陳月紅 張 偉

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司， 遼寧 丹東 118002）

0 引言

智能制造已成為全球工業(yè)發(fā)展的趨勢，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)受到了國家高度重視。在水泥行業(yè)中，智能質(zhì)量控制建設是國內(nèi)外各大水泥廠發(fā)展建設的趨勢，其中生產(chǎn)過程自動化是非常重要的部分。

水泥廠的質(zhì)量控制離不開配料控制與取樣化驗，如何實現(xiàn)取樣、化驗過程的自動化，實現(xiàn)智能配料控制，是水泥質(zhì)量控制工作的重點。目前水泥廠逐漸取代了傳統(tǒng)的人工取樣、定時化驗及傳統(tǒng)配料的方式，逐漸向自動取樣、送樣和智能配料的方向發(fā)展，傳統(tǒng)制造逐漸向智能制造轉(zhuǎn)型，為打造智能水泥工廠提供了科學、有力的保障。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)方式

水泥的生產(chǎn)工藝流程主要為“兩磨一燒”，即把水泥配料過程中的各種原材料磨成合乎粒度要求的生料成品，配置出公司要求的配比生料成品，然后把生料成品放入回轉(zhuǎn)窯燒至熔融狀態(tài)的熟料，再將石膏加入熟料中磨成最終的成品水泥[1]。這個工藝流程的工序之間連續(xù)性很強，各環(huán)節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣，無論哪個環(huán)節(jié)都會影響最終成品的質(zhì)量，并且生產(chǎn)情況也是瞬息萬變，生產(chǎn)所需的原材料含量可能存在誤差，所以在生產(chǎn)出現(xiàn)波動時，如果不及時調(diào)整可能造成無法挽回的影響。

在我國水泥生產(chǎn)企業(yè)中，多數(shù)采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制方式，工藝流程是人工到生產(chǎn)現(xiàn)場定時取樣，再送至廠區(qū)化驗室，化驗后將結(jié)果反饋至生產(chǎn)管理者，如果化驗結(jié)果與生產(chǎn)指標不區(qū)匹配，需要對生產(chǎn)設定指標及原料配比進行調(diào)整。原則上是取樣化驗周期盡量小，但現(xiàn)實生產(chǎn)中化驗室工作任務較重，時常無法按時完成化驗任務，所以不得不減少化驗頻次。對于取樣過程存在很多誤差，物料自身質(zhì)量的差異分布是隨機的，為保證所取樣品有足夠的代表性，必須遵循多點、隨機、等量的取樣原則進行取樣，實際生產(chǎn)工作中很難按檢驗要求標準實施[2]。所以選擇合理的、實時性強的自動化質(zhì)量控制方法非常重要，盡量減少人工參與，實現(xiàn)自動取樣、送樣及化驗勢在必行。

2 發(fā)展過程

上世紀50年代開始，在一些發(fā)達國家中，水泥在線質(zhì)量檢測技術(shù)已逐漸開始應用。目前國外一些領(lǐng)先的企業(yè)除了應用較先進的生產(chǎn)設備，另外在自動控制方面也應用了先進的方法，自動化程度較高。

我國一些研究機構(gòu)和自動化公司將水泥質(zhì)量控制作為一個課題進行了研究，目標是實現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程的自動取樣、輸送與化驗，盡量減少人工參與，實現(xiàn)工藝流程的自動化與智能化，加快生產(chǎn)過程中的檢測與反饋，在生產(chǎn)出現(xiàn)波動時能夠快速作出調(diào)整。

對于生產(chǎn)配料環(huán)節(jié)，大多數(shù)水泥廠已引進DCS控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)進行集中控制，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，提升了水泥配料的自動化水平，但是大多數(shù)操作員仍依據(jù)人工經(jīng)驗調(diào)整生產(chǎn)，并且DCS控制系統(tǒng)配料的依據(jù)是化驗室反饋的化驗數(shù)據(jù)，低效率的化驗環(huán)節(jié)仍是自動化配料的瓶頸。

3 水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)的總體控制方案

影響水泥成品質(zhì)量波動的因素很多，原材料成分的波動是最主要的因素。按常理來說，原料成分都是有一定標準的，應該非常穩(wěn)定，但實際情況是原料成分長周期穩(wěn)定，短周期內(nèi)仍會出現(xiàn)波動。在進場時，水泥廠會對其進行采樣檢測，但采樣有隨機性、片面性，采樣結(jié)果完全不能代表整個料堆，因此會出現(xiàn)混料后成分波動的情況。所以要提高水泥質(zhì)量，加強取樣、化驗及配料管理很重要，對生產(chǎn)進行全面智能管控。

（1）對入場、入堆的原料進行精準化管理，掌控倉內(nèi)原料成分，建立堆場質(zhì)量數(shù)據(jù)庫?？刹捎弥凶踊罨嘣胤治鰞x對入場的石灰石、煤質(zhì)等進行成分檢測，快速給出分析結(jié)果[3]，確保了原料成分的穩(wěn)定性，也監(jiān)督了質(zhì)量監(jiān)控等工作。

（2）對出磨生料、入窯生料、出窯熟料、出磨水泥等生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行自動取樣，經(jīng)過自動化實驗室的自動取樣、送樣等一系列步驟，通過炮彈輸送系統(tǒng)自動將樣品輸送到中央實驗室進行檢測。其中，“炮彈”為取樣、送樣過程中的存放樣品裝置。

（3）中央實驗室接收到樣品后，對樣品進行制樣和化驗，可采用高精度的儀器儀表進行化驗分析。

（4）根據(jù)樣品檢測結(jié)果，自動將結(jié)果反饋到水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)，重新計算質(zhì)量指標及優(yōu)化配比，實現(xiàn)自動配料調(diào)整。

水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)的總體控制方案流程見圖1。

4 自動化實驗室的工作流程

自動化實驗室包括生料、熟料和水泥的自動取樣及發(fā)送站，中央實驗室等，含破碎和縮分系統(tǒng)。首先，采用自動取樣器取樣，裝入樣品罐；其次，通過氣力輸送管道將樣品罐自動輸送到中央實驗室；再次，在中央實驗室中，實現(xiàn)自動制樣、分析；最后，生成化驗數(shù)據(jù)后上傳至水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)中，為生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)整配方提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其工作流程見圖2。

圖2 自動化實驗室的工作流程

4.1 生料自動取樣及發(fā)送站

發(fā)送站具備接收和發(fā)送炮彈的功能，同時對來自取樣器的樣品物料進行均化處理。根據(jù)設定的取樣時間間隔，定時為炮彈裝填定量的樣品物料，然后密封，再經(jīng)炮彈管道系統(tǒng)發(fā)送至化驗室的自動接收裝置。

4.2 水泥自動取樣及發(fā)送站

水泥自動取樣器在取到具有代表性的物料后，經(jīng)過發(fā)送站內(nèi)自動攪拌縮分裝置裝入“炮彈”中，經(jīng)由壓縮空氣管路輸送至中央實驗室，再由中央實驗室完成對樣品的自動制樣和檢測等工作。

4.3 熟料自動取樣器及發(fā)送站

熟料自動取樣器將取到的具有代表性的物料，通過振動給料機輸送至發(fā)送站上方的破碎機進行破碎，破碎后的熟料經(jīng)過發(fā)送站內(nèi)自動攪拌縮分裝置裝入“炮彈”中，經(jīng)由壓縮空氣管路輸送至中央實驗室，再由中央實驗室完成對樣品的自動制樣和自動檢測等工作。

4.4 中央實驗室

為實現(xiàn)全自動樣品處理檢測，保證檢測結(jié)果的穩(wěn)定可靠，除配套的自動取樣輸送系統(tǒng)，另配置智能化的中央實驗室，用于生料、熟料、水泥樣品的制備、分析檢測。中央實驗室內(nèi)主要包含制樣系統(tǒng)、機械手、研磨壓片一體機、樣品檢測系統(tǒng)等設備。

（1）制樣系統(tǒng)是一套集成的制樣系統(tǒng)，可滿足各類樣品處理檢測功能。

（2）機械手主要負責樣品的調(diào)度，它將樣品送入研磨壓片一體機，制成標準樣，再由機器手把標準樣片送入樣品檢測系統(tǒng)進行檢測。

（3）研磨壓片一體機，具備樣品接收、研磨、壓制、輸送、清潔等功能。

（4）樣品檢測系統(tǒng)主要是熒光儀，主要用于檢測生料、熟料和水泥的化學成份和含量。

5 水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)

自動化實驗室的應用縮短了檢測物料成分環(huán)節(jié)的時間，而水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)是對整個生產(chǎn)過程進行管控，根據(jù)樣品檢測結(jié)果，重新計算指標及優(yōu)化配比，實現(xiàn)自動配料調(diào)整。

水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)與自動化實驗室實現(xiàn)了無縫銜接，一般采用OPC技術(shù)接口。OPC規(guī)范是自動化控制系統(tǒng)經(jīng)常使用的標準協(xié)議，要求各儀表廠商發(fā)布各自的OPC服務器，提供標準協(xié)議接口，這樣任何符合OPC規(guī)范的客戶端應用程序都根據(jù)接口規(guī)范進行訪問，具有接口透明度高、集成度高等優(yōu)勢[4]。

水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)可分別對出磨生料、出窯熟料及水泥磨進行配料控制，根據(jù)控制目標值，可以自動調(diào)整配料比例中各原料的摻入比例，使混合料指標符合質(zhì)量指標設定值。

優(yōu)化的原料設定配比是水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)中最重要的輸出項，計算過程復雜，影響因素多，計算優(yōu)化配比時不僅要依據(jù)短周期內(nèi)的質(zhì)量指標，還需考慮長周期的原料成分、熱耗及成分等因素，不僅要監(jiān)測各原料秤的設備運行狀態(tài)及反饋配比，還需參考混合料的化驗結(jié)果。水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)不僅對生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)的監(jiān)測，并且重點在于在生產(chǎn)出現(xiàn)波動時，系統(tǒng)及時進行反應控制，調(diào)整優(yōu)化配比?？刂七^程見圖3。

圖3 水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)的控制條件與方法

反饋調(diào)整是水泥質(zhì)量控制的重要一環(huán)，反饋數(shù)據(jù)是原料秤提供的實時流量和配比數(shù)據(jù)。隨著工業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展，儀表系統(tǒng)不再是獨立運行的系統(tǒng)，可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)焦芾砜刂茢?shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合[5]。由于水泥生產(chǎn)過程中生產(chǎn)情況是實時變化的，僅依據(jù)化驗數(shù)據(jù)計算的優(yōu)化配比是遠遠不夠的，所以水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)要實時監(jiān)控原料秤的運行情況，在供料條件、混合料成分變化等異常情況出現(xiàn)時，系統(tǒng)將會進行及時調(diào)整。比如在原料秤出現(xiàn)斷料、反饋配比與設定配比出現(xiàn)較大差距時，系統(tǒng)將會向操作員提示報警，并及時進行配比補償。

6 系統(tǒng)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的以人工經(jīng)驗為主的生產(chǎn)模式相比，基于自動化實驗室的水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)大幅度提升了自動化水平，保證了生產(chǎn)指標的穩(wěn)定，提高了質(zhì)量管理水平，具體有如下優(yōu)勢：

（1）減員增效：自動化實驗室是基于“有人巡視、無人值守”的原則，在取樣點、化驗室、集控系統(tǒng)均可實現(xiàn)無人值守或減人值守，減少了人力成本，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。并且實現(xiàn)自動化后，提高了采樣頻率和化驗頻率，為配料系統(tǒng)調(diào)整配方提供了更多的數(shù)據(jù)支持。

（2）化驗準確及時：自動化實驗室的自動取樣環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)的人工取樣相比，更快捷，無滯后，不受天氣、環(huán)境等外界因素干擾，無人工操作誤差，全系統(tǒng)無人參與，避免了瞞報、漏報等意外情況。

（3）提升安全性：工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場條件艱苦，工作環(huán)境惡劣，采樣點灰塵大、噪音大，工人長期在此環(huán)境中工作可能對身體造成傷害，通過自動化實驗室系統(tǒng)的實施，將會提升工人工作的體驗感，減少安全事故的風險。

（4）誤差小：人工取樣化驗需要大量的人工參與，影響因素多誤差大，自動化實驗室需要人工參與的工作很少，大大減少了化驗結(jié)果的誤差。

（5）質(zhì)量管控到位：由于自動化實驗室反饋的化驗數(shù)據(jù)及時準確，生產(chǎn)現(xiàn)場的設備數(shù)據(jù)實時接入系統(tǒng)，在生產(chǎn)出現(xiàn)波動時系統(tǒng)在第一時間作出調(diào)整與管控，保證了水泥質(zhì)量的穩(wěn)定，實時性強，提高了水泥質(zhì)量控制的精細化水平。

7 結(jié)束語

自動化實驗室的應用有效地解決了人工取樣、送樣和制樣的難題，實現(xiàn)了取樣化驗自動化，為水泥質(zhì)量管控提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，通過水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)優(yōu)化計算，使供料穩(wěn)定、精準，整個工藝過程更加合理、完善，實現(xiàn)了降低成本，節(jié)約能源消耗，提升了水泥廠的質(zhì)量管理水平。