX含量关系，窑尾废气Ｏ2、ＣＯ含量与空燃比关系，并以此为依据，应用含糊逻辑控制原理，建立回转窑自动操作数学模型，它应包含以下几个方面内容：第68页6.3.3控制系统数学模型(2)１、入窑生料量与窑转速、燃料量协调动作。２、依据窑尾废气Ｏ2、ＣＯ含量调整送风量与燃料量比值。３、依据窑尾废气ＮＯX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比值及燃料量调整。４、依据由人工设入实际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ＮＯX含量关系。第69页6.3.4实时教授控制系统组成

实时教授控制系统由数据库、知识库和推理机组成。数据库存放生产过程实时数据，知识库存放控制规则，推理机依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教授控制系统组成基础自动化水泥回转窑生产过程实时教授控制系统第70页6.3.5知识表示(1)实时教授控制系统中，采取了基于规则表知识表示形式。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控制动作。第71页6.3.5知识表示(2)每个输入变量或输出变量占一列，规则中输入变量取值为其论域上一个含糊子集，或几个含糊子集“或”。每个控制变量占一列，其在规则中取值为其论域上一个含糊子集。图中所表示规则表中表示规则可叙述为：规则1IFNOx偏低ANDO2正常ANDCO正常AND温度偏低THEN降低转速规则2IFNOx偏高ANDO2正常ANDCO正常AND温度偏高THEN提升转速规则3IFNOx偏低ANDO2偏低ANDCO偏高AND温度正常THEN减小燃料量规则4IFNOx偏低ANDO2偏高ANDCO很低AND温度正常THEN增加燃料量第72页6.3.5知识表示(3)在这种知识表示方式中，在任一条规则中都要包含全部变量，而实际控制系统中，不一样规则可能由不一样变量组成，这给知识表示带来了困难。为处理这个问题，RECS系统中预定义了“”和“”两个含糊变量。其在任意变量X论域上隶属度函数为：当规则中某个输入变量取值为“”时，表示其总是匹配，条件是否成立取决于该规则中其它输入变量匹配情况。当规则中某个输入变量取值为“”时，表示其总是不匹配，条件不可能成立。当规则中某个输出变量取值为“”时，表示不论条件是否成立，其输出不改变。输出变量不能够取值为“”。

第73页6.3.5知识表示(4)规则表中列出了全部输入变量和控制变量，一条规则中输入变量集合是全体输入变量集合一个子集。一条规则中输出变量集合是全体输出变量集合一个子集。不属于该规则输入变量在表中对应位置取值为“”不属于该规则输出变量在表中对应位置取值为“”。

第74页6.3.6推理机推理机实现在线实时控制,首先将数据库中输入变量值含糊化，然后采取极大极小原理计算它们对各条规则条件隶属度。认为隶属度大于或等于组态时给出λ规则匹配成功，条件成立，该规则输出有效，并将它隶属度作为该规则可信程度。当有多条控制规则成立时，按加权平均法进行含糊决议，得到实际控制量。假如全部规则隶属度都小于λ，认全部规则都不成立，保持原有控制量不变。

第75页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主要工艺设备，它作用主要是经过空气使出窑高温水泥熟料快速冷却至１００℃以下，以预防熟料“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，即降低了热损失，又保持了窑内热工制度平衡。第76页6.4.1工艺原理(2)从回转窑中出来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，鼓风机经过这六个风箱向料层鼓风，使熟料冷却。冷空气经过料层时被加热，进入窑内参加燃烧。第77页6.4.1工艺原理(3)

推冷机蓖板上物料料层厚度和二次风温度是回转窑水泥生产过程中主要参数，为了提升水泥熟料产量，希望蓖板上物料料层厚度尽可能厚些，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。从使熟料尽可能快地降温角度出发，希望各风箱风量尽可能大一些，二次风温度尽可能低一些；但二次风温度直接影响窑内烧成带温度，它改变会造成窑内热工制度不稳定，二次风温度太低会使得烧成带温度极难提升。使它保持在一个合理温度值对水泥熟料产量和质量有主要意义。第78页6.4.2二次风温度含糊控制系统

6.4.2.1设计思想(1)

二次风温度改变直接影响窑内烧成带温度，熟料质量和产量，把它控制在一定范围内对于稳定窑内煅烧制度，提升熟料质量和产量有主要意义。影响二次风温度因数主要有以下几个：熟料温度料层厚度各室风箱风量第79页6.4.2.1设计思想(2)

二次风温度控制伎俩主要是调整蓖板下六个风箱阀门开度，从控制角度来说，这是一个多输入单输出对象，因为对象非线性较严重，干扰原因多，难以建立准确数学模型，传统ＰＩＤ控制方法不适合于这种控制场所，所以要应用含糊控制系统。第80页6.4.2.2含糊控制算法(1)

在推冷机二次风温度控制系统中二次风温检测由热电偶完成，并经过调整六个风阀开度对其进行控制，从被控对象出发，它是一个多输入单输出对象，普通应采取多输入多输出系统进行控制，其控制系统将很复杂。不过工艺上要求六个风阀开度要有一定关系，依据实际操作经验，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，主要调整2、3、4号风阀开度，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，假如需继续增大风量，就开3、4号风阀。需要减小风量时，按上述相反次序关风阀，即先关4号风阀，再关3、2号风阀。所以，能够设计一个控制量u,依据u大小改变各风阀开度，把被控对象简化为单输入单输出对象。

第81页6.4.2.2含糊控制算法(2)

二次风温T测量范围为0--1000℃，要求控制在650℃±50℃范围，以650℃为温度给定值，并定义温度偏差为∶e=T-650(1)则e改变范围为-650～350℃，把温度偏差e转化成取值为〔-7，5〕区间变量E，E与e之间关系如图所表示，为分段线性关系。第82页6.4.2.2含糊控制算法(3)比如，假如e实际测量值为70℃，则∶

变量值E温度偏差℃-7-650-6-250-2-5025041505350变量E赋值表第83页6.4.2.2含糊控制算法(4)把变量E含糊化，其对应含糊变量分为正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)，零(ZE)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NL)七个含糊子集，其隶属度函数为∶

当上式计算结果小于0.1时，我们就取隶属度为0。第84页6.4.2.2含糊控制算法(5)变量E隶属度表

-7-6-5-4-3-2-1012345NL1.01.00.850.530.2400000000NM0.110.370.781.00.780.370.11000000NS00000.170.641.00.640.170000ZE000000.10.551.00.550.1000PS0000000.170.641.00.640.1700PM000000000.170.641.00.640.17PL00000000000.170.641.0第85页6.4.2.2含糊控制算法(6)在二次风温控制中，还必须考虑温度偏差e改变量，把连续两次采样得到温度偏差改变量de(dei=ei-ei-1)用分段线性方法转换成在〔-3，3〕区间取值变量DE。DE对应含糊集合分为负大(NL)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正大(PL)五档，其隶属度为：第86页6.4.2.2含糊控制算法(7)变量DE隶属度赋值表

-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偏差改变值℃-3-50-1-10110350第87页6.4.2.2含糊控制算法(8)依据实际操作经验，把控制量u分成在〔0，11〕区间取整数变量U，对应含糊量分为负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)七档：

012345678910111#405060801001001001001001001001002#0102040557080901001001001003#05103040556070801001001004#0000510204060801001005#000001020304050701006#00000102030405070100控制量u与阀门开度对应关系

第88页6.4.2.2含糊控制算法(9)控制量U隶属度赋值表

01234567891011NL1.01.00.90.70.40.20.100000NM0.30.50.81.00.80.30.100000NS000.10.40.71.00.70.20000O000000.81.00.90.50.200PS0000000.81.00.80.30.10PM00000000.20.71.00.80.2PL000000000.10.30.71.0第89页6.4.2.2含糊控制算法(10)

依据现场实际操作经验总结，得到以下形式控制规则（共18）条∶第90页6.4.2.2含糊控制算法(11)

控制系统实时运行中，计算机以10秒周期对二次风温进行采样，将温度偏差值及其改变量量化并经过式(3)、(4)、(6)对其含糊化，计算出各隶属度值，然后经过以上各控制规则进行推理，对于每一条控制规则i，依据E和DE隶属度，对应or关系采取并逻辑运算(取大)，对应and关系采取交逻辑运算(取小)推出对应控制量Ui∶

(i=1,2,...18)

第91页6.4.2.2含糊控制算法(12)然后采取并逻辑运算求出总控制量U∶

得到以下形式控制量：

其中∶

(i=1,2,3,4,5,6,7)

第92页6.4.2.2含糊控制算法(13)由含糊推理得到控制量U是一个含糊量，按重心法决议得到控制量U，设∶

则∶

最终经过查控制量u与阀门开度对应关系表，按插值方法确定各阀门开度值，从而实现了二次风温度含糊控制。第93页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改变造成进入推冷机熟料流量改变时自动保持推冷速度与窑转速成百分比，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补充，其控制器灵敏度不宜太高，因而选取带死区PI控制规律，而且其百分比度和积分时间都较大。

第94页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++—+第95页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新型干法回转窑。它主要特点是把大量吸热碳酸盐分解反应由窑内传热效率较低区带转移到悬浮预热器与窑之间预分解炉中进行。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。发生分解反应需要热量，靠分解炉中进行燃烧反应供给，分解炉中需要加入一定燃料，使燃料燃烧放热反应与生料分解吸热过程同时快速进行。这么，回转窑只负担放热反应和烧结任务，能够大大减轻回转窑热负荷，从而使窑生产能力成倍提升。第96页6.5分解炉控制系统(2)窑外分解窑主要优点是：入窑生料温度可达800℃—850℃，碳酸钙表现分解率提升到90—95%，熟料热耗可降低到3200千焦/千克，比普通悬浮预热器窑低3—6%，单位面积产量比预热器窑高出一倍，为湿法长窑7倍。另外，还含有熟料质量高、占地面积小、环境污染轻、对燃料适应性强等优点。第97页6.5分解炉控制系统(3)

入窑气流由底部喉部高速进入，将炉内流体、燃料和物料不停裹挟进来，造成许多涡流而形成喷腾层。燃料及经预热物料则在炉锥部及炉下部适当地方加入，因为炉喷