顏全生，馬昊旻，杜江

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 工業(yè)中心，廣東 深圳 518055）

1 引言

水泥是建筑中的主要材料。水泥生產(chǎn)是建材業(yè)中生產(chǎn)的能耗大戶，降低能源消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量是提高企業(yè)競爭力和經(jīng)濟效益的重要措施。節(jié)能降耗成為每個企業(yè)管理者所關(guān)心的重點。水泥生產(chǎn)是一個連續(xù)復(fù)雜的理化反應(yīng)生產(chǎn)過程，環(huán)節(jié)多，控制對象復(fù)雜、同時具有較大的慣性，純滯后，非線性的特點，系統(tǒng)工況復(fù)雜，且受干擾影響大。自動控制能保證生產(chǎn)穩(wěn)定，降低能耗減少污染降低生產(chǎn)強度[1]。

水泥的生產(chǎn)是將開采的石灰石與煤等進行鍛燒，溫度在1 200～1 600 ℃，鍛燒后進行強冷，就出現(xiàn)大小不一的塊狀與粉末，稱為熟料。將熟料、石膏、碎石、磚渣、粉煤灰等按一定的比例配比進行研磨成粉狀，就成為水泥。磨料的磨稱 為“開路磨”，這個磨是用厚鋼板做成的直徑約4.2 m，長度13 m 的滾筒式，兩端各有一個孔，一端進料、一端出料。內(nèi)部分成3 個區(qū)域，各區(qū)域的功能不同，每個區(qū)域放的鋼球大小不一樣，有大球區(qū)域就是在粗料倉，中球區(qū)域就是在中料倉，小球區(qū)域就是細料倉，每個區(qū)域用襯板隔開但是有一定的高度，用研磨體對物料的破碎和研磨，但中間有一定的直徑是通的。當水泥料進料口就進入“開路磨”當磨轉(zhuǎn)動起來，球與水泥料互相碰撞，當這些水泥料由大塊研磨細小達到一定的量時，就通過磨的通道就到磨的中間區(qū)的中球區(qū)，中間區(qū)用中球繼續(xù)與水泥料進行碰撞，當這些水泥料由細小塊研磨成粗粉時就到了小球區(qū)域，小球區(qū)域用小球繼續(xù)與水泥料進行碰撞成為細粉，其顆粒小于20 μm，在出口有抽風機將這些粉末抽出，就完成了水泥的磨粉。就進入裝袋程序，完成了水泥的生產(chǎn)如圖1所示。

圖1 水泥生產(chǎn)線控制系統(tǒng) Fig.1 Cement production line contol system

2 水泥生產(chǎn)線自動控制構(gòu)成[2]

水泥生產(chǎn)所用的熟料是石灰石，這種石頭是在石頭山所具有的，因此生產(chǎn)熟料是在能挖出石灰石的所在地。另外鍛燒熟料對環(huán)境有污染，所以將熟料與水泥都分開生產(chǎn)，特別是一些中小水泥生產(chǎn)廠都是購買熟料進行生產(chǎn)水泥的，陽江勝利水泥廠就是這樣的企業(yè)。

水泥生產(chǎn)線的控制采用西門子的PCS7 系統(tǒng)對水泥生產(chǎn)線進行自動監(jiān)控。系統(tǒng)要求以“安全、可靠、實用”為原則，及時掌握了解生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)的變化和設(shè)備運行的狀態(tài)，保證生產(chǎn)過程安全和質(zhì)量穩(wěn)定，能優(yōu)化工藝流程，提高管理水平，取得最佳效益[3]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮到“穩(wěn)定性、通用性、先進性”，設(shè)計成集中管理分布式控制[4]系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖 Fig.2 Network topology

水泥生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)是對水泥的配料、粉碎、裝袋進行自動控制與監(jiān)控，系統(tǒng)采用冗余的中央操作分別對廠變配電系統(tǒng)、生產(chǎn)的監(jiān)控、報警、記錄、存儲、報表的生成及管理功能進行監(jiān)控。整個系統(tǒng)配置了4 臺操作員站分別對不同的生產(chǎn)工段進行控制，其中有一臺兼有工程師站的功能，可以對系統(tǒng)的編程、組態(tài)工作，系統(tǒng)設(shè)有報警裝置、打印機等，對系統(tǒng)可以實時、定時、隨時進行打印。操作站通過以太網(wǎng)與廠管理系統(tǒng)進行資源共享，了解專家的建議。

操作站采用Dell 工業(yè)級電腦，10/100Mbit/s 以太網(wǎng)通信卡?？刂普静捎梦鏖T子S7-400H 系列PLC，雙CPU 主從結(jié)構(gòu)，主CPU（414-4H）進行系統(tǒng)控制、從CPU（CP443-1）進行網(wǎng)絡(luò)通信管理，雙交換機（EDS8-R）、雙溫度模塊（PT100）、雙電源（SITOP）雙接口電路；模擬量輸入AI8 10 塊，模擬量輸出AO45塊；數(shù)字量輸入DI22 塊，數(shù)字量輸出DO11 塊，中間繼電器MY2NJ 120 個，4 臺機柜，2 臺儀表顯示盤。整個系統(tǒng)共計1 100 個控制點，用PCS7 系統(tǒng)進行軟件開發(fā)，控制畫面用WICC 進行設(shè)計，系統(tǒng)的硬件由西門子的PLC﹑變頻器﹑傳感器組成，通訊采用PROFIBUS + PROFINET 結(jié)構(gòu)，用PROFIBUS 接口構(gòu)成PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備，讀取PROFIBUS 總線上各I/O 站的數(shù)據(jù)。同時配有PROFINET 接口，可與上位機通訊，實現(xiàn)與上位機的高速數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制功能。

2.1 配料控制系統(tǒng)

水泥生產(chǎn)首先是配料。因為水泥的標號不同各種材料的組成就不同，如325 號水泥的所用的材料；熟料58%；石膏4.5%；填充料29%；石子8%；助磨劑等組成。它是有5 個料倉出口，按比例出料。在每個料倉的出口都是由雙螺旋絞刀控制出料，控制雙螺旋絞刀的運轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)速，同時在出口下方有稱重的電子皮帶秤進行稱重，皮帶秤的荷重傳感器和變頻器的速度信號通過流量積分儀轉(zhuǎn)換為電信號輸入給PLC，由PLC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到上位機顯示，同時與PLC 設(shè)定值進行比較，用PID算法對螺旋絞刀進行閉環(huán)控制，保證輸出的每種原料有足夠的精度，使誤差控制在允許的范圍內(nèi)如圖3所示。

圖3 水泥配料PID 混合控制框圖 Fig.3 The frame chart of cement commix PID control

生產(chǎn)每一種標號的水泥其配方的比例都是不同的，根據(jù)市場的銷售情況進行生產(chǎn)。針對購進的水泥熟料和各種配料的情況進行配比。PCS7 系統(tǒng)在配料系統(tǒng)中建立各種材料的數(shù)據(jù)庫，將各種材料的成分含量存入數(shù)據(jù)庫。水泥配方常有5 種材料，要根據(jù)水泥的標號和熟料和各種配料的數(shù)據(jù)進行配料，配料中有3 種選擇；1)自主選擇，設(shè)置最高限額和最低限額參數(shù)；2)專家建議自動控制參數(shù)；3)經(jīng)驗選擇參數(shù)，上次生產(chǎn)的參數(shù)和數(shù)據(jù)庫中記錄參數(shù)。同時采用在線分析儀進行分析，為了提高合格率[5]只要選擇水泥的標號和總重量及熟料與各種原料的數(shù)據(jù)，其它在生產(chǎn)運行中經(jīng)過在線檢測進行配料調(diào)整[6]如圖4所示，水泥生產(chǎn)線配料系統(tǒng)。

圖4 水泥生產(chǎn)線配料系統(tǒng) Fig.4 Batching system of cement production line

2.2 磨機的控制系統(tǒng)

在水泥加工中這是最主要的工序。配料系統(tǒng)將配好的料，通過傳送皮帶機送到滾筒式的“開路磨”磨成粉狀的水泥?！伴_路磨”在運行時總的重量是260 t，用3 500 kW 的電機進行驅(qū)動，日產(chǎn)600 t 水泥?！伴_路磨”在起動時是將滾筒兩端支撐的滾動架進行噴油，油嘴有兩個；低壓油嘴和高壓油嘴，低壓油嘴噴出的油作為潤滑的功能，高壓油嘴噴出的油作為滾筒和瓦型支架的潤滑油膜及冷卻的用途。在“開路磨”起動時油泵工作兩個油嘴同時噴油，正常運行時高壓油嘴停止。

2.2.1 “開路磨”的散熱控制

當滾筒運行時，筒內(nèi)的鋼球與水泥料進行碰撞會產(chǎn)生大量的熱量。當溫度達到80°時高壓油嘴噴出的油對傳動機構(gòu)進行散熱。同時對滾筒的外部進行澆水散熱。同時對滾筒內(nèi)外不同的部位進行溫度檢測控制。如圖5所示。水泥的各種材料要成為粉狀，必需將材料中的水分蒸發(fā)掉，在滾筒內(nèi)有加溫的裝置。當滾筒內(nèi)達到一定的溫度后成為所需的 粉狀水泥，滾筒系統(tǒng)中有8 個溫度檢測點。在大球區(qū)域設(shè)有三個測溫點，當滾筒運行一定的時間后，水泥材料就要達到規(guī)定的溫度就可進入中球區(qū)，在中球區(qū)域設(shè)有兩個測溫點，當水泥材料進入小球區(qū)這是最關(guān)鍵的成品區(qū)，在這個區(qū)域設(shè)有3 個測溫點，保證水泥質(zhì)量和效率，溫度低出粉率低需要更多的研磨時間，溫度高對產(chǎn)品的質(zhì)量及設(shè)備也有損壞。

圖5 開路磨溫度檢測圖 Fig.5 Temperature detection of open circuit grinding

2.2.2 滾筒式的水泥生產(chǎn)控制

在滾筒內(nèi)水泥的原料裝齊后開始啟動，將原料磨成粉狀。鋼球經(jīng)過滾筒16 r/min，運轉(zhuǎn)的碰撞將水泥磨成粉狀，用風機的管道將粉狀的水泥抽出成為產(chǎn)品。風機的風量有一定的規(guī)定，風量過大將會把顆粒狀的抽出，影響水泥的質(zhì)量；風量小會影響水泥的產(chǎn)量。在滾筒運行不同的時間段對風量有不同的要求，采用變頻器進行改造抽風系統(tǒng)。是在保留原控制系統(tǒng)上增加一套變頻調(diào)速系統(tǒng)與原控制系統(tǒng)并聯(lián)，形成的雙回路控制系統(tǒng)。其特點是雙控制回路是互為備用可靠性高，控制電路檢修時不用停機，保障了生產(chǎn)的連續(xù)進行。通過改變電機的轉(zhuǎn)速來改變系統(tǒng)供風量，從而達到節(jié)能降耗的目的。

由于使用變頻器能任意調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，因此可按所需風量準確調(diào)節(jié)風量的大小，大大降低因風機引起的噪音，減少水泥粉塵污染，抽風機采用90 kW 的變頻器經(jīng)過多次測試設(shè)定在40～30 Hz 之間，這樣抽風機的節(jié)能在40%左右。

2.3 生產(chǎn)過程的控制

水泥生產(chǎn)是從原料倉進行檢測，根據(jù)水泥生產(chǎn)的需要進行配料的準備，如圖6所示。

圖6 水泥生產(chǎn)線流程圖 Fig.6 Cement production line flow

3 水泥裝袋的控制

成品水泥通過管道的抽風將粉狀的產(chǎn)品吸入成品倉，完成生產(chǎn)的過程后進入包裝的工序。裝袋有4 道工序，取袋、打開袋口、裝水泥、袋的縫口等。水泥包裝是在一個轉(zhuǎn)盤上完成，首先是取袋，將裝水泥的袋子用機械手取出到裝袋機上。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一個角度是第2 步，用兩個吸盤將袋子的口打開用。轉(zhuǎn)盤再轉(zhuǎn)動一個角度是第三步，將轉(zhuǎn)盤上方的水泥出倉口對準打開的袋子口，裝袋的水泥需要保證重量，在料倉的出口用雙螺旋絞刀控制出料，用PID 算法控制雙螺旋絞刀的運轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)速，同時有稱重的傳感器作為反饋的依據(jù)。轉(zhuǎn)盤再轉(zhuǎn)動一個角度是第四步，將裝好水泥的袋子進行縫口。最后將水泥袋子推到傳送帶送到成品倉庫或汽車上，水泥包裝流程圖如圖7所示。

圖7 水泥包裝流程圖 Fig.7 Cement packing flowchart

4 網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計

4.1 水泥生產(chǎn)線的通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

通訊網(wǎng)絡(luò)主要完成中央控制室操作員和各現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)通訊，采用TCP/IP 協(xié)議。水泥生產(chǎn)線有大功率的電動機的啟動運行的干擾，用穿鋼管進行屏蔽保護。西門子的PROFIBUS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品具有非常好的可靠性，只要連接各個控制站的網(wǎng)絡(luò)信號線路正確，網(wǎng)絡(luò)通信就能正常工作，而且網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)也很簡單，只要配置好參數(shù)就可以進入正常的通信[7]。

4.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器與主站通訊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)服務(wù)器作為所有控制站信息的交匯點，擁有整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息。根據(jù)主站所需要完成的任務(wù)，采用模塊化的軟件設(shè)計，分為：初始化模塊，通訊模塊，故障診斷模塊。

在初始化模塊中，每次PLC 重新啟動時，首先運行組織塊中的指令集，因此程序初始化的功能塊的作用主要是給一些輸入映像區(qū)和存儲區(qū)賦初始值，所運行簡單指令。

在通訊模塊中，主站的主要功能是實現(xiàn)與其它站之間的信息共享，這種共享是通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)的。

在故障診斷模塊中，當系統(tǒng)中的某一個從站與主戰(zhàn)不能通訊時，不管是什么原因引起的，都會在操作界面上顯示出來。在操作界面上有對應(yīng)的圖像顯示狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)某一個從站不能通信時，對應(yīng)的設(shè)備的圖像用紅色閃爍，并同時用聲音發(fā)出。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為上位機由WICC 組態(tài)軟件設(shè)計和下位機，現(xiàn)場控制軟件設(shè)計。上位機是整個系統(tǒng)過程控制軟件包括：生產(chǎn)總貌圖，控制流程圖，過程畫面顯示和管理圖表，報警信息的圖表，生產(chǎn)記錄的報表管理和打印功能，參數(shù)列表顯示圖，過程數(shù)據(jù)輸入輸出，連續(xù)控制調(diào)節(jié)，順序控制，歷史數(shù)據(jù)的存儲，人機接口控制及實時數(shù)據(jù)處理功能。這些集中操作、監(jiān)視層，通過WICC 完成。

現(xiàn)場控制軟件，主要是邏輯控制。完成設(shè)備的啟停和相關(guān)的故障處理。生產(chǎn)線上所有設(shè)備集中控制運行方式有連鎖控制、單機控制[8]。在正常生產(chǎn)過程中，設(shè)備處在集中控制的連鎖模式下。電機和各種閥門按程序進行啟停控制。連鎖運行方式是指順序啟動，因為系統(tǒng)啟動時有功率較大的設(shè)備，啟動時間長，啟動電流大，所有設(shè)備不能同時啟動。 根據(jù)水泥生產(chǎn)的工藝，編制控制流程。生產(chǎn)水泥的標號、總量、各個原料配比數(shù)量，其中水泥配料控制采用閉環(huán)數(shù)字PID 控制。對研磨機進行自動控制。到成品的包裝等。

6 結(jié)論

通過對水泥生產(chǎn)線的自動控制的改造。水泥抽風機采用變頻控制節(jié)電40%左右。整套系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制后，可以有效的控制各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在電腦前可以對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，減輕了生產(chǎn)強度和減少了人員的數(shù)量。同時對水泥生產(chǎn)的配料用專家系統(tǒng)進行決策，大大地提高配料的科學性，提高了水泥的質(zhì)量。這套系統(tǒng)經(jīng)過兩年多的運行，生產(chǎn)水泥的質(zhì)量穩(wěn)定可靠，大大地提高了經(jīng)濟效益和企業(yè)的名譽。

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