水泥粉磨系統智能化建設新方案

張闖，魏燦，禹敏，趙華，馬純輝

1 水泥粉磨系統智能化建設現狀

現階段，我國水泥行業粉磨系統智能化建設目標主要集中在提質、增產、降耗及降低操作強度等方面，智能化解決方案多以建設智能控制系統和改造部分硬件設施為主。常規的智能化解決方案側重于使用檢測儀器控制關鍵參數，尤其在水泥粉磨系統生產過程中，生產管理人員評估系統產量低、電耗高等異常情況時，更多依賴的是自身積累的生產經驗及DCS運行參數，缺少技術專家的診斷及指導[1]；定性、定量分析缺乏多維度數據分析工具和連續的數據采集，分析使用數據量基數小且部分數據不可測，導致粉磨系統優化調整費時、費力，實際優化效果與預期目標存在一定距離。

當前，常規水泥磨智能控制方案并未包括智能操作部分，水泥粉磨智能控制系統主要包括智能控制專家系統、一鍵啟停系統、在線粒度分析及物料特征粒徑控制系統等，粉磨系統一鍵啟動后，無法自動判別生產工況及自動投料；生產運行過程中，異常工況自識別和自優化、喂料組斷料自補充、水泥生產品種自識別自切換入庫、中控和現場報警聯動等智能應用尚不完備。

本文通過總結近幾年提升水泥粉磨系統智能化水平攻關成果，逐步形成了“專家診斷+智能控制+智能操作”的新智能化解決方案，現以“輥壓機+球磨機”聯合粉磨系統為例進行介紹。

2 新的智能化解決方案介紹

2.1 專家診斷

通過粉磨專家現場診斷，結合理論計算，提供水泥粉磨系統升級改造方案并現場指導。專家診斷關鍵流程如下：

2.1.1 收集水泥粉磨系統基礎資料

包括但不限于水泥粉磨系統工藝設備裝機資料，球磨機裝載量、研磨體級配，輥壓機原始輥縫、蓄能器預充裝壓力，水泥磨篩余曲線，系統耐磨件臺賬，系統運行經濟指標（臺時產量、電耗、生產產品各品種占比），系統運行中存在的問題等。水泥粉磨系統主機設備裝機參數示例見表1。

表1 水泥粉磨系統主機設備裝機參數（參考）

2.1.2 計算和優化系統參數

（1）計算球磨機理論功耗。優化球磨機一倉、二倉研磨體裝載量，通過篩余曲線優化研磨體級配，通過集合流速優化活化環配置。

（2）計算輥壓機小時物料通過量。優化輥壓機原始輥縫和儲能器壓力，調整物料通過量。

（3）計算水泥粉磨Bond系數，優化在不同增益系數下的輥壓機循環負荷。

（4）計算水泥粉磨系統輥壓機電耗。

2.1.3 指導現場改造

專家根據現場實際提供診斷報告，并指導現場改造，具體改造內容包括以下幾方面：

（1）輥壓機系統改造

優化輥壓機原始輥縫、優化小倉倉重控制目標值、優化氮氣囊預充壓力值、控制液壓插板閥開度偏差、優化輥壓機研磨壓力、優化輥壓機喂料端布料，控制輥縫偏差等。

（2）球磨機系統改造

優化研磨體裝載量，優化研磨體級配，優化活化環結構等。

（3）風機系統改造

優化風機最佳工況效率；改定頻控制為變頻控制，高壓電機增加電容補償。

（4）其他子系統改造

優化V 型選粉機內部結構，提升物料分離效率；優化助磨劑添加位置及添加比例；降低水泥磨出口溫度；加強現場漏風治理，降低風機無功消耗。

2.2 智能控制

提供專業APC 智能控制系統及配套粒度分析儀。粒度分析儀配置方案根據現場情況確定。

2.2.1 系統配置

水泥磨APC 智能控制系統主要用于系統喂料量、輥壓機插板閥、循環風機、選粉機、磨尾風機、磨頭風機的自動控制。

若水泥生產線是單臺磨機，則可配置兩臺在線粒度儀，一臺用于磨頭取樣，平衡輥壓機與球磨機做功；另一臺用于成品取樣，控制水泥成品質量，同時通過磨頭、磨尾雙粒度檢測控制，實現輥壓機和球磨機的協同做功。若水泥生產線是多臺磨機，則可配置1套全自動粒度分析儀，自動取樣、送樣、留存樣、分析粒度，取樣點覆蓋每臺磨機的入磨和出磨位置。通過在線粒度儀監測產品特征粒徑控制水泥成品質量，替代了以往通過人工測算比表面積，控制水泥產品質量的方式。

2.2.2 實施路徑

通過配置在線粒度分析儀，實時檢測入球磨機物料粒度及出球磨機成品物料粒度，根據計算公式，得出循環負荷及選粉效率數據，選取磨頭＞45μm篩篩余顆粒粒徑平均值為特征粒徑，控制循環風機轉速，選取磨尾＞45μm及3～32μm篩篩余顆粒兩個區間的粒徑平均值為特征粒徑，調節磨尾排風機轉速[1]。在線粒度儀每15min自動上傳一次數據到中控DCS，檢測結果與傳統實驗室手工檢測數據一致。入磨、出磨水泥粒度分析儀見圖1、圖2。粉磨系統主要設備參數智能控制實施路徑如下：

圖1 入磨水泥粒度分析儀（試點企業）

圖2 出磨水泥粒度分析儀（試點企業）

（1）輥壓機和球磨機系統協同控制[2]

通過控制入磨物料特征粒徑，平衡輥壓機與球磨機做功，消除輥壓機做功不足與輥壓機系統循環負荷過大的現象，主要控制手段是調節循環風機轉速。

（2）穩流倉倉重控制

通過尋求穩流倉壓力、輥縫、倉重之間的最佳匹配關系，輸出倉重控制目標值；通過控制喂料量、調整循環風機轉速，將穩流倉倉重穩定控制在設定目標值左右。

（3）輥壓機穩定控制

通過控制輥壓機動輥電流、定輥電流、出磨循環斗式提升機電流，控制輥壓機振動、輥縫、穩流倉倉重下限等保護限值，平衡輥壓機物料通過量與循環量之間的關系，最大化輥壓機做功效率，主要控制手段是調節動輥斜插板開度、定輥側斜插板開度及研磨壓力。

（4）球磨機穩定控制

通過控制球磨機電流、負荷、磨頭負壓，控制出磨成品溫度、比表面積、篩余、特征粒徑等變量，穩定球磨機做功效率，主要控制手段是調節磨尾風機和循環風機轉速。

（5）產品質量控制

根據實時監測運行參數，建立質量軟測量模型，并參考在線粒度儀數據，進行產品質量自校正優化，實時輸出產品質量數據，參與過程控制，穩定磨機產量和質量。

（6）產能最大化控制

在磨機達到穩定運行狀態后，在循環風機轉速與產品質量之間找到一個平衡點，對產品產能進行動態的最大化調整，即，在滿足質量要求的前提下，使磨機達到最高產量。

2.3 智能操作

DCS系統具備相應的自定義報警、自定義語音播報等功能，DCS服務器硬件資源和控制系統軟件資源充足，提供水泥磨一鍵啟停、智能聯鎖、中控和現場聯動語音預警、異常工況自動識別及調整。

2.3.1 系統配置

（1）硬件配置：配置播音設備，包括防水音柱、數字功放等配套輔件，實現異常工況中控和現場聯動預警，進一步增強現場與中控協同處理故障的時效性。

（2）軟件配置：配置水泥磨一鍵啟停系統、智能聯鎖、自動投料、異常工況識別及處理、自動切換水泥生產品種、語音播報等系統軟件。

2.3.2 一鍵啟停和智能聯鎖實施路徑

（1）一鍵啟停

在現有DCS系統上，實現水泥磨生產運行一鍵啟停，并在啟停過程中，實現關鍵模擬量的自動調節，該技術已非常成熟，可有效降低操作強度。水泥磨一鍵啟停DCS界面如圖3所示。

圖3 水泥磨一鍵啟停DCS界面（試點企業）

（2）智能聯鎖

在現有DCS 系統工藝聯鎖、安全聯鎖、順序聯鎖等底層聯鎖的基礎上（優先級高），通過編程，增加智能聯鎖（優先級低）。此部分為非標準產品，需根據工廠的實際情況定制開發。

正常生產時，智能聯鎖開關可一直投用；在設備單啟/單停過程中，為避免觸發聯鎖，建議切除智能聯鎖或切除單啟設備聯鎖開關；在一鍵啟停過程中，系統會自動屏蔽智能聯鎖開關，待一鍵啟停結束后，智能聯鎖開關可自行恢復投用；設備延時跳停期間，恢復聯鎖設備運行，延時清除且不進行下一步跳停，恢復聯鎖保護；為避免觸發自鎖設備自啟條件，檢修期間須斷電。

（3）DCS上位操作

DCS 上位操作按鈕為智能聯鎖“投/切”按鈕，可實現智能聯鎖的投用和切除功能。

DCS下位接口邏輯需實現APC投切、智能聯鎖投切、一鍵啟停投切多重切換功能；一鍵啟停過程中，自動屏蔽APC 及智能聯鎖，且啟停結束后自動投用智能聯鎖功能；需實現常規底層聯鎖與智能聯鎖的優先級功能，智能聯鎖在聯鎖開關投用情況下生效，底層聯鎖不可手動切除；所涉及設備及執行器可按照設定好的聯鎖跳停及賦值邏輯，實現設備智能聯鎖功能。

2.3.3 異常工況識別及處理

基于APC智能控制系統，實現對工廠典型異常工況的自動識別及處理，此部分為非標準產品，需根據工廠實際情況定制開發。異常工況及對應處理方式如下：

（1）輥壓機小倉異常工況

存在問題：小倉塌料，輥壓機電流、輥縫、壓力波動不大，但出磨斗式提升機電流持續升高甚至跳停。

解決路徑：在磨機運行時，進行小倉塌料異常工況分析，準確判斷塌料異常原因，減少輥壓機物料通過量，保護設備穩定運行。

（2）循環風機和磨頭排風機異常工況

存在問題：輥壓機系統停機后，循環風機和磨頭排風機聯鎖未觸發停機，需人工干預。

解決路徑：監控運行狀態，及時發出預警。

（3）水泥磨喂料組異常工況

存在問題：熟料、石膏、粉煤灰、石灰石等喂料給定量與反饋量偏差較大。

解決路徑：中控進行喂料量對比分析，語音報警輸出提醒；石膏喂料量波動大時，自動聯鎖空氣炮動作，疏通下料；生產不同品種水泥時，當一種混合材斷料，自動增加另外一種混合材的喂料量，以保障磨機喂料穩定，進而穩定磨機工況。

（4）礦粉秤沖料異常工況

存在問題：礦粉秤包含給料部分和計量部分，礦粉秤輸送物料至拉鏈機，再至斜槽，再至出磨斗式提升機，目前給料控制方式為定頻給料。礦粉秤沖料會導致斗式提升機電流沖高。

解決路徑：控制出磨斗式提升機電流，降低礦粉秤計量頻率，保護斗式提升機不超限運行，礦粉秤給料正常后，自動恢復出磨斗式提升機電流，保證礦粉喂料量；遇緊急情況時，控制出磨斗式提升機電流上限，觸發礦粉秤自動停機和自動開機。

2.3.4 自動投料及自動切換水泥品種

近幾年，水泥粉磨系統自動投料、自動切換水泥生產品種、自動更換成品庫等需求日益增長，常規智能化方案整體聯動效果不理想，需優化提升。

自動投料智能控制系統可實現不同工況下的自動識別及自動投料，并關聯APC 自動控制程序，實現開機前自動預警、自動開機、投料條件自判斷、自預警、自投料的目標。

在切換水泥品種時，應根據工廠實際情況，選擇自動化手段，如，自動更換原料配比、自動更換成品庫等自動化聯鎖。在具體實施過程中，應考慮現場設備情況，尤其是執行器的可靠性、穩定性及信號的準確性，避免出現切換失誤的情況。目前，試點項目已實現半自動化，操作員可一鍵切換水泥生產品種原料配比、一鍵切換入庫。此部分為非標準產品且正處于升級攻關階段。自動投料及自動調整原料配比技術路徑如圖4所示。

圖4 自動投料及自動調整原料配比技術路徑（試點企業）

2.3.5 語音播報

存在問題：水泥磨運行期間，遇堵料、架倉、設備運行異常故障等情況時，需中控人員及時通知現場工作人員，但現場環境往往較差，存在噪音較大、對講機及手機信號弱等情況，中控人員與現場聯系不暢，導致磨機空載運行或停機。

解決路徑：在DCS 系統上實現設備跳停、重要參數異常、一鍵啟停、智能聯鎖投切等語音提醒。在現場增加語音播放器硬件設備，包括防水音柱、數字功放等配套輔件，后期根據現場情況判定是否增加；中控運行過程中如遇故障報警等情況，直接播報故障原因，聯動現場工作人員，及時處理異常故障，保障生產穩定運行。磨機啟停語音播報流程如圖5所示。語音播報智能控制需注意以下事項：

圖5 磨機啟停語音播報流程（試點企業）

（1）根據報警清單，錄制報警語音文件。

（2）在觸發報警條件下，操作站可自動播放提前配置好的語音文件。

（3）延時播放及播放次數以現場需求調試為準。

3 結語

本文分析了現階段水泥粉磨系統智能化建設主流解決方案存在的問題，并結合我公司取得的提升水泥粉磨系統智能化水平的攻關成果，提出了“專家診斷+智能控制+智能操作”的新智能化解決方案，該方案在試點企業運行效果明顯，有效改善了水泥粉磨系統生產經營數據，提高了水泥產品質量的穩定性。