水泥生料配料過程優化控制系統的設計

劉艾明 曾傳駿 張琬君 鄭旺

中材建設有限公司（100176）

水泥生料配料過程優化控制系統的設計

劉艾明 曾傳駿 張琬君 鄭旺

中材建設有限公司（100176）

水泥生料配料過程是水泥生產中的重要工序，其目的是將各種原料按照一定的比例混合制成水泥生料成品，生料中各種化學元素含量指標決定了水泥產品質量。水泥生料配料過程中存在著變量多、滯后性、非線性等特點，采用常規的配料方法會導致生料成品質量不穩定。文章根據水泥生料配料工藝存在的問題和難點，設計開發了水泥配料過程優化控制系統。

水泥生料；配料過程；優化控制

0 前言

眾所周知，水泥生產線中，每一個環節都會嚴重影響成品水泥質量以及產量，從水泥工藝過程看出，水泥質量好壞與水泥熟料休戚相關，但是熟料的好壞完全取決于水泥生料的配料配比過程，因此水泥生料配料過程尤其重要。在配料過程中采用先進的優化控制系統,保證了生料配比的最優化,配料配制出符合要求的生料成品，對于提高熟料以及成品質量尤為重要，企業的生產效益和原料的利用率提高都有極大的幫助，以及降低工人的勞作強度、和能源節約有著重要作用。

1 優化控制系統的整體結構

優化控制系統結構主要包括優化系統、控制系統、監控系統三個部分，優化控制系統主要是對電子皮帶秤上各原料實際流量進行控制，使各化學成分在生料成品的百分含量達到生產指標要求。在配料過程中不僅要符合生料的指標，還要考慮控制生產成本，使生產成本降到最低，優化控制系統是實現以上所有功能的關鍵。水泥生料控制系統的結構功能圖如圖1所示。

監控系統主要是用Win CC軟件來開發設計的監控畫面，基本功能是對水泥生料配料過程中工藝參數以及設備運行狀態的監控，主要包括各種原料流量設定值、實際值參數監測，以及生料倉的液位狀態、原料實時在線趨勢圖、報警系統的監控和立磨機皮帶秤電機、選粉機等設備的啟停。監控系統能夠及時監視控制整個配料過程，使整個系統更加準確無誤的運行。

圖1 水泥生料控制系統的結構功能圖

優化系統以生料成品中化學元素含量指標為約束條件，控制生產成本最低為目標，運用序列二次規劃法計算出各種原料的流量設定值，然后把這些原料流量設定值傳送給底層回路進行PID調節控制，即通過控制變頻器的輸出頻率大小來控制原料皮帶秤驅動電機的轉速，實現原料的實際流量值跟蹤設定流量值，完成水泥生料配料過程。

控制系統主要包括邏輯控制和連續控制，邏輯控制主要包括對立磨機、選粉機、電子皮帶秤等設備的啟停。在邏輯控制過程中，要注意各種控制設備的運行狀態，建立設備間啟停、聯鎖等邏輯控制避免造成設備損害。連續控制主要是通過PID控制變頻器的輸出頻率來控制電子皮帶秤上各原料的實時流量值變化，PID的比例、積分、微分參數可以根據原料化學成分的改變而進行相關整定修改，使各原料實時流量值能夠實時準確地跟蹤原料的設定值。

2 優化控制系統的整體設計

本控制系統中設定的I/O地址有6個數字量輸入點，8個數字量輸出點，有10個模擬量輸入，4個模擬量輸出，具體的I/O地址分布圖如表1所示。

水泥生料配料控制系統中的核心是S7-400控制器,控制系統平臺的程序有連續控制和邏輯控制。邏輯控制主要是各生產設備的啟停控制，主要有各種原料的電子皮帶秤、喂料系統、立磨機、選粉機等設備的啟停控制，在開發的半實物仿真平臺中有這些設備的啟停控制按鈕和狀態顯示。在監控畫面中設備的啟停控制是通過按鈕NO/OFF來執行完成啟停動作，監控畫面中的圓圈是模擬設備運行狀態的信號燈，當設備正常工作時是綠色，灰色時設備停止工作，設備出現故障時信號燈會自動變成紅色進行報警，此外生料倉的液位到達上限值時也會影響各設備的運行狀態。變頻器控制電機控制是基于PROFIBUS-DP網絡，通過CPU的PROFIBUS-DP端口直接相連，不需要設置I/O地址。連續控制包括底層回路中各原料流量設定值和流量實際值作為PID的輸入值,經過PID控制器對誤差調節輸出作為變頻器的輸入信號值，進而形成一個完整的連續控制閉環回路。水泥生料配料優化控制系統設計的結構圖如圖2所示。

表1 I/O點分布

圖2 優化控制系統的結構圖

根據I/O點數的需要在控制器上要保留冗余的模塊，文中選擇數字量輸入模塊SM321，數字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出SM332。根據SIMATIC S7-400的網絡結構以及硬件的特點，可以設計出控制器的硬件結構，其結構分為PROFIBUS、PROFIBUS-DP、執行元件等三個網絡結構組成，其中上位機與控制器的通信協議是通過PROFIBUS來實現數據傳輸和共享，在SIMATICS7-400控制器的CPU中有兩個集成的PROFIBUS-DP通信端口，分布式I/O模塊與PROFIBUS-DP主站端口采用的接口模塊IM153-1進行連接才能通信，變頻器也可以通過PROFIBUS-DP端口與CPU進行連接實現控制器對變頻器調速的控制。

3 結語

文章設計及開發了水泥生料配料優化控制系統，包括以控制器S7-400為核心的控制平臺，網絡結構、系統的整體設計以及硬件之間的接線，還包括各個設備的邏輯啟停控制。以及底層流量形成閉環回路的連續控制回路和監控控制過程的監控畫面，提升和改進了水泥配料生產過程。