多質(zhì)量指標(biāo)的水泥配料自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳志強(qiáng) 張 偉

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

水泥配料過程是水泥生產(chǎn)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，其質(zhì)量控制是水泥行業(yè)生熟料質(zhì)量控制和系統(tǒng)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、低耗運(yùn)行的關(guān)鍵[1]，體系的確立則取決于企業(yè)采用的控制方法。水泥行業(yè)采用的控制方法經(jīng)歷了三個(gè)階段，即鈣鐵分析控制、X-射線熒光分析控制和在線分析儀分析控制[2]。

(1)第一階段為鈣、鐵分析控制時(shí)期，可控制的質(zhì)量指標(biāo)只有Ca和Fe。20世紀(jì)70年代以前，水泥原料只有Ca、Fe兩項(xiàng)控制指標(biāo)能通過小時(shí)快速滴定或鈣鐵儀檢測出含量，其他元素的化學(xué)分析需4 h才能報(bào)出結(jié)果，滯后非常嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)對Ca、Fe元素之外的質(zhì)量指標(biāo)控制。

(2)第二階段為X-射線熒光分析控制，可控制的質(zhì)量指標(biāo)主要為三率值(石灰石飽和比KH，硅酸率SM和鋁氧率IM)。20世紀(jì)80年代，X-射線熒光分析儀成功引用到生料配料，能夠快速分析Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、S等多種元素，使同時(shí)控制多種質(zhì)量指標(biāo)具有理論上的可能性。但由于熒光分析儀為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，原料經(jīng)生料磨磨成粉料約需要5～20 min，加上取樣、制樣與分析時(shí)間，控制周期通常為1 h，滯后依然嚴(yán)重。再加上人工估算配比誤差，控制效果非常不理想。

(3)第三階段是在線分析儀控制階段。20世紀(jì)90年代，由美國熱電公司研發(fā)的中子活化在線分析儀進(jìn)入我國水泥市場，用于生料質(zhì)量控制。這項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)投入便顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢，主要是實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)測量與計(jì)算機(jī)自動(dòng)配料，測量與控制周期極短，通常為1 min，實(shí)現(xiàn)了前置控制，代替了X熒光分析方法的后置控制[3]，解決了控制滯后問題。

根據(jù)水泥現(xiàn)場復(fù)雜的原料情況和特殊工藝需求，我國很多水泥企業(yè)需要同時(shí)對很多種或所有的水泥質(zhì)量指標(biāo)予以控制。由于國外水泥工藝與國內(nèi)水泥工藝的質(zhì)量指標(biāo)需求差異，國外在線分析儀配料控制系統(tǒng)往往只是控制一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主要質(zhì)量指標(biāo)，通常為三率值或Si、Al、Fe、Ca指標(biāo)等，而對于Mg、K、Na、S等質(zhì)量指標(biāo)很少考慮，不能很好地滿足國內(nèi)水泥企業(yè)的質(zhì)量指標(biāo)控制需求。為適應(yīng)水泥企業(yè)對于多質(zhì)量指標(biāo)同時(shí)控制的需求，迫切需要一種適應(yīng)性強(qiáng)、配料質(zhì)量控制功能更完善的在線分析儀自動(dòng)控制系統(tǒng)。

DF-5701中子活化水泥元素在線分析儀是國內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)的首款水泥在線分析儀，于2011年首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)升級，測量性能指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。針對我國水泥現(xiàn)場的多種應(yīng)用需求，DF-5701在線分析儀自動(dòng)控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行針對性和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，質(zhì)量控制效果普遍優(yōu)于國外產(chǎn)品。本文以DF-5701中子活化水泥元素在線分析儀為平臺(tái)，探討利用中子活化在線分析儀實(shí)現(xiàn)多種質(zhì)量目標(biāo)的水泥自動(dòng)配料控制的可行性，提高水泥配料的自動(dòng)化控制水平，解決傳統(tǒng)水泥配料工藝無法同時(shí)滿足多種質(zhì)量目標(biāo)控制的問題。

1 水泥生產(chǎn)工藝

1.1 生產(chǎn)過程

水泥生產(chǎn)過程可概括為生料配料、熟料煅燒、水泥粉磨3個(gè)主要階段。

(1)生料配料。石灰質(zhì)原料、黏土質(zhì)(硅鋁質(zhì))原料與少量鐵質(zhì)、鋁質(zhì)、硅質(zhì)校正原料經(jīng)過破碎、預(yù)均化后，按一定比例配合、磨細(xì)，并調(diào)配為成分合適、質(zhì)量均勻的生料。

(2)熟料煅燒。生料計(jì)量后，送入預(yù)熱器預(yù)熱，經(jīng)分解爐分解，進(jìn)入窯內(nèi)煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料。

(3)水泥粉磨。熟料加適量石膏后，磨細(xì)成水泥。

生料配料階段是水泥生產(chǎn)的最初過程，也是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各種原料按照一定比例生產(chǎn)的出磨生料的質(zhì)量好壞，直接影響出窯熟料和最終水泥質(zhì)量。

1.2 配料質(zhì)量指標(biāo)

水泥生料各種質(zhì)量指標(biāo)是評價(jià)水泥生料質(zhì)量好壞的依據(jù)。由于各個(gè)水泥廠的原料來源與水泥用途不盡相同，水泥配料的質(zhì)量指標(biāo)也有所不同。通常采用兩類質(zhì)量指標(biāo)：一是各元素含量，二是由各元素含量計(jì)算所得的率值系數(shù)。其中各元素含量指標(biāo)主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、S等，率值系數(shù)主要有石灰石飽和比KH、水硬率HM、硅酸率SM、鋁氧率IM等。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分的主體為中子活化在線分析儀，主要由測量裝置、信號處理柜和主機(jī)組成。測量裝置為模塊化結(jié)構(gòu)，不需切割皮帶，可繞皮帶安裝。運(yùn)行時(shí)，皮帶從測量裝置內(nèi)托槽上滑過，對流經(jīng)的所有物料進(jìn)行檢測。整個(gè)檢測過程不需取樣，不接觸物料，不影響皮帶運(yùn)行，可每分鐘給出各元素含量分析結(jié)果。 圖1為載料皮帶從測量裝置中間滑槽穿過，信號處理柜安裝于測量裝置旁，主機(jī)安裝于主控室。

圖1 在線分析儀安裝示意

中子活化在線分析儀與自動(dòng)控制單元相連接，組成自動(dòng)控制系統(tǒng)(圖2)。以水泥生料自動(dòng)控制為例，在線分析儀安裝在入磨原料皮帶機(jī)上，控制系統(tǒng)與各原料下料秤信號相連接，組成閉合的生料自動(dòng)配料系統(tǒng)。在線分析儀每分鐘檢測入磨原料的化學(xué)成分(SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、S)等，將各種質(zhì)量指標(biāo)檢測值與質(zhì)量指標(biāo)目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過優(yōu)化計(jì)算，實(shí)時(shí)生成滿足質(zhì)量指標(biāo)要求的配料方案，連續(xù)調(diào)節(jié)各原料下料配比，使出磨生料各個(gè)質(zhì)量指標(biāo)始終保持在合理范圍內(nèi)，從而保證生料質(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 中子活化在線分析儀生料自動(dòng)配料系統(tǒng)示意

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 最優(yōu)化算法

最優(yōu)化是一門相當(dāng)廣泛的學(xué)科，討論的是決策問題的最佳選擇，構(gòu)造最佳解的計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和優(yōu)化計(jì)算方法的進(jìn)步，規(guī)模越來越大的優(yōu)化問題得到解決[4]，其中線性規(guī)劃算法是一種最常用的最優(yōu)化算法。

當(dāng)水泥生料進(jìn)行多組分和多種質(zhì)量指標(biāo)同時(shí)控制時(shí)，配比計(jì)算非常復(fù)雜，人工計(jì)算配比費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且誤差較大。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，應(yīng)用線性規(guī)劃算法，可以迅速計(jì)算出最優(yōu)化的配料比例。例如，利用Matlab的線性規(guī)劃工具，即可求解線性規(guī)劃問題。

3.2 多質(zhì)量指標(biāo)自動(dòng)配料設(shè)計(jì)

3.2.1 質(zhì)量指標(biāo)與優(yōu)先級

水泥生料質(zhì)量指標(biāo)的優(yōu)先級別一般根據(jù)不同工藝要求進(jìn)行設(shè)置。通常情況下，石灰石飽和比KH、硅酸率SM、鋁氧率IM的優(yōu)先級別較高。水泥生料質(zhì)量指標(biāo)與優(yōu)先級見表1。

表1 水泥生料質(zhì)量指標(biāo)與優(yōu)先級

3.2.2 配料方程

建立配料方程：

HX=Q

(1)

配料方程為線性方程組形式，其中H為響應(yīng)矩陣，Q為質(zhì)量指標(biāo)矩陣，X為各原料配料比例。H與各原料元素含量和質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算公式有關(guān)，Q與質(zhì)量指標(biāo)的目標(biāo)值有關(guān)。通過求解配料線性方程組即可求得各原料的搭配比例X(X1,X2，X3，…，XN)，N為參與配料的原料種類數(shù)目。

依據(jù)原料種類數(shù)目N和質(zhì)量指標(biāo)個(gè)數(shù)M，將配方方案的求解分3種情況：①質(zhì)量指標(biāo)的個(gè)數(shù)M≥原料種類數(shù)目N時(shí)，配料方程組無解；②質(zhì)量指標(biāo)的個(gè)數(shù)M=(原料種類數(shù)目N-1)時(shí)，配料方程組有且僅有一組解，即有一種配料方案；③質(zhì)量指標(biāo)的個(gè)數(shù)M<(原料種類數(shù)目N-1)時(shí)，配料方程組有多組解，即有多種配料方案。

針對第3種情況，當(dāng)原料種類較多、出現(xiàn)多種配料方案時(shí)，從質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)先級和成本最小化角度出發(fā)，利用線性規(guī)劃算法，求出最優(yōu)化的配料方案。建立目標(biāo)函數(shù)：

FCOST=ΣCNXN,

(2)

式中，CN為各原料的單位成本，元/t；XN為各原料的配料比例。

由于各原料生產(chǎn)條件的限制，各原料配比具有上下限約束：

lb≤XN≤ub,

(3)

式中，lb和ub分別為各原料配比的下限和上限。

由式(1)、(2)、(3)，通過線性歸化算法，可以求得滿足多個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的最優(yōu)化的配料方案。

3.2.3 自動(dòng)控制流程

在線分析儀自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程主要為：

(1)在線分析儀每分鐘檢測原料成分，得到各質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)反饋值。

(2)比較各質(zhì)量指標(biāo)設(shè)定值與反饋值差異，生成新的質(zhì)量指標(biāo)目標(biāo)值。

(3)根據(jù)新的質(zhì)量指標(biāo)目標(biāo)值和各原料的初始成分分析，通過配料方程和線性規(guī)劃計(jì)算，生成最優(yōu)化的配料方案，即各原料配比。

(4)配料方案通過自動(dòng)配料控制單元下達(dá)至各原料給料設(shè)備，及時(shí)調(diào)整各給料設(shè)備的流量值。

(5)原料配料比例更新后，在線分析儀重新得到下一周期的質(zhì)量指標(biāo)反饋值。繼續(xù)判斷反饋值與設(shè)定值差值，如果差值符合質(zhì)量目標(biāo)波動(dòng)范圍，則維持現(xiàn)有配料方案，否則重新計(jì)算配料方案。

如此循環(huán)，形成自動(dòng)配料閉環(huán)控制。在線分析儀水泥配料自動(dòng)控制系統(tǒng)控制示意見圖3。

圖3 在線分析儀水泥配料自動(dòng)控制示意

4 結(jié) 論

中子活化在線分析儀多質(zhì)量指標(biāo)水泥配料自動(dòng)控制系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)水泥質(zhì)量指標(biāo)的控制要求，能夠滿足水泥現(xiàn)場的各種生產(chǎn)工藝要求，解決傳統(tǒng)配料方式質(zhì)量控制功能不完善的問題。該系統(tǒng)適用于對多種原料配料質(zhì)量指標(biāo)的控制，原料種類不受限制，數(shù)目可達(dá)20種之多，目前水泥現(xiàn)場尚未出現(xiàn)超過20種原料配料的情況。相比傳統(tǒng)的3組分、4組分配料方式，具有更強(qiáng)的現(xiàn)場適應(yīng)性。最小控制周期可達(dá)1 min，實(shí)現(xiàn)了高頻率的閉環(huán)前置控制，解決了傳統(tǒng)配料方式以小時(shí)為調(diào)整周期的控制嚴(yán)重滯后問題。該自動(dòng)控制系統(tǒng)可以應(yīng)用到煤質(zhì)、燒結(jié)、選礦等其他工業(yè)領(lǐng)域的配料工藝中，特別適用于多組分、多質(zhì)量指標(biāo)的配料控制需求，對于提高工業(yè)自動(dòng)化控制水平具有重要意義。

[1] 魏元芳,路 森.一臺(tái)在線分析儀同時(shí)控制二條線原料磨配料的改造實(shí)施[J].水泥工程,2014(5):29-32.

[2] 沈 欣,方 婉.水泥生料質(zhì)量控制體系進(jìn)展及γ-射線分析儀特性[J].中國水泥,2013(12):71-75.

[3] 紀(jì) 俊.生料均化鏈發(fā)展淺析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2017(12):44-48.

[4] 袁亞湘,孫文瑜.最優(yōu)化理論與算法[M].北京:科學(xué)出版社,1997.