自動控制系統在水泥行業的應用

現代水泥生產工藝設備的單機容量大，生產連續性強，而且生產過程要求較高的快速性和協調性。為了提高企業競爭力，自動控制的實施至關重要。自動控制能保證生產穩定、提高質量、降低能耗、降低勞動強度以及減少環境污染。同時，先進的生產控制管理，也要求有可靠的自動控制系統和完善的控制技術水平做為前題和保證。

　　水泥的生產過程通常可分為三個階段：石灰石、粘土質原料與少量校正原料經破碎后，按一定比例配合、磨細并調配為成分合適、質量均勻的生料，稱為生料的制備；生料在水泥窯內煅燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主的熟料，稱為熟料煅燒；熟料加適量石膏、混合材料共同磨細成粉狀的水泥，并包裝或散裝出廠，稱為水泥制成及出廠。

　　下圖為水泥廠水泥生產典型工藝流程圖：

水泥生產自動化已成為水泥生產技術發展所不可缺少的環節。水泥生產及工藝自動化水平的提高，將使生產過程穩定在一個更合理的的工藝參數和工藝條件下，以取得最佳的經濟效益。

　　水泥生產的自動化系統具有很強的分布性，一個典型的水泥生產線控制系統由如下幾個部分組成：

　　■原料粉磨控制站：完成從石灰石進廠、石灰石預均化、原料調配、原料粉磨及
生料入庫輸送所有設備的控制。
　　■煤粉制備控制站：完成從輔助原料進廠、輔助原料堆場、煤粉制備、煤破碎及
輸送和生產循環水泵站的控制。
　　■窯尾控制站：完成燒成窯中、燒成窯尾、生料入窯系統、空壓機站、廢氣處理。
　　■燒成窯頭控制站：完成燒成窯頭、熟料庫及水泥輸送等。
　　■水泥磨控制站：完成水泥粉磨、水泥調配站、水泥庫、石膏破碎及輸送、水泥包裝及散裝、水泥磨空壓機的控制。

　　最早的水泥生產自動化從馬達開停邏輯控制和儀表控制開始，隨后發展為分布式的網絡控制系統。現代的水泥自動化一般采用EIC綜合化的解決方案，所謂EIC綜合化，即E(Electrical)電控、I(Instrumentation）儀控與C(Computer）計算機的綜合化。現階段，順序控制和回路控制在控制器級別實現了集成。EIC綜合化的進一步目標是要與計算機控制和管理系統相結合，最終達到在系統體系上亦即在硬件和系統軟件上實現真正的集成化。

　　二、水泥行業采用變頻控制系統的必要性：

　　回轉機械、風機、水泵、攪拌機械、破碎機械等設備在水泥行業應用十分普遍。這些設備的容量一般較大，且大多數是常年連續運行，故進行節能和自動化改造的潛力非常大。

　　由于這些設備不能排除在滿負荷狀態下長時間運行的可能性，所以在設計系統時只能按最大工作需求決定電機的容量，故設計裕量一般偏大。在實際運行過程中輕載運行的時間所占的比例是非常高的，如無調速裝置對其轉速進行控制，電機的軸功率不能變化而導致的能源浪費是非常嚴重的。

　　　根據流體力學原理我們可以知道：風機水泵等設備的流量Q與電機的轉速n成正比，壓力H與電機轉速n的平方成正比，電機的軸功率Ps與轉速n的立方成正比。用公式表達為：Q ∝ n；H ∝ n2；Ps ∝ n3。所以當電機的轉速降低時軸功率呈同比立方關系下降，由此可見節能效果非常明顯。

　　大功率水泥生產設備如無變頻器拖動，在啟動時的電流對電網的沖擊非常大；在工作時只能進行簡單的電氣保護，不能完全保證系統安全穩定運行，增加了設備維護工作量；能源消耗非常嚴重；嚴重影響生產工藝的改進；設備工作噪音較大，對現場工作人員影響較大。鑒于以上原因，對原有設備進行變頻調速改造的需求越來越多。隨著交流電力電子技術的不斷發展和普及，變頻調速器及控制系統以其無可比擬的優越性正越來越多地應用在各種形式的水泥設備拖動系統上并取得了非常好的效果。

　　三、變頻器的工作原理：

　　交流電動機的轉速n用公式表示為：
　　n=60f（1-s）/p
　　式中：n為每分鐘電機轉速 f為電機接受頻率
　　p為電機磁極對數； s為電機轉差率
　　由公式可見：只要改變電機的供電頻率即可達到調整電機轉速的目的，這比改變電機的磁極對數和轉差率更簡便可行而且有效的多。

　　交—直—交型變頻器的工作原理為：將輸入的單相或三相交流電通過整流單元變成直流電，直流電進行濾波后通過逆變單元逆變為輸出電壓和頻率可調的交流電。隨著電子元器件、電力功率器件、計算機微電子技術和計算機軟件技術的不斷完善和發展，無速度傳感器矢量控制方式正成為先進變頻器控制領域的主導方式。它可分別對電機的磁通和轉矩電流進行檢測和控制，并實時自動改變變頻器輸出電壓和頻率從而達到精確的矢量控制效果。這種控制方式具有以下優點：轉矩/信號響應速度快、調速范圍寬、調速精度高、低速狀態下啟動力矩大、電動機工作噪音小、節能效果更加理想、保護功能強等。

　　五、自動控制系統功能簡介：

　　A、風機變頻控制系統：
　　風機變頻控制系統采用就地變頻運行和遠程控制（可手操，也可接收控制系統的通訊和控制指令）的方式對風機進行調速及控制。變頻器一般安裝在控制柜內，系統原有的自耦降壓啟動裝置仍然保留。 系統在變頻器輸出側加裝雙向轉換刀閘或電氣旁路，如變頻器需要維護檢測或出現故障時可人工或自動將風機切換至原自耦降壓啟動裝置工頻運行，這樣可充分保證系統可靠不間斷運行。

　　下圖為風機變頻控制系統原理示意圖：

B、 變頻恒壓供水控制系統：
　　變頻恒壓供水控制系統以出口總管網水壓、流量或溫度差為控制目標，以供水時間、季節、生產狀態為參考值，合理組合開泵臺數，減少開停泵次數，達到穩定水壓、節電供水之目的。

　　1、 通過調節開、停泵組數量和變頻控制水泵的轉速達到調節管網水壓/流量目的，穩定供水壓力/流量。
　　2、 調節精度：-0.01Mpa～+0.01Mpa。
　　3、 以24小時為周期，根據水泥生產用水量的不同和用戶的需要分段設定供水壓力/流量，控制系統內的PLC依據設定值自動運行。
　　4、 水泵機組均為軟啟動工作方式。軟啟動方式減少了單泵啟動電流、沖擊和水泵機械磨損，延長設備的使用壽命。
　　5、 以“先入先出”為準則，對水泵進行優化組合，循環投切。通過對變頻機組負荷的實時計算，確定各泵的開、停時間，使各泵在高效區段工作并磨損均勻。
　　6、 通過PLC精確控制，使泵組的變頻和工頻運行實現無擾動切換，并保證各泵的磨損均勻。
　　7、 通過對供水量的計算，限制水泵組在臨界狀態的頻繁起停。
　　8、 每臺泵組后備手動軟起控制功能，確保故障的情況下不間斷供水。
　　9、 水壓異常報警，水池水位過低自動停機，用水量極小時自動停機。
　　10、PLC可與上位監控站（工業控制計算機、觸摸屏人機界面等）和下級執行機構（變頻器、電動調節閥等）進行通訊。
　　11、設定自動運行、遠程運行、手動運行組合控制方式，其中手動運行為最高優先權。
　　12、監測所有設備的相關參數：電機電壓/電流/溫度、運行時間、運行狀態、出口水壓、出口流量、循環水溫度差等。

　　下圖為變頻恒壓供水控制系統原理示意圖：

C、 DCS控制系統：
　　隨著計算機技術的高速發展、成本的大幅降低以及可靠性的不斷提高，使計算機及相關技術在水泥生產控制領域獲得了極為廣泛的應用，分散控制系統—DCS（ Distributed Control System ）亦隨之誕生。 DCS系統集計算機技術、測量控制技術、網絡通訊技術和CRT/TFT圖象顯示技術為一體，在結構上將管理監控、實時控制、數據采集等功能分散到不同的計算機中，每臺計算機均采用高性能的專業工業控制計算機，必要時采用冗余熱備技術，從而保證了系統的可靠性。利用計算機組態和圖形化技術可以方便地實現整個系統功能的模塊化組態，以適應不同工業過程的控制要求和算法，便于實現系統的調試和投運。DCS系統又可以記載過程數據并通過網絡將數據自動傳輸到生產管理計算機系統實現計算機集成化的管理和控制。

　　現代水泥廠是大約有數千個開關量、數百個模擬量測點和數十個PID 調節回路的控制對象，也就是說是需要一個以開關量為主，模擬量為輔并伴有少量調節回路的控制系統。由于水泥生產的連續性高，現代水泥生產企業要求設備運轉率達到90%以上，這樣就對自動化設備的可靠性提出了很高的要求。在DCS硬件設計和電源設計上應充分考慮系統的抗干擾性，同時也應考慮水泥生產現場高粉塵的環境，以保證系統在水泥生產現場可靠運行。

　　隨著計算機網絡技術的廣泛應用，管理信息系統—MIS也逐步在水泥廠中推廣應用。生產控制DCS子系統也被納入MIS 網絡的一個部分，相互間進行通訊及信息交換。
水泥自動控制系統在硬件配置和軟件編程應具備以下的功能和特點：

　　■中控室與操作站之間互為備用，任何一臺或幾臺的硬件故障都不會影響整個系統的正常生產。工程師在任何操作站上只要輸入自己的姓名和密碼，就可以進入操作系統，生產車間只可在系統授權范圍內進行控制和操作。

　　■主干通訊網采用光纜作為介質，增強系統的抗干擾能力，避免高壓設備、變頻控制設備及通訊設備等可能造成的信號干擾。網絡系統采用環行結構，具有冗余功能，當環路一個節點斷開時，系統能自檢故障并正常運行。整個網絡系統應做到結構簡單、可靠、硬件維護方便。

　　■上位機操作畫面集監視、報警、操作、報表等功能于一體。采用三維彩色畫面，形象逼真、顯示直觀、操作方便。操作可用鼠標操作相關生產設備，配合鍵盤修改工藝參數值。當工況發生異常情況，系統會發出聲光報警，上位機可以通過歷史數據的記錄分析故障原因，尋找最佳的解決方案。

　　■由于水泥廠用電設備功率大、類型雜，為了系統的可靠性和維護方便，全廠所有信號在進入現場處理單元或上位機之前應轉換為統一信號，模擬量一般采用直流4-20 mA,所有數字量均為交流220V，保證整個控制系統的I/O模板僅為四種。

　　■設備采用組啟停方式。由于水泥廠各種設備情況不一且功率較大，系統應根據工藝要求保證開關順序正確，應最大限度縮短啟停設備的時間。

　　■為了便于工廠管理，控制系統應能編制班報/日報/月報/季報/年報等多種報表。操作和管理人員可查詢原料、燃料消耗量、半成品、成品的產量、設備的運行時間等，這樣可對設備管理和人員考核提供一定的參考依據。對于報警歷史、事件記錄及歷史數據，除了可以通過顯示器在線查詢外，還必須可以拷貝留存。

　　DCS系統一般由控制站、操作員站、工程師站、通訊/控制網、過程控制單元和控制軟件組成。

　　下圖為水泥廠DCS控制系統及MIS管理系統原理示意拓撲圖：

六、系統可靠性分析：

　　水泥設備變頻控制系統的可靠性取決于系統內所有執行機構、強弱電回路控制器件、顯示及控制儀器儀表、控制軟件的性能、電線電纜的質量和相互匹配性能。本公司采用的所有電氣元器件、組態軟件、智能儀表和執行機構均為國內外知名品牌，產品制造體系均已通過了國際和國內 ISO9001認證，其可靠性得到市場的廣泛認可。通過大量的水泥行業業績分析，本公司所選用的產品和系統使用壽命一般在10年以上。

　　由于變頻控制系統的自動化程度較高，變頻器又是精密電力電子產品，其對工作環境的要求較為嚴格。系統對外部環境的大致要求如下：環境溫度：-10℃～50℃；濕度：25%～90RH（無凝結）；振動：5.9m/s2(0.6G) 10～55Hz；無刺激腐蝕性氣體；無灰塵；無靜電；海拔高度低于1000米（注：如使用現場海拔高度高于1000米，海拔高度每高1000米應將變頻器的功率放大一個等級）等。