摘要 本文針對(duì)我國(guó)中小水泥廠的現(xiàn)狀,提出了對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制的方法和建立控制模型的指導(dǎo)思想。并介紹了整個(gè)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 水泥回轉(zhuǎn)窯 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)組 相關(guān)公式 控制模型 控制系統(tǒng)
1 引言

在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行的熟料煅燒過程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程。影響窯內(nèi)熱工制度的因素很多,再加上有些檢測(cè)手段和儀器上的困難,使某些參數(shù)無法檢測(cè),因此,回轉(zhuǎn)窯的計(jì)算機(jī)控制是十分困難的。
對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制,國(guó)外是從1961年開始研究的。經(jīng)過30年的艱苦努力,現(xiàn)已達(dá)到了實(shí)用階段。對(duì)其控制方法研究,大體上有兩種。一種是試圖建立一個(gè)能精確反映窯內(nèi)物理化學(xué)變化的純數(shù)學(xué)模型；另一種方法被稱為“應(yīng)用近似法”,這是總結(jié)人工控制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。前一種方法至今還沒有一個(gè)滿意的結(jié)果。后一種方法卻取得較大進(jìn)展。
國(guó)內(nèi)的研究起步較晚。特別是國(guó)內(nèi)中小水泥廠在生料的配料和均化方面工藝比較落后,造成生料的化學(xué)成分變化較大。有的水泥廠煤的發(fā)熱量又經(jīng)常大幅度變化,這就給回轉(zhuǎn)窯的計(jì)算機(jī)控制帶來了比國(guó)外更大的困難
筆者從1986年開始參與了對(duì)黑龍江省五常縣拉林水泥廠二級(jí)旋風(fēng)立筒預(yù)熱回轉(zhuǎn)窯的計(jì)算機(jī)控制的研究,歷時(shí)7年,現(xiàn)已通過了由黑龍江省微機(jī)辦公室和建材局主持的專家鑒定,其主要技術(shù)參數(shù)如下:
(1)系統(tǒng)控制時(shí)間占整個(gè)窯運(yùn)行時(shí)間的70%以上。
(2)自動(dòng)控制窯頭喂煤量立筒預(yù)熱喂煤量,生料下料量、窯轉(zhuǎn)速和排風(fēng)機(jī)開度。
(3)燒成帶溫度控制在的時(shí)間占系統(tǒng)控制時(shí)間的95%以上。
(4)窯尾煙室溫度控制在850±50℃。
2 建立控制模型的指導(dǎo)思想
我們從水泥廠生產(chǎn)工藝和拉林水泥廠的生產(chǎn)實(shí)踐中了解到,回轉(zhuǎn)窯的燒成帶溫度、窯尾煙室溫度和窯尾廢氣含氧量穩(wěn)定地保持在一定的范圍內(nèi),才能保證回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱工制度的穩(wěn)定,保證水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量,保證較大幅度地節(jié)省能源。所以,我們把燒成帶溫度、窯尾煙室溫度和窯尾廢氣含氧量這三個(gè)重要工藝參數(shù)做為控制量,而把能顯著影響以上三個(gè)工藝參數(shù)的窯轉(zhuǎn)速、窯頭彈性葉輪喂煤機(jī)轉(zhuǎn)速、立筒預(yù)熱彈性葉輪喂煤機(jī)轉(zhuǎn)速、表示入窯生料多少的入窯生料提升泵壓力及排風(fēng)機(jī)開度和一次風(fēng)開度做為控制量。
設(shè)計(jì)控制模型的實(shí)質(zhì)就是找出控制量和被控制量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系,并用數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述。建立控制模型的步驟如下:
2.1 進(jìn)行物料平衡和熱平衡的計(jì)算
我們選取回轉(zhuǎn)窯為熱平衡范圍。計(jì)算的原始數(shù)據(jù)主要是通過熱工測(cè)定取得的。
物料平衡和熱平衡計(jì)算的目的在于從理論上用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述控制量和被控制量之間的關(guān)系。
2.2 采集系統(tǒng)控制量和被控制量的數(shù)據(jù)組
雖然通過理論計(jì)算可以找出控制量和被控制量之間的關(guān)系,但理論和實(shí)踐還是有很大差距的。我們把工作重點(diǎn)放在回轉(zhuǎn)窯煅燒過程的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)上。通過實(shí)驗(yàn),獲取了許多被控制量隨控制量變化而改變的數(shù)據(jù)組。這些數(shù)據(jù)組有的是改變一個(gè)控制量后造成被控量變化的數(shù)據(jù),有的是改變兩個(gè)或多個(gè)控制量造成被控制量變化的數(shù)據(jù)。
2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)組的濾波處理
所測(cè)得的大量數(shù)據(jù)組,其中某些數(shù)據(jù)肯定會(huì)受到噪聲(包括過程噪聲及測(cè)量噪聲)污染。為此,必須進(jìn)行濾波處理。
2.4 應(yīng)用對(duì)比和推理法建立控制模型
由理論計(jì)算得出的控制量和被控制量關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,只能定性的看出兩者之間的關(guān)系。所以,必須對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行歸納、整理、修改,以便將實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)組代入表達(dá)式后,能定量的符合實(shí)際測(cè)得的控制量和被控制量之間的關(guān)系。
2.5 由計(jì)算法實(shí)時(shí)算出某些難于測(cè)量的參數(shù)
在回轉(zhuǎn)窯的熟料煅燒過程中,某些參數(shù)目前還難于在線直接測(cè)量。如煤的發(fā)熱量和生料的化學(xué)成分等。而這些參數(shù)在熟料煅燒過程中又甚為重要。為此,我們根據(jù)化驗(yàn)室化驗(yàn)的結(jié)果設(shè)置有關(guān)參數(shù),并置于控制模型中,隨著這些參數(shù)的變化計(jì)算出有關(guān)參數(shù)的修改系數(shù),并及時(shí)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行修改。
2.6 通過試驗(yàn)對(duì)控制模型進(jìn)行修改
通過以上方法設(shè)計(jì)的控制模型,必須在對(duì)窯的實(shí)際控制的實(shí)踐中逐步修改,直到滿意時(shí)為止。
采用該設(shè)計(jì)的控制模型控制回轉(zhuǎn)窯,需要在開機(jī)后鍵入六個(gè)初始數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)手控轉(zhuǎn)為自控時(shí)的無擾動(dòng)切換。同時(shí),做為初始條件,置入控制模型中,經(jīng)過分析、運(yùn)算,逐漸把窯的主要參數(shù)調(diào)整到能滿足工藝要求的范圍中來。
(1)表示入窯生料量的提升泵壓力的基數(shù);
(2)表示入窯生料量的提升泵壓力;
(3)窯頭彈性葉輪喂煤機(jī)轉(zhuǎn)速;
(4)立筒預(yù)熱彈性葉輪喂煤機(jī)轉(zhuǎn)速;
(5)窯轉(zhuǎn)速;
(6)窯尾排風(fēng)機(jī)開度。
3 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
主機(jī)采用多功能、高可靠性、高性能價(jià)格比的CMCM180超級(jí)八位微機(jī)系統(tǒng)。其中MPU為HD64180,主頻為6MHz,指令為Z80指令組,再補(bǔ)加12條新指令,直接尋址能力為512K,I/O資源包括兩個(gè)異步串行口,兩個(gè)DMA通道,兩個(gè)可編程定時(shí)器。結(jié)構(gòu)是整體大板結(jié)構(gòu),最大限度地避免了接插件可能造成的故障。
該微機(jī)的作用是完成對(duì)話、優(yōu)化控制、報(bào)警和管理等。以CMCM180微型計(jì)算機(jī)為中心的控制系統(tǒng)的總體框圖見附圖。其中FUCM基本控制單元包括四路模擬輸入、四路模擬輸出、四路開關(guān)量輸入、四路開關(guān)量輸出,其中MPU芯片為8031。
四路模擬輸入將燒成帶溫度Tz、窯尾煙定溫度Te、窯尾廢氣含氧量、入窯生料提升泵壓力基值Pw各值送到模擬開關(guān)4097芯片輸入端口,再由該芯片輸出端口依次將這四個(gè)值送到A/D轉(zhuǎn)換器0804芯片,經(jīng)控制模型推理運(yùn)算后,輸出一組數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換器0832芯片去調(diào)整控制窯頭喂煤M1、排風(fēng)機(jī)開度Fk、窯轉(zhuǎn)速S、入窯喂生料絞刀PL等四路模擬輸出,并由四路開關(guān)量輸出去調(diào)整控制立筒強(qiáng)化預(yù)熱喂煤M2。各輸出路輸出0～10mA(或0～10V),去推動(dòng)各路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
本系統(tǒng)采樣周期選為30s。為了消除隨機(jī)干擾的影響,采用數(shù)字濾波提出信息。為了消除器件的零點(diǎn)漂移,在數(shù)據(jù)采集程序中,在采集一個(gè)數(shù)據(jù)之前,首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的5V(或10mA)信號(hào)和0V(或0mA)信號(hào)進(jìn)行采樣,然后按公式進(jìn)行計(jì)算:
實(shí)測(cè)值=(數(shù)據(jù)采樣值-零信號(hào)采樣值)/(最大信號(hào)采樣值-零信號(hào)采樣值)×10
為了消除50Hz交流電的影響,采樣周期選為10ms,兩次采樣數(shù)據(jù)取均值后,即可把50Hz交流電源的影響去掉。
為了使操作簡(jiǎn)便靈活,在主機(jī)部分采用菜單方式,并具有定時(shí)打印和報(bào)警功能。對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)采樣出現(xiàn)報(bào)警時(shí),程序會(huì)自動(dòng)重復(fù)檢測(cè)各參數(shù),當(dāng)報(bào)警解除時(shí),程序能自動(dòng)向下執(zhí)行。采集的系統(tǒng)狀態(tài)各參數(shù)值,可在CRT顯示屏幕上用漢字、英文和數(shù)字顯示,并以圖形方式顯示工藝流程圖。
4 控制效果
本系統(tǒng)于1991年5月開始在黑龍江省五常縣拉林水泥廠二級(jí)旋風(fēng)立筒預(yù)熱器回轉(zhuǎn)窯投入試運(yùn)行,并于1992年1月在通過了黑龍江省微機(jī)辦和黑龍江省建材局主持的專家鑒定后投入正式運(yùn)行。根據(jù)人工控制(1991年4月)和計(jì)算機(jī)控制(1991年5月)的熟料月生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)表可知:用計(jì)算機(jī)控制水泥回轉(zhuǎn)窯以后,水泥熟料的質(zhì)量和產(chǎn)量的提高是明顯的,能源和耐火磚的節(jié)約也很突出。經(jīng)過計(jì)算,一個(gè)年產(chǎn)7萬t水泥的水泥廠每年的經(jīng)濟(jì)效益至少在15萬元以上。
5 結(jié)論
水泥回轉(zhuǎn)窯熟料煅燒過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行后達(dá)到了提高熟料質(zhì)量,增加產(chǎn)量,節(jié)約能源,提高經(jīng)濟(jì)效益,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,加強(qiáng)企業(yè)管理的目的。
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