劉國忠，滿春

西門子總線型定量給料機(jī)在生料入窯質(zhì)量控制的應(yīng)用

Application of Siemens Bus-type Fixed Quantity Feederin Quality Control of Raw MealFeeding into Kiln in Cement Industry

劉國忠1，滿春2

1 項(xiàng)目簡介

現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)工藝可以簡單概括為：二磨一燒。其主要工藝流程包括礦山開采、原料破碎、粘土烘干、生料粉磨、熟料煅燒、熟料冷卻、水泥粉磨及成品包裝等工序。具有設(shè)備單機(jī)容量大、生產(chǎn)性強(qiáng)、人員配備有限、對快速性與協(xié)調(diào)性要求較高的特點(diǎn)。為了提高企業(yè)生產(chǎn)效率與競爭力，質(zhì)量管理與成本控制是關(guān)鍵，而保障產(chǎn)品質(zhì)量與降低成本最重要的環(huán)節(jié)就是對原料配比的控制。

本文以湖南湘維1200t/d水泥生產(chǎn)線為項(xiàng)目背景，結(jié)合用戶PCS7系統(tǒng)著重論述西門子總線型給料機(jī)在生料入窯定量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 技術(shù)方案

2.1 物料特性

入窯生料經(jīng)原料配料后混合送入球磨機(jī)粉磨，再按比例摻入電石渣，此時(shí)，物料呈粉末流態(tài)狀，體積密度約1000kg/m3，含水量≤0.5%，溫度≤80℃，下料方式為氣力輸送。

2.2 用戶工藝控制要求

如圖1，生料均化庫下料系統(tǒng)有A、B二路，設(shè)計(jì)為一開一備。正常生產(chǎn)時(shí)由A路控制，入窯生料經(jīng)均化庫底氣動開關(guān)閥與電動流量調(diào)節(jié)閥后至定量給料機(jī)，再通過皮帶輸送機(jī)至入窯提升機(jī)，送入大窯煅燒。當(dāng)定量給料機(jī)故障或檢修停機(jī)時(shí)，為確保工藝的連續(xù)生產(chǎn)，系統(tǒng)將自動關(guān)閉A路氣動開關(guān)閥，同時(shí)打開B路氣動開關(guān)閥，此時(shí)，中控操作員會根據(jù)入窯提升機(jī)的提升電流通過中控PLC I/O接口手動調(diào)節(jié)電動流量調(diào)節(jié)閥的開度來控制入窯生料量。

再者，為確保大窯的工況穩(wěn)定及熟料的煅燒質(zhì)量，用戶要求計(jì)量與控制精度必須控制在0.5%～1.0%以內(nèi)，且工作穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好。

2.3 西門子解決方案

2.3.1 產(chǎn)品的選用與設(shè)計(jì)

從目前行業(yè)應(yīng)用情況來看，對于生料均化庫底部的生料定量控制大多采用固體流量計(jì)。但此方案存在如下缺陷：

（1）控制與計(jì)量精度低（3%～5%），穩(wěn)定性與重復(fù)性差；

（2）對安裝要求較高，垂直安裝距離空間要求較大；

（3）同質(zhì)量水平的進(jìn)口設(shè)備成本高；

（4）動態(tài)校驗(yàn)與維護(hù)周期短；（5）單回路控制，無雙PID控制功能，自動狀態(tài)下控制效果欠佳。

由此，西門子專家從物料特性與實(shí)際工藝出發(fā)，綜合考慮各種現(xiàn)場因素，專門為其量身定做WF1200全密封結(jié)構(gòu)定量給料機(jī)。其整體設(shè)計(jì)充分考慮了用戶的入窯流量、物料密度與濕度、帶速、驅(qū)動能力、粉塵、撒料、計(jì)量與控制精度等問題。整套設(shè)備主要包括輸送機(jī)體、進(jìn)出料溜槽、料斗容量檢測、防塵罩、計(jì)量秤架、驅(qū)動裝置、積分儀、變頻器等部分。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)確保了西門子定量給料機(jī)優(yōu)良的工作性能。此外，從儀表數(shù)據(jù)處理以及與系統(tǒng)的通訊速率、抗干擾能力等方面考慮，增加設(shè)計(jì)了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊。通過總線方式完成數(shù)據(jù)的采集、控制及狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，這與用戶中控的西門子PCS7系統(tǒng)達(dá)到完美結(jié)合，避免了不同廠家設(shè)備的系統(tǒng)兼容性問題，更重要的是提高了整條生產(chǎn)線的自動化程度，有力地保證了過程生產(chǎn)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.3.2 系統(tǒng)工作原理與控制方案

圖1 工藝控制流程

2.3.2.1定量給料系統(tǒng)工作原理

西門子定量給料機(jī)將經(jīng)過皮帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進(jìn)行檢測，以確定皮帶上的物料重量；裝在尾部滾筒上的數(shù)字式測速傳感器，連續(xù)測量給料速度，該速度傳感器的脈沖輸出正比于皮帶速度；速度信號與重量信號一起送入給料機(jī)積分儀BW500，產(chǎn)生并顯示累計(jì)量/瞬時(shí)流量；積分儀將該反饋量與設(shè)定量進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出信號，控制變頻器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)定量給料的要求。

2.3.2.2 雙PID控制方案

西門子定量給料機(jī)雙PID控制方案是區(qū)別于其他品牌或其他計(jì)量設(shè)備的主要特點(diǎn)之一。

如圖2，一方面以儀表的瞬時(shí)流量R為控制源，DCS通過PROFI?BUS-DP總線通訊向BW500儀表寫入設(shè)定流量R1，并與儀表實(shí)時(shí)反饋的瞬時(shí)流量R2進(jìn)行比較，然后通過BW500的P、I、D運(yùn)算后，輸出4～20mA信號給變頻器，從而控制定量給料機(jī)的電機(jī)運(yùn)行頻率。

另一方面，因給料機(jī)上游喂料系統(tǒng)并非拖料方式，為使喂料量與給料量達(dá)到平衡，確保最優(yōu)控制效果，則以進(jìn)料斗下方的稱重傳感器L2所檢測到的物料容量S為控制源，L2傳感器將容重信號轉(zhuǎn)化為電壓mV信號，再通過電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號輸入給BW500，由BW500得出反饋的實(shí)時(shí)容重，再與儀表的容重設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出4～20mA信號來控制電動流量調(diào)節(jié)閥的開度。

此外，鑒于入窯生料氣力輸送及粉末與流態(tài)化特性，定量給料機(jī)進(jìn)料溜槽設(shè)計(jì)成S形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部加錯(cuò)層濾網(wǎng)，以減緩下料落差沖擊，確保定向均勻下料，有效抑制風(fēng)送及流化、計(jì)量及控制滯后等現(xiàn)象。

2.3.2.3 遠(yuǎn)程控制與冗余功能

根據(jù)用戶工藝A/B兩路一開一備的冗余控制要求，如何完成A路與B路的自動切換是方案關(guān)鍵。由此，當(dāng)A路定量給料機(jī)故障或檢修時(shí)，其故障或檢修信號將與B路電氣控制形成聯(lián)鎖。

正常情況下A路工作時(shí)，對入窯生料的計(jì)量與控制可通過PROFI?BUS-DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)中控?cái)?shù)據(jù)的讀寫（設(shè)定流量、瞬時(shí)流量、給料機(jī)皮帶速度、累積流量等），并可通過總線方式對定量給料機(jī)積分儀BW500的五個(gè)可編程離散輸入繼電器狀態(tài)位的讀取來遠(yuǎn)程完成現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控（包括超重、斷料、故障、跑偏、備妥、運(yùn)行等）。此外，定量給料機(jī)的遠(yuǎn)程啟?？赏ㄟ^電氣PLC的DO輸出接口來實(shí)現(xiàn)。

整套控制方案可在中控PCS7系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定量給料機(jī)的遠(yuǎn)程自動與遠(yuǎn)程手動控制模式。同時(shí)，方案具備遠(yuǎn)程冗余功能，即在中控遠(yuǎn)程故障時(shí)，可通過斷開BW500積分儀與中控的遠(yuǎn)程通訊設(shè)置，切換給料機(jī)旁本地與遠(yuǎn)程的硬件，采用儀表本地控制，實(shí)現(xiàn)本地自動或本地手動的工作方式。

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）獨(dú)特的輸送機(jī)體結(jié)構(gòu)，主體部分采用6mm鋼板及非焊接折鋼與特殊熱處理技術(shù)并進(jìn)行恒溫烤漆，確保機(jī)體不銹蝕、不變形、無長期應(yīng)力存在，提高了機(jī)械壽命與計(jì)量精度；懸臂式與模塊化輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，方便裝卸與更換皮帶；主動滾筒采用鋼面腰鼓形結(jié)構(gòu)并襯板，有利于自動調(diào)心與自清潔，防止皮帶打滑；給料機(jī)設(shè)計(jì)有內(nèi)外括板與防跑偏等輔助裝置，有助于皮帶清潔及系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖2 雙PID控制原理圖

（2）耐磨裙邊皮帶與全密封保護(hù)罩及出料收塵口設(shè)計(jì)，確保了皮帶的使用壽命，并解決了現(xiàn)場揚(yáng)塵問題。

（3）秤架采用獨(dú)特的“三無”（無杠桿、無支點(diǎn)、無平衡重）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝簡單，維護(hù)方便。直承式模塊化結(jié)構(gòu)減少了負(fù)載死區(qū)，更快速響應(yīng)。稱重傳感器采用西門子專利技術(shù)的三重梁平行四邊形原理，并具有寬范圍的溫度補(bǔ)償功能，有效地抑制了皮帶跑偏、托輥摩擦等非垂直力的干擾。

（4）速度傳感器采用1024脈沖/轉(zhuǎn)高精度光電編碼器測速，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，不受重復(fù)啟動及變頻高低速的影響，即使在有機(jī)械振動、自激振動和電氣噪音時(shí)也能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）儀表控制器具有自動或遠(yuǎn)程調(diào)零與量程校準(zhǔn)、雙PID控制、角度與濕度補(bǔ)償、專利電子自動配平等功能，分辨率可達(dá)0.02%，支持MOD?BUS，PROFIBUS-DP等多種通訊，在線升級方便。

（6）PROFIBUS-DP總線結(jié)構(gòu)簡化了現(xiàn)場，全數(shù)字化通信進(jìn)一步提高了控制精度與數(shù)據(jù)處理精度，抗干優(yōu)能力強(qiáng)，集成化程度更高。

（7）真正意義上的雙PID控制回路，使入窯生料流量控制更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確，確保生產(chǎn)正常。

（8）變頻器、電機(jī)與減速機(jī)等驅(qū)動產(chǎn)品均采用西門子、弗蘭德品牌，驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用軸直聯(lián)方式，簡化安裝，輸出力矩大，批量運(yùn)行節(jié)能降耗效果顯著。

4 應(yīng)用體會與技術(shù)分析

從項(xiàng)目實(shí)施與現(xiàn)場調(diào)試情況看，針對計(jì)量與控制效果，本人有以下幾點(diǎn)體會：

（1）傳感器初始安裝與托輥分布質(zhì)量直接影響定量給料機(jī)的重復(fù)性與計(jì)量精度。在此應(yīng)用案例中，單機(jī)標(biāo)定效果非常好，重復(fù)性誤差可達(dá)到0.01%。

圖3 控制效果圖

（2）雙PID回路中控制對象的反饋數(shù)據(jù)、PID參數(shù)的設(shè)定、電動流量調(diào)節(jié)閥與氣動開關(guān)閥的性能、均化庫內(nèi)工況與物料特性是否穩(wěn)定、氣力輸送過程中氣壓是否恒定等因素對系統(tǒng)控制精度均有影響。從此應(yīng)用情況看，目前控制精度基本在0.5%～1.0%，指標(biāo)已經(jīng)超過用戶的預(yù)期要求，見圖3。

（3）了解物料特性與生產(chǎn)工藝，進(jìn)料溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

（4）基于物料流態(tài)化與粉末特點(diǎn)，為了使皮帶上的物料被充分計(jì)量，必須確保物料在皮帶上的滯留時(shí)間＞0.4s，且稱重托輥距離頭輪至少兩個(gè)托輥以上，避免大負(fù)荷時(shí)，料層太厚，因物料流化引起的定量給料機(jī)出料口傾斜塌方，造成不充分計(jì)量，從而使儀表計(jì)量數(shù)據(jù)少于實(shí)際數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

（5）中控聯(lián)調(diào)時(shí)，對操作員的操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，需要操作員結(jié)合物料反饋容量、反饋速度、反饋流量等數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程分析現(xiàn)場情況，準(zhǔn)確有效地操作。

5 結(jié)語

西門子WF總線型定量給料機(jī)在該項(xiàng)目共使用21臺，是西門子PROFIBUS-DP總線型給料機(jī)在國內(nèi)市場的首次運(yùn)用。湘維公司該水泥生產(chǎn)線自2009年3月正式投產(chǎn)至今，用戶反映效果較好，原料配方準(zhǔn)確、可靠，完全滿足水泥工藝要求。事實(shí)證明，在生料均化庫底生料入窯控制的現(xiàn)場應(yīng)用中，西門子WF定量給料機(jī)的完美解決方案獲得了用戶的肯定。

[1]沈威，黃文熙，閔盤榮.水泥工藝學(xué)[M]武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2005.

[2]方原柏.電子皮帶秤[M]北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

TQ172.614

B

1001-6171（2015）02-0054-03

通訊地址：1上海海進(jìn)自動化工程有限公司，上海200092；2西門子（中國）有限公司，北京100102；

2014-11-12；編輯：孫娟