徐文斌，袁明偉，吳福，王仕進(jìn)，章星

1 引言

目前智能制造已成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革中世界各國(guó)的主攻方向[1]，我國(guó)水泥工業(yè)也正朝著工廠智能化的方向發(fā)展，水泥產(chǎn)業(yè)智能制造技術(shù)的廣度和深度也在不斷提升[2]。水泥生產(chǎn)線中控操作智能化、生產(chǎn)設(shè)備的智能管理和智能分析是智能化水泥工廠建設(shè)的核心[3]。根據(jù)水泥工廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的特點(diǎn)，以生熟料自動(dòng)取樣、自動(dòng)運(yùn)輸、集成控制分析系統(tǒng)等為基礎(chǔ)建立起來(lái)的智能質(zhì)量控制系統(tǒng)，是水泥工廠全面智能化的重要組成部分，為生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的質(zhì)量控制提供了科學(xué)、快速、有力的保障。本文以我公司利用的某知名品牌智能質(zhì)量控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹了智能控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

2 智能質(zhì)量控制系統(tǒng)流程及工藝布置

某知名品牌智能質(zhì)量控制系統(tǒng)流程見圖1，系統(tǒng)從各取樣點(diǎn)取樣，料樣儲(chǔ)存在樣品容器中，通過(guò)發(fā)送裝置經(jīng)管路發(fā)送至化驗(yàn)室，再由帶有固定式機(jī)器人集成的料樣接受和樣片制備系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)接樣和分析，最終生成數(shù)據(jù)報(bào)告，為工藝控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖1 智能質(zhì)量控制系統(tǒng)流程圖

我公司智能質(zhì)量控制系統(tǒng)工藝布置見圖2。公司共有四條水泥熟料生產(chǎn)線，智能質(zhì)量控制系統(tǒng)在生產(chǎn)廠區(qū)共有四處出磨生料取樣點(diǎn)、四處入窯生料取樣點(diǎn)及四處位于熟料庫(kù)頂?shù)氖炝先狱c(diǎn)；與各取樣點(diǎn)發(fā)送站連接的管道線路在經(jīng)過(guò)并路器的并路簡(jiǎn)化后，最終由兩路管道與智能化驗(yàn)室相連接；樣品由樣品容器送至智能化驗(yàn)室分析處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣輸送代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工樣品傳輸。廠區(qū)內(nèi)樣品容器輸送管道總長(zhǎng)約1 842m，管路系統(tǒng)充分結(jié)合了生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的建筑和設(shè)備特點(diǎn)，優(yōu)化精簡(jiǎn)了輸送管路距離，盡可能保持管路橫平豎直的走向，減少了管路非標(biāo)彎頭的制作，保證了管道輸送的可靠性。

圖2 智能控制系統(tǒng)工藝流程圖

3 設(shè)備安裝

3.1 生料取樣

生料取樣點(diǎn)有兩處，分別為出磨生料取樣和入窯生料取樣。出磨生料取樣來(lái)自出原料磨的粉料，入窯生料取樣來(lái)自出均化庫(kù)的粉料，兩處生料取樣采用同一種空氣斜槽取樣器。生料取樣發(fā)送設(shè)備由空氣斜槽生料取樣器和生料發(fā)送站組成，生料斜槽取樣器結(jié)構(gòu)見圖3，該取樣器安裝在空氣輸送斜槽下方。在設(shè)計(jì)生料斜槽取樣器的金屬導(dǎo)流擋板的高度和安裝時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際的生產(chǎn)率和料層高度，取樣高度應(yīng)設(shè)置在物料氣化均勻性較好的位置，以保證取樣物料的代表性。取樣器在初始狀態(tài)下，上旋轉(zhuǎn)閥和下旋轉(zhuǎn)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)；采樣周期開始時(shí)，上旋轉(zhuǎn)閥打開，料樣通過(guò)金屬導(dǎo)流擋板流入計(jì)量腔內(nèi)；采樣時(shí)間結(jié)束后，上旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉，下旋轉(zhuǎn)閥打開，物料落入下方生料發(fā)送站模塊。每次取樣裝填樣品容器后剩余的料樣，由回灰管回傳至空氣斜槽中。為避免影響下次取樣，回灰點(diǎn)設(shè)置在取樣點(diǎn)的料流下游處，并與取樣點(diǎn)保持一定的距離。

圖3 生料取樣器結(jié)構(gòu)

3.2 熟料取樣

熟料取樣發(fā)送設(shè)備見圖4，熟料取樣器安裝在熟料溜槽下方。出窯熟料經(jīng)熟料取樣器取樣后，由振動(dòng)給料器輸送至下方顎式破碎機(jī)，熟料經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后下落至熟料發(fā)送站，儲(chǔ)存至樣品容器中發(fā)送至管道系統(tǒng)中進(jìn)行輸送。每次取樣裝填樣品容器后剩余的料樣，由熟料發(fā)送站下部回灰管下落至下方熟料庫(kù)中。

3.3 樣品管道運(yùn)輸

樣品容器及輸送管道見圖5，樣品容器最大容量為350cm3，采用空氣動(dòng)力管路進(jìn)行運(yùn)輸。管道外徑80mm、內(nèi)徑75mm，管路管道端口面采用打磨倒角處理，保證樣品容器在接口處能平滑過(guò)渡通過(guò)。兩管道之間采用抱箍連接，保證管路之間的氣密性。管路管道系統(tǒng)每隔60m處安裝有傳感器，以檢測(cè)樣品容器在運(yùn)輸過(guò)程中的具體位置。在直線跨度較長(zhǎng)的直線管路段增設(shè)管道膨脹節(jié)，以防止熱脹冷縮效應(yīng)對(duì)管道造成擠壓變形破壞。

圖5 樣品容器及輸送管道

廠區(qū)內(nèi)共有四條熟料生產(chǎn)線，每個(gè)取樣點(diǎn)發(fā)送站都連有輸送管道。為簡(jiǎn)化管路系統(tǒng)，對(duì)各取樣點(diǎn)發(fā)送站連接出來(lái)的管道，用并路器對(duì)線路管道進(jìn)行并路簡(jiǎn)化處理。并路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及安裝圖見圖6。

圖6 并路器結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物圖

當(dāng)樣品容器由氣動(dòng)輸送管路進(jìn)入并路器后，齒輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)管段，通過(guò)感應(yīng)式接近開關(guān)進(jìn)行控制，使可旋轉(zhuǎn)管段另一終端到達(dá)A、B兩個(gè)管道接口位置之一，形成通路?？尚D(zhuǎn)管段終端從管道接口位置之一轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)到另一接口位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為180°，需要的時(shí)間約為5s。

3.4 智能化驗(yàn)室設(shè)備

（1）智能化驗(yàn)室主要設(shè)備的安裝位置見圖7，化驗(yàn)室由四臺(tái)ART（自動(dòng)接收裝置）設(shè)備、四臺(tái)APM（粉磨壓片一體機(jī)）設(shè)備、一臺(tái)ABB機(jī)器手、兩臺(tái)粒度分析儀、三臺(tái)熒光儀、兩臺(tái)衍射儀及樣品輸送皮帶等主要設(shè)備組成。輸送管道由二樓收塵風(fēng)機(jī)室垂直穿墻至三樓ART設(shè)備底部管道接口處，與ART設(shè)備進(jìn)行連接。二分廠兩路輸送管道分別與兩臺(tái)ART設(shè)備連接，剩余兩臺(tái)ART設(shè)備與一分廠兩路輸送管道連接。

圖7 智能化驗(yàn)室主要設(shè)備安裝位置示意圖

（2）智能化驗(yàn)室集成料樣接受和樣片制備設(shè)備見圖8，由管道運(yùn)輸過(guò)來(lái)的樣品容器由ART設(shè)備進(jìn)行接收，并將樣品容器內(nèi)樣品放置于料杯中；料杯中的料樣經(jīng)機(jī)械手臂抓取倒入APM設(shè)備中，由APM設(shè)備內(nèi)置振動(dòng)磨進(jìn)行粉磨后，在樣品鋼環(huán)中沖壓制成樣片，制備完成的樣片由皮帶輸送至樣片分析設(shè)備系統(tǒng)中；檢測(cè)完的樣品再經(jīng)皮帶輸送回APM內(nèi)破碎處理?xiàng)墭?，棄樣被收塵風(fēng)機(jī)吸入棄樣桶專門處理，鋼環(huán)存在APM內(nèi)供下次使用。

圖8 集成料樣接受和樣片制備設(shè)備

（3）樣片分析設(shè)備見圖9，生料料樣由樣品容器進(jìn)入ART設(shè)備后，樣品容器被拆解，物料被分放于大、小兩只料杯中，大料杯內(nèi)物料被機(jī)械手送至APM設(shè)備內(nèi)進(jìn)行壓片，小料杯內(nèi)物料被機(jī)械手送至激光粒度分析儀內(nèi)；生料樣片從APM設(shè)備內(nèi)出來(lái)后，經(jīng)輸送皮帶送至熒光儀內(nèi)進(jìn)行熒光分析檢測(cè)，用于生料熒光檢測(cè)的曲線定期與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)比，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；生料細(xì)度通過(guò)激光粒度分析及檢測(cè)80μm篩篩余（內(nèi)控生料細(xì)度20%），激光粒度分析儀篩余曲線通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品建立，并定期進(jìn)行校驗(yàn)；系統(tǒng)將檢測(cè)的生料數(shù)據(jù)與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整石灰石、砂巖、鐵質(zhì)材料計(jì)量秤計(jì)量值，使出磨生料成分達(dá)標(biāo)；熒光檢測(cè)數(shù)據(jù)與激光粒度分析儀檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至專家優(yōu)化系統(tǒng)中，專家優(yōu)化系統(tǒng)將細(xì)度檢測(cè)數(shù)據(jù)與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，細(xì)度超出控制區(qū)間的，需對(duì)原料磨產(chǎn)量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)用風(fēng)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證出磨生料細(xì)度達(dá)標(biāo)。生料熒光分析、細(xì)度分析頻次均為每1h一次。

圖9 樣片分析設(shè)備

（4）熟料樣品經(jīng)樣品容器輸送到ART設(shè)備，ART設(shè)備將樣品容器拆解分裝在大、小兩只料杯內(nèi)。機(jī)械手將小料杯內(nèi)物料倒入APM設(shè)備中進(jìn)行粉磨壓片，將大料杯內(nèi)物料倒入留樣桶中供物理檢測(cè)使用。熟料樣片從APM設(shè)備中輸出后，經(jīng)輸送皮帶送至熒光儀內(nèi)進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析完的樣片從熒光儀內(nèi)出來(lái)后，由輸送皮帶送入衍射儀內(nèi)，進(jìn)行游離氧化鈣分析。熒光儀、衍射儀熟料檢測(cè)曲線同樣通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品建立，并定期對(duì)比，確保檢測(cè)準(zhǔn)確性。智能質(zhì)量控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)熒光儀熟料成分分析結(jié)果，同步調(diào)整生料。同時(shí)，衍射儀檢測(cè)的游離氧化鈣結(jié)果會(huì)反饋至專家優(yōu)化系統(tǒng)，專家優(yōu)化系統(tǒng)會(huì)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整窯產(chǎn)量、窯頭煤用量、分解爐煤用量等參數(shù)，以保證游離氧化鈣在控制區(qū)間內(nèi)。熟料樣品分析頻次為每2h一次。

4 結(jié)語(yǔ)

我公司采用了智能質(zhì)量控制系統(tǒng)后，優(yōu)化了游離氧化鈣控制，保證了水泥熟料的穩(wěn)定和高質(zhì)量的水泥產(chǎn)品生產(chǎn)；提高了質(zhì)量控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量，極大優(yōu)化了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗；避免了人工取樣分析滯后、配料調(diào)整不及時(shí)、質(zhì)量波動(dòng)大等情況的出現(xiàn)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。