基于SIMATIC的水泥廠粉磨控制系統的優化研究

張曉君

（山西晉興奧隆建材有限責任公司， 山西 忻州 036300）

引言

隨著各類基礎設施的建設力度不斷加大，對水泥的需求量與日俱增，因此為滿足巨大的市場需求，各水泥生產企業對水泥生產的效率和質量要求不斷提高[1]。目前各大水泥生產企業的水泥粉磨控制系統自動化程度較低，粉磨過程嚴重依賴于操作人員的熟練程度，不僅生產效率低下而且導致水泥產品的質量波動較大，嚴重限制了水泥生產企業的進一步發展，因此如何對現有粉磨控制系統進行優化，提高粉磨生產過程的自動化程度和水泥產品質量，是擺在水泥生產企業面前的一道難題。

1 水泥粉磨生產線工藝流程

本文以某水泥廠的粉磨生產工藝為例，其粉磨過程主要包括原料段、輸送段以及磨機段三個過程，在實際生產時，首先水泥熟料等原料在原料段經過混合處理后由升降送料機將其送入到粉磨的原料料倉內，水泥熟料在料倉內首先經輥壓機對其進行碾壓、稱重，然后將原料傳送到烘干機進行烘干處理，最后再由輸送設備將其轉入到選粉機內進行分選，將水泥熟料粒度超標的部分篩選出來再將其傳送到球磨機處進行碾磨處理后進行再次分選，將其中粒度符合要求的部分直接傳送到成品區進行打包處理，其中粒度不符合要求的再次進入到球磨機內進行碾磨處理，如此反復循環，直到所有的水泥熟料均完成磨粉處理[2]，水泥熟料的粉磨生產過程如圖1所示。

由圖1可知，料倉位于線體的原料段，在料倉的下端設置有一個自動控制閥門，該處設置的傳感器設備可以根據監測到的料倉質量精確換算出水泥熟料在料倉內的粒位，然后根據系統整體的水泥粉磨速度，控制料倉的開啟和閉合，實現連續供料。球磨機是用于將大直徑的水泥熟料進行碾磨的設備，主要用于將進入球磨機內部的物料進行碾壓和研磨，使其滿足生產時設定的水泥顆粒的直徑要求，球磨機的工作情況直接關系到了水泥產品的質量。

圖1 水泥粉磨生產線工藝流程圖

2 基于SIMATIC的粉磨控制系統

在對水泥生產的粉磨工藝流程進行分析的基礎上，基于目前自動控制、監測、信息化技術的飛速發展，本文提出了基于SIMATIC的水泥粉磨自動控制系統，其包含了工藝過程控制對象、自動化控制站、優化控制決策模塊等，整體結構如圖2所示。

圖2 基于SIMATIC的水泥粉磨自動控制系統

在該控制系統中，核心為工程師控制站，它是系統對整個水泥粉磨工藝流程進行控制的核心，在該控制站點，利用集成的SIMATIC控制軟件對各監測和控制工作站進行集成控制。

3 粒位監測控制系統的設計

在水泥粉磨處理時如何對料倉內的水泥熟料量進行監測，直接關系到水泥粉磨的效率和質量，料倉內的水泥熟料過多說明下料過少，造成水泥粉磨的效率低下，如果水泥熟料在料倉內過少，則說明同時涌入選粉機內的水泥熟料過多，將導致分選效率下降，造成水泥成品粒度超標，嚴重影響水泥產品的質量，因此需要對水泥料倉內的水泥熟料的粒位進行精確監測和控制，其整體結構如圖3所示。

圖3 水泥粒位控制流程示意圖

在工作時，如果系統實際監測到的物料位置信號為Dact，系統設定的料位信號為Dset，則實際的粒位的偏差為△Dact，由于料倉開啟后物料從下落到進入輥道之前仍有距離，因此物料在運輸時的速度是一個非常重要的控制值。將△Dact和物料的輸送速度設置為粒料控制器的控制參數，經過SIMATIC控制系統的運算后把料倉的控制閥門的調節量△O和水泥熟料的入料速度設置為系統的關鍵控制信號，實現對料倉控制閥門的動態閉環調整，滿足△Dact趨近于零的控制要求。由其控制邏輯可知，料倉的控制閥門在調整的時候必須根據物料下落時的傳輸速度來確定，避免只保證料位而忽視了下落物料溢出的情況，當物料下落速度為零時，即便是在料倉內處于一個高位，那么為了避免下落物料的溢出，也必須保持料倉處于關閉的狀態[3]。

4 出料閥給定與稱重倉料位的控制

水泥的粉磨過程是一個非常復雜的基于多變量的耦合生產流程，各流程工序之間需要控制的變量多，傳統的僅靠工作人員根據工作經驗調節極易導致生產過程的波動，影響產品品質，特別是在粉磨生產過程中出料閥的給定和稱料倉位的聯合控制方面[4]，直接關系到水泥粉磨生產的穩定進行。

稱重倉料位智能化控制的意義在于確保粉磨生產過程中整個工藝流程物料供應系統的有機平衡，實現球磨機和選粉機之間物料的連續動態供應，實現水泥熟料連續、穩定的分選，確保水泥分選后的粒度滿足生產要求，因此在現有控制流程基礎上對料倉出口控制閥門的設定總量給定和料倉料位的關系進行了研究，實現了對整個出料閥給定與稱重倉料位的動態平衡控制，其整體控制流程如圖4所示。

圖4 出料閥給定和稱重倉料位動態控制流程

在實際的生產中，因位于料倉內的水泥熟料由多種直徑的塊狀物組成，在根據系統反饋信號對料倉的控制閥門進行調節后，其入料的速度將會根據閥門調節的大小進行一個短時間的流速緩存，在流速穩定后才會進入到一個實際的供料平衡狀態，因此為了確保供料系統調節的準確性，需要在調節控制閥門的時候，根據開口的大小對其設定一個延時保護時間。由圖4可知，當料倉的物料料位位于系統設定的料位上限時，需要控制機構控制降低閥門開啟的大小，并根據設定的延時保護時間在保護時間內對其流量進行觀察確認，當系統檢測到的物料料位的均值小于系統設定的料位下限時，同樣由控制系統控制調節閥門的給定量，并進行相應的延時觀察，實現物料給定的連續和平穩性。

5 結論

水泥廠的粉磨機是將小的水泥物料顆粒研磨成粉的設備，其工作的穩定性和可靠性直接關系到水泥的生產效率和產品質量，針對水泥廠現有的粉磨控制系統在實際應用中存在的自動化程度低、效率低下，產品質量嚴重依賴于工人操作的難題，提出的基于SIMATIC的水泥廠粉磨控制系統的優化方案，對水泥生產過程中的各工藝參數及系統進行協調控制，極大提升了水泥廠粉磨過程的自動化程度和產品質量的穩定性，使企業達到降本增效的目的。