劉艾明 曾傳駿 張琬君 鄭旺

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生料配料過程優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉艾明 曾傳駿 張琬君 鄭旺

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生料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，生料中各種化學(xué)元素含量指標(biāo)決定了水泥產(chǎn)品質(zhì)量。水泥生料配料過程中存在著變量多、滯后性、非線性等特點，采用常規(guī)的配料方法會導(dǎo)致生料成品質(zhì)量不穩(wěn)定。文章根據(jù)水泥生料配料工藝存在的問題和難點，設(shè)計開發(fā)了水泥配料過程優(yōu)化控制系統(tǒng)。

水泥生料；配料過程；優(yōu)化控制

0 前言

眾所周知，水泥生產(chǎn)線中，每一個環(huán)節(jié)都會嚴(yán)重影響成品水泥質(zhì)量以及產(chǎn)量，從水泥工藝過程看出，水泥質(zhì)量好壞與水泥熟料休戚相關(guān)，但是熟料的好壞完全取決于水泥生料的配料配比過程，因此水泥生料配料過程尤其重要。在配料過程中采用先進的優(yōu)化控制系統(tǒng),保證了生料配比的最優(yōu)化,配料配制出符合要求的生料成品，對于提高熟料以及成品質(zhì)量尤為重要，企業(yè)的生產(chǎn)效益和原料的利用率提高都有極大的幫助，以及降低工人的勞作強度、和能源節(jié)約有著重要作用。

1 優(yōu)化控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括優(yōu)化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)三個部分，優(yōu)化控制系統(tǒng)主要是對電子皮帶秤上各原料實際流量進行控制，使各化學(xué)成分在生料成品的百分含量達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo)要求。在配料過程中不僅要符合生料的指標(biāo)，還要考慮控制生產(chǎn)成本，使生產(chǎn)成本降到最低，優(yōu)化控制系統(tǒng)是實現(xiàn)以上所有功能的關(guān)鍵。水泥生料控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。

監(jiān)控系統(tǒng)主要是用Win CC軟件來開發(fā)設(shè)計的監(jiān)控畫面，基本功能是對水泥生料配料過程中工藝參數(shù)以及設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控，主要包括各種原料流量設(shè)定值、實際值參數(shù)監(jiān)測，以及生料倉的液位狀態(tài)、原料實時在線趨勢圖、報警系統(tǒng)的監(jiān)控和立磨機皮帶秤電機、選粉機等設(shè)備的啟停。監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時監(jiān)視控制整個配料過程，使整個系統(tǒng)更加準(zhǔn)確無誤的運行。

圖1 水泥生料控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖

優(yōu)化系統(tǒng)以生料成品中化學(xué)元素含量指標(biāo)為約束條件，控制生產(chǎn)成本最低為目標(biāo)，運用序列二次規(guī)劃法計算出各種原料的流量設(shè)定值，然后把這些原料流量設(shè)定值傳送給底層回路進行PID調(diào)節(jié)控制，即通過控制變頻器的輸出頻率大小來控制原料皮帶秤驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)原料的實際流量值跟蹤設(shè)定流量值，完成水泥生料配料過程。

控制系統(tǒng)主要包括邏輯控制和連續(xù)控制，邏輯控制主要包括對立磨機、選粉機、電子皮帶秤等設(shè)備的啟停。在邏輯控制過程中，要注意各種控制設(shè)備的運行狀態(tài)，建立設(shè)備間啟停、聯(lián)鎖等邏輯控制避免造成設(shè)備損害。連續(xù)控制主要是通過PID控制變頻器的輸出頻率來控制電子皮帶秤上各原料的實時流量值變化，PID的比例、積分、微分參數(shù)可以根據(jù)原料化學(xué)成分的改變而進行相關(guān)整定修改，使各原料實時流量值能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地跟蹤原料的設(shè)定值。

2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

本控制系統(tǒng)中設(shè)定的I/O地址有6個數(shù)字量輸入點，8個數(shù)字量輸出點，有10個模擬量輸入，4個模擬量輸出，具體的I/O地址分布圖如表1所示。

水泥生料配料控制系統(tǒng)中的核心是S7-400控制器,控制系統(tǒng)平臺的程序有連續(xù)控制和邏輯控制。邏輯控制主要是各生產(chǎn)設(shè)備的啟?？刂疲饕懈鞣N原料的電子皮帶秤、喂料系統(tǒng)、立磨機、選粉機等設(shè)備的啟停控制，在開發(fā)的半實物仿真平臺中有這些設(shè)備的啟?？刂瓢粹o和狀態(tài)顯示。在監(jiān)控畫面中設(shè)備的啟停控制是通過按鈕NO/OFF來執(zhí)行完成啟停動作，監(jiān)控畫面中的圓圈是模擬設(shè)備運行狀態(tài)的信號燈，當(dāng)設(shè)備正常工作時是綠色，灰色時設(shè)備停止工作，設(shè)備出現(xiàn)故障時信號燈會自動變成紅色進行報警，此外生料倉的液位到達(dá)上限值時也會影響各設(shè)備的運行狀態(tài)。變頻器控制電機控制是基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，通過CPU的PROFIBUS-DP端口直接相連，不需要設(shè)置I/O地址。連續(xù)控制包括底層回路中各原料流量設(shè)定值和流量實際值作為PID的輸入值,經(jīng)過PID控制器對誤差調(diào)節(jié)輸出作為變頻器的輸入信號值，進而形成一個完整的連續(xù)控制閉環(huán)回路。水泥生料配料優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

表1 I/O點分布

圖2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)I/O點數(shù)的需要在控制器上要保留冗余的模塊，文中選擇數(shù)字量輸入模塊SM321，數(shù)字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出SM332。根據(jù)SIMATIC S7-400的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及硬件的特點，可以設(shè)計出控制器的硬件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分為PROFIBUS、PROFIBUS-DP、執(zhí)行元件等三個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，其中上位機與控制器的通信協(xié)議是通過PROFIBUS來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和共享，在SIMATICS7-400控制器的CPU中有兩個集成的PROFIBUS-DP通信端口，分布式I/O模塊與PROFIBUS-DP主站端口采用的接口模塊IM153-1進行連接才能通信，變頻器也可以通過PROFIBUS-DP端口與CPU進行連接實現(xiàn)控制器對變頻器調(diào)速的控制。

3 結(jié)語

文章設(shè)計及開發(fā)了水泥生料配料優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括以控制器S7-400為核心的控制平臺，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的整體設(shè)計以及硬件之間的接線，還包括各個設(shè)備的邏輯啟?？刂?。以及底層流量形成閉環(huán)回路的連續(xù)控制回路和監(jiān)控控制過程的監(jiān)控畫面，提升和改進了水泥配料生產(chǎn)過程。