浅议水泥立窑生产过程DCS自动控制技术

摘要： DCS即集散型控制系统主要应用特点为集中操作、分散控制。本文主要对水泥立窑生产过程中DCS自动控制技术的应用做了分析和说明。

关键词：水泥立窑；生产自动控制；DCS

Abstract: DCS is a distributed control system is mainly used for centralized operation, decentralized control. This paper mainly analyzes and explains the application of automatic control technology in DCS production process of cement kiln.

Keywords: cement kiln; automatic control; DCS

中图分类号: TF355.1

由于水泥立窑受其生产工艺、投资规模、台时产量的影响，生产过程中的自动控制技术发展相对缓慢。从无到有、从极个别的二型仪表到局部的三型仪表使用，从局部的单台计算机控制到只有参数检测、很少参与控制的局域网系统，且使用的成效与运行的可靠性都很不理想，立窑自动化实际上在较长的时间内处于一种困境。随着DCS系统的广泛应用与现场总线技术的飞速发展，用户对计算机控制技术的要求也不断提高。控制的自动化水平越来越高，从经典的PID调节、反馈、前馈回路控制逐步发展到批次控制、集散控制面向对象的优化控制、人工智能的专家控制、模糊控制、自学习功能等，对单一参数、单一目标的控制逐步发展到多参数多目标控制，考虑到多种扰动的影响对其进行校正、补偿，算法和知识库的建立等越来越复杂，越来越要做大量细致地工作，并显得尤为重要。

一、DCS方案

20世纪80年代中期以来，我国立窑水泥厂的自动化水平有了较大提高，一些自动化新技术、新产品得到广泛应用。DCS即集散型控制系统，其特点为集中操作、分散控制。但经过多年的研究试验，目前机立窑尚不能实现完全的闭门煅烧，窑面布料与卸料的平衡操作、呲火处理、异常窑况处理等，还必须由窑面看火工手于操作[1]。针对立窑的这一特殊性，宜采用以下三种方案：一是分散控制、分散操作的方案，即在立窑生产线各主要工段分别设置DCS控制站和操作站，各控制站和操作站只对本工段的设备起停和工艺参数进行显示，控制和操作；二是设置中央控制室，操作站集中置于中控室，另在窑面控制室设一小型操作站(如OP操作屏)，中控室内的烧成操作站与现场操作站，作协调控制-与监测；三是不设窑面现场操作站，全线在中央控制室操作控制，研究开发窑面智能操作机械手、智能布料机，并配套安装新型的针孔看火装置，从而实现对窑面的远程操作处理与控制。对DCS中的电源模块、系统网络采用冗余配置，变送仪表采用精度高、调整方便、通讯能力强、高可靠性的智能型仪表，全面提高检测控制的可靠性。

DCS是生产与管理自动化综合系统，它包括了调度管理、配料控制、生产线热了参数检测控制、喂料喂煤的计量控制和设备起停联锁控制等功能，有条件的企业，可以预留通讯接口以便挂接企业管理网。对于异地建厂的集团企业或有技术单位支持的企业，可通过电话线实现远程诊断、远程管理。

立窑水泥厂规模较小，投资少，因此，在DCS的选型上，应面向价格较低的国产DCS系统和利用PLC集成的PCS系统—国产：DCS系统经过多年的努力，技术上已十分成熟，且拥有完全的中文界面，便于技术人员和操作人员的掌握。而PCS系统则具有价格低廉、可靠性高白勺优势，如西六子公司S7系列产品。

二、原燃料质量控制

对于大磨群窑工艺或生产规模较大的企业可以建立长条形小刑石灰石预均化库或圆形石灰石预均化堆场，设立个DCS现场控制站或PC站。对于长条形小型石灰石预均化库，自动控制进料皮带小车，实现往复均匀布料或定点下料，控制预均化库底卸料电振机的开停，实现搭配出料。对于圆形石灰石预均化堆场，自动控制皮带布料机和取料机以及出料拉链机的运行，实现石灰石原料的均匀布料和均匀出料，提高系统的可靠性与预均化效果。

采用全自动煤质分析仪或氧弹式发热量快速测定仪，自动分析进厂原煤的质量，实现合理搭配使用与生料准确配热：

三、生料配料及粉磨

采用DCS的生料控制站，配备QCS控制软件，加上取样器、分析仪、调速皮带秤、数字磨音测量仪和少量热工仪表构成生料质量控制系统。系统具有生料配方优化计算、配料计量秤的实时控制、磨机负荷控制、参数显示和报表打印功能。

过去立窑水泥厂多使用钙铁分析仪，这种分析仪虽然价格便宜，但它只能分析CaO、Fe2O3，不能满足快速分析其它常用化学成份的需要，也不利于充分发挥QCS的控制优势，实现三个率值的控制：因此，建议采用小型多元素分析仪，目前X荧光分析仪已经国产化，以小型X光管为激发源的X荧光分析仪适合立窑水泥厂。采用QCS配料控制系统，在原燃材料化学成份与水分等满足的条件下，入窑生料三个率值的合格率，在原有基础上可提高15％～20％。

对球磨机采用电耳检测磨音输入计算机，由计算机自动控制入磨物料的总量，实现磨机负荷控制，消除饱磨、空磨现象，保证球磨机稳产高产。对立磨系统检测磨机进出口压差信号输入汁算机，由计算机自动控制入磨物料的总量，控制立磨负荷，立磨系统㈩磨风温稳定控制，立磨系统振动检测及控制：对辊压磨系统检测温度、压力和辊缝等信号，由PLC自动控制辊压磨运行，检测入料仓的料重，稳定磨机循环量，自动控制辊压系统负荷。

采用小型PLC控制系统，自动控制生料均化库的分区循环供气，实现生料的空气搅拌均化，提高人磨生料的合格率。

四、熟料烧成

设置DCS烧成站。白动检测机立窑热工参数，自动控制预加水成球系统的料水跟踪，自动检测和纠正立窑偏火。动态显示工艺流程图、趋势图、棒图、偏火画面和报警图。主要检测参数包括烧成带温度、废气温度、入窑风压、入窑风量、入窑生料量、成球加水量、转速、位置、烟气中CO含量等。主要控制参数包括机立窑卸料电机转速、腰风阀门开度、生料喂料电机转速、加水调节阀门开度、罗茨风机放风阀门开度或转速(采用变频调速)。

值得注意的是立窑烧成系统的控制要想取得突破性进展，必须做好三件事：一是选择好人窑生料和水的计量检测装置；二是选择优质的新型电动调节阀；三是尽快开发了窑面智能操作机械手、智能布料机，并配套安装新型的针孔看火装置。

五、变电所监测控制系统

自动检测变电所高低压系统运行参数，又寸总降或现场的高压柜采用微机综合保护装置，取代传统的继电器保护方式，提供完善的保护性能，保证参数设定方便，动作灵敏准确，并可与DCS系统进行通讯，实现中控室远程监控自动控制高低压供电系统分合闸，具有报警及故障判断功能。

主要监测参数：各供电回路的电流、电压、分合闸状态和报警信息。

主要显示：控制功能：显示电流、电压、有功无功功率、有功无功电量、功率因数等，实现变压器保护、线路保护、自动选线控制和分合闸操作等。

六、其他检测与控制技术

采用超声波式或雷达式料位计连续检测原料库、生料库、熟料库和水泥库等大型圆库的料位，将料位信号输入计算机系统，为生产控制及生产管理提供准确的库存数据。采用工业电视系统在中控室远距离监视生产线上设备的运行状况，便于及时发现问题及时处理。对单管、双管绞刀和立窑塔篦子等喂料卸料设备，采用变频凋速技术，提高设备调速精度，稳定下料量。对立窑罗茨风机等大型风机采用变频调速技术，可以显著降低设备运行电耗。对低压电机采用电子式软起动器，可以根据设备的起动特性没定起动时间和起动电流倍数，改善电机起动性能，降低冲击电流，延长设备使用寿命[2]。低压电机采用电子式电机保护器取代热继电器，电子式电机保护器可提供速断、过流和缺相等多种保护功能，保护动作灵敏准确，并具有较强的通讯功能。对大型绕线电机采用液体变阻器起动和静止式进相器就地补偿，对大型鼠笼电机采用热变电阻起动和高压电容器就地补偿，可降低电机的起动电流，提高功率因数，降低运行电耗

总结：

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。适用于新型干法水泥熟料生产线，系统控制范围从原料上料开始至水泥包裝工艺生产线。应用本系统，对水泥生产过程可进行集中监视、将整个生产过程的参数、设备运行情况全面迅速的反映出来，并根据现场工艺需要，对生产线上的所有设备进行连锁控制，对各种重要的参数进行自动调节，实现水泥生产的优质、高产和低耗。同时，应用最先进的网络技术，与企业的管理网络连接，可实现生产过程控制和企业管理一体化。

参考文献：

[1] 陈晓云,纪志成,殷芳等.新型干法水泥生产的分布式控制研究[C].//第二届中国水泥企业总工程师论坛暨水泥总工程师联合会年会论文集.2010:213-217.

[2]刘惠银.MLS2619立磨在立窑厂生料粉磨系统的应用[J].水泥,2012,(8):31-32.DOI:10.3969/j.issn.1002-9877.2005.08.013.