摘要 本文針對我國中小水泥廠的現狀,提出了對回轉窯進行計算機控制的方法和建立控制模型的指導思想。并介紹了整個控制系統。
關鍵詞 水泥回轉窯 動態實驗 數據組 相關公式 控制模型 控制系統
1 引言

在水泥回轉窯內進行的熟料煅燒過程是一個十分復雜的物理化學反應過程。影響窯內熱工制度的因素很多,再加上有些檢測手段和儀器上的困難,使某些參數無法檢測,因此,回轉窯的計算機控制是十分困難的。
對水泥回轉窯進行計算機控制,國外是從1961年開始研究的。經過30年的艱苦努力,現已達到了實用階段。對其控制方法研究,大體上有兩種。一種是試圖建立一個能精確反映窯內物理化學變化的純數學模型；另一種方法被稱為“應用近似法”,這是總結人工控制經驗的基礎上發展起來的。前一種方法至今還沒有一個滿意的結果。后一種方法卻取得較大進展。
國內的研究起步較晚。特別是國內中小水泥廠在生料的配料和均化方面工藝比較落后,造成生料的化學成分變化較大。有的水泥廠煤的發熱量又經常大幅度變化,這就給回轉窯的計算機控制帶來了比國外更大的困難
筆者從1986年開始參與了對黑龍江省五常縣拉林水泥廠二級旋風立筒預熱回轉窯的計算機控制的研究,歷時7年,現已通過了由黑龍江省微機辦公室和建材局主持的專家鑒定,其主要技術參數如下:
(1)系統控制時間占整個窯運行時間的70%以上。
(2)自動控制窯頭喂煤量立筒預熱喂煤量,生料下料量、窯轉速和排風機開度。
(3)燒成帶溫度控制在的時間占系統控制時間的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思想
我們從水泥廠生產工藝和拉林水泥廠的生產實踐中了解到,回轉窯的燒成帶溫度、窯尾煙室溫度和窯尾廢氣含氧量穩定地保持在一定的范圍內,才能保證回轉窯內熱工制度的穩定,保證水泥熟料的產量和質量,保證較大幅度地節省能源。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重要工藝參數做為控制量,而把能顯著影響以上三個工藝參數的窯轉速、窯頭彈性葉輪喂煤機轉速、立筒預熱彈性葉輪喂煤機轉速、表示入窯生料多少的入窯生料提升泵壓力及排風機開度和一次風開度做為控制量。
設計控制模型的實質就是找出控制量和被控制量之間的動態關系,并用數學表達式加以描述。建立控制模型的步驟如下:
2.1 進行物料平衡和熱平衡的計算
我們選取回轉窯為熱平衡范圍。計算的原始數據主要是通過熱工測定取得的。
物料平衡和熱平衡計算的目的在于從理論上用數學表達式來描述控制量和被控制量之間的關系。
2.2 采集系統控制量和被控制量的數據組
雖然通過理論計算可以找出控制量和被控制量之間的關系,但理論和實踐還是有很大差距的。我們把工作重點放在回轉窯煅燒過程的動態實驗上。通過實驗,獲取了許多被控制量隨控制量變化而改變的數據組。這些數據組有的是改變一個控制量后造成被控量變化的數據,有的是改變兩個或多個控制量造成被控制量變化的數據。
2.3 測量數據組的濾波處理
所測得的大量數據組,其中某些數據肯定會受到噪聲(包括過程噪聲及測量噪聲)污染。為此,必須進行濾波處理。
2.4 應用對比和推理法建立控制模型
由理論計算得出的控制量和被控制量關系的數學表達式,只能定性的看出兩者之間的關系。所以,必須對該表達式進行歸納、整理、修改,以便將實際測得的數據組代入表達式后,能定量的符合實際測得的控制量和被控制量之間的關系。
2.5 由計算法實時算出某些難于測量的參數
在回轉窯的熟料煅燒過程中,某些參數目前還難于在線直接測量。如煤的發熱量和生料的化學成分等。而這些參數在熟料煅燒過程中又甚為重要。為此,我們根據化驗室化驗的結果設置有關參數,并置于控制模型中,隨著這些參數的變化計算出有關參數的修改系數,并及時對這些參數進行修改。
2.6 通過試驗對控制模型進行修改
通過以上方法設計的控制模型,必須在對窯的實際控制的實踐中逐步修改,直到滿意時為止。
采用該設計的控制模型控制回轉窯,需要在開機后鍵入六個初始數據,以實現手控轉為自控時的無擾動切換。同時,做為初始條件,置入控制模型中,經過分析、運算,逐漸把窯的主要參數調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;
(2)表示入窯生料量的提升泵壓力;
(3)窯頭彈性葉輪喂煤機轉速;
(4)立筒預熱彈性葉輪喂煤機轉速;
(5)窯轉速;
(6)窯尾排風機開度。
3 控制系統簡介
主機采用多功能、高可靠性、高性能價格比的CMCM180超級八位微機系統。其中MPU為HD64180,主頻為6MHz,指令為Z80指令組,再補加12條新指令,直接尋址能力為512K,I/O資源包括兩個異步串行口,兩個DMA通道,兩個可編程定時器。結構是整體大板結構,最大限度地避免了接插件可能造成的故障。
該微機的作用是完成對話、優化控制、報警和管理等。以CMCM180微型計算機為中心的控制系統的總體框圖見附圖。其中FUCM基本控制單元包括四路模擬輸入、四路模擬輸出、四路開關量輸入、四路開關量輸出,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4097芯片輸入端口,再由該芯片輸出端口依次將這四個值送到A/D轉換器0804芯片,經控制模型推理運算后,輸出一組數據由D/A轉換器0832芯片去調整控制窯頭喂煤M1、排風機開度Fk、窯轉速S、入窯喂生料絞刀PL等四路模擬輸出,并由四路開關量輸出去調整控制立筒強化預熱喂煤M2。各輸出路輸出0～10mA(或0～10V),去推動各路的執行機構。
本系統采樣周期選為30s。為了消除隨機干擾的影響,采用數字濾波提出信息。為了消除器件的零點漂移,在數據采集程序中,在采集一個數據之前,首先對標準的5V(或10mA)信號和0V(或0mA)信號進行采樣,然后按公式進行計算:
實測值=(數據采樣值-零信號采樣值)/(最大信號采樣值-零信號采樣值)×10
為了消除50Hz交流電的影響,采樣周期選為10ms,兩次采樣數據取均值后,即可把50Hz交流電源的影響去掉。
為了使操作簡便靈活,在主機部分采用菜單方式,并具有定時打印和報警功能。對系統狀態參數采樣出現報警時,程序會自動重復檢測各參數,當報警解除時,程序能自動向下執行。采集的系統狀態各參數值,可在CRT顯示屏幕上用漢字、英文和數字顯示,并以圖形方式顯示工藝流程圖。
4 控制效果
本系統于1991年5月開始在黑龍江省五常縣拉林水泥廠二級旋風立筒預熱器回轉窯投入試運行,并于1992年1月在通過了黑龍江省微機辦和黑龍江省建材局主持的專家鑒定后投入正式運行。根據人工控制(1991年4月)和計算機控制(1991年5月)的熟料月生產情況統計表可知:用計算機控制水泥回轉窯以后,水泥熟料的質量和產量的提高是明顯的,能源和耐火磚的節約也很突出。經過計算,一個年產7萬t水泥的水泥廠每年的經濟效益至少在15萬元以上。
5 結論
水泥回轉窯熟料煅燒過程計算機控制系統運行后達到了提高熟料質量,增加產量,節約能源,提高經濟效益,減輕工人勞動強度,加強企業管理的目的。
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