中控水泥行业自动控制整体解决方案

一、关于中控

    中控科技集团有限公司（浙大中控）是中国领先的自动化信息化技术、产品与解决方案供应商，业务涉及工厂自动化、公用工程信息化、装备自动化等领域。
  
    浙江中控技术有限公司是中控科技集团有限公司的核心成员企业，致力于工厂自动化业务领域控制系统的研究开发、生产制造、市场营销及工程服务。浙大中控已经服务于全球超过3000家用户，有近4000套控制系统稳定高效的运行在各个工业行业，涉及化工、石化、冶金、电力、建材、食品、造纸等多个领域，用户遍及国内30个省市、自治区及东南亚、西亚、非洲等地。

    在水泥行业，浙大中控有着完善的解决方案、丰富的工程实施经验和一支具有资深行业背景的专家队伍。客户广泛分布于浙江、江西、安徽、湖南、河南、山西、四川等省份，包括安徽海螺集团在内的国内数十家水泥企业均已采用浙大中控提供的控制系统和解决方案实现了对水泥生产过程的控制。

    浙大中控期待着为更多的水泥生产企业提供优质的产品、完善的服务，最终为更多的水泥生产企业提高经济效益与社会效益。

二、水泥行业简介

    水泥企业作为大规模生产的制造企业，是建材行业的三大支柱之一。我国是水泥生产大国，最近几年连续呈现出供需两旺的高速增长势头，为国民经济持续、快速发展做出了重要贡献。

    水泥产品按用途主要分为通用水泥、专用水泥、特性水泥，其中通用水泥主要包括以下六种：普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥 、火山灰质硅酸盐水泥、 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

三、水泥生产工艺简述

    水泥生产工艺的主要过程是原料破碎粉磨后制成生料，然后再把生料送入到高温窑炉中用燃料将其煅烧成熟料，最后将熟料与适量石膏混合磨细制成水泥，需要经过矿山开采、原料破碎、黏土烘干、生料粉磨、熟料煅烧、熟料冷却、水泥粉磨及成品包装等多道工序。
     
图2  生料粉磨流程图
    生料制备系统的工艺流程范围：始自原料调配站的库底，止于生料均化库的库顶，包括原料调配及输送，包括原料粉磨、生料输送入库。控制要点与策略如下：
    ■    生料质量控制（QCS）系统
    QCS系统（质量控制系统）在水泥生产中被广泛应用。生料质量控制（QCS）系统由在线钙铁荧光分析仪、计算机、调速电子皮带秤等组成。智能在线钙铁荧光分析仪可进行自动取样、制样，并进行连续测定，由QCS系统进行配料计算，并通过DCS对电子调速皮带秤下料量进行比例调节和成分控制，使生料三率值保持在目标值附近波动，从而大幅度提高生料成分合格率和质量稳定性。浙大中控的DCS系统可实现与QCS系统的互联，对生料质量进行有效的控制。
    ■   生料粉磨负荷控制系统
    生料粉磨控制系统的控制难点在于磨机的负荷控制。当入料水分、硬度发生变化时，系统通过调节入磨物料量来保证磨机处于负荷稳定的最佳粉磨状态，避免堵磨或者空磨发生。浙大中控对负荷自控系统通常采用的调节方法有：一是设置一个入磨量常数，稳态下的选粉机回粉入磨量加新喂料量与之相等；二是以提升机功率或者磨机电耳信号分别作为主控或监控信号适时调节；三是以选粉机回粉、提升功能、电耳等信号进行数学模型分析控制或极值控制。
    立磨大多采用常数控制，球磨则多采用电耳或者提升机功率信号调节。
    3、  生料均化库控制

图3  生料均化库流程图
    ■   生料预均化系统
    生料预均化是通过控制均化库底卸料电振机来实现的。生料预均化库通常为长条形库，库底卸料电振机共26台分为两组，每组13台，每台均能单独实现时间程序控制，两组电振机由一台可编程控制器（PLC）按一定时间程序进行卸料控制，从而达到不同时间进的料按一定比例预均化后进磨。
    ■    生料均化系统
    生料均化是靠具有一定压力的空气对生料进行吹射均化。通常在库底设置了充气装置，采用时间顺序控制策略，依据时序开停库底充气电磁阀，使物料流态化并翻腾搅拌，生料混和达到均化目的。
    ■    计量仓料量的自动控制系统
    利用计量仓的仓重信号自动调节生料库侧电动流量阀的开度，使称重仓的料量保持稳定，从而保证计量仓下料量的稳定。
    ■    生料均化库下料控制
    在生产过程中，烧成带温度一般要求控制在一个合适的范围，因为它对熟料的质量至关重要。将生料量、风机风量与烧成带温度结合起来设定生料下料量的设定值，该系统通过自动调节，利用固体流量计的反馈值自动调节计量仓下电动流量阀的开度，使生料稳定在设定值上，从而使得入窑的生料保持稳定，最终保障窑系统的稳定运行。
    4、  煤粉制备系统

图4  煤粉制备流程图
    ■   出磨气体温度的自动控制
    出磨气体温度直接关系到出磨成品水分和系统安全运转问题。为了确保生产出合格的煤粉，同时还要保证系统温度不能过高，控制系统中设置了磨机出口气体温度自动控制回路，通过改变磨机进口冷风阀门开度控制磨机出口气体温度稳定。
    ■   磨机负荷自动控制
    煤粉仓内煤粉量变化过大会影响煤粉喂料部分计量精度，在正常生产中煤粉仓中煤粉量应尽量恒定；同时也要保证磨机的正常安全运转，防止“满磨”。浙大中控采用了由磨机电耳信号自动调节磨头定量给料机喂料量的自动控制回路。
    5、  烧成系统

图5  烧成窑尾流程图
    ■    分解炉喂煤量的计量与自动调节
    分解炉的温度是保证回转窑正常运行的一个重要控制参数。在生料量不变时，燃料和空气的混和比例必须要正确地控制。故对分解炉的温度进行计量，以便实现优化控制，通过自动增减煤量对分解炉的温度进行调节，使其控制在所需要的设定值上。既能使分解炉保持最高的分解率，又不使其因温度过高而导致生料粘结，影响窑系统的正常运行。
    ■     预热器出口压力调节
    预热器出口压力是反应系统风量平衡的一个主要指标，主要通过调节高温风机阀门开度来实现预热器出口压力的控制。
    ■     预热器自动吹扫装置
    由计算机按一定的时间顺序规律定时接通相应的各级预热器上的电磁阀，轮流打开压缩空气管路，对预热器进行逐级吹扫，以防结皮堵塞影响预热器系统的正常运行，吹扫时间人工设定，一般为5s～20s。

图6  烧成窑头流程图
    ■    窑头负压自动控制
    窑头负压表征窑内通风及冷却机入窑二次风之间的平衡。根据窑头负压自动调节电收尘器排风机进口阀门开度，以控制窑头二次风量、窑尾三次风量、窑头废气量三者的平衡，从而取得稳定煅烧和冷却熟料之间的平衡。
    ■    回转窑的转速控制
    采用的策略是在稳定生料量、燃料量的前提下，通过对回转窑转速进行适当调整以维持整个窑系统的均衡稳定生产。
    ■    篦冷机一、二室风量自动调节
    二次空气对于窑内燃烧的好坏、工作的稳定性和煅烧过程中的燃料消耗都有很大的影响。该系统控制目的就是通过稳定一、二室风量，从而稳定入窑新鲜空气量，为窑的稳定运行提供条件，采取一室风量调一室风机阀门开度，二室风量调二室风机阀门开度的控制策略。
    ■     篦冷机料层厚度自动调节
    控制篦冷机料层厚度，一则稳定二次风温，以稳定窑的正常运行，二则可使熟料达到最佳冷却。因篦冷机料层厚度难以检测，故在控制策略中采用篦下压力调篦速，以稳定篦冷机料层厚度。对于二段式篦冷机而言，还涉及到一、二段篦速比例调节。
    6、  废气处理系统
    废气处理系统的关键在于对增湿塔的喷水量的控制，控制策略根据增湿塔出口温度控制喷嘴个数，以增湿降温提高电收尘器的收尘效率，增湿塔出口温度一般控制在130 左右。

图7  废气处理流程图
    7、  水泥粉磨与输送系统
    ■    喂料量控制
    喂料量要求均匀、稳定，以磨音信号和出磨提升机的功率来调节入磨喂料量
    ■    出磨气体温度的自动控制
    通过对磨机通风量的调节来控制出磨气体温度
    ■    选粉机的调节与控制
    ■    熟料的存储与输送
    输送与存储设备之间存在工艺联锁关系，采用“逆流程启动,顺流程停车”原则对设备进行顺序控制。  
   
五、浙大中控DCS系统在水泥行业的技术优势
    浙大中控应用于水泥行业的控制系统是基于Web 技术的网络化控制系统－WebField ECS－100。它的主要特点是突破了传统控制系统的层次模型，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成，十分适合于自控设备多、大规模连续生产场合－水泥厂的控制。
    浙大中控的ECS－100系统能够得到包含国内一些大型水泥企业在内的众多用户的青睐，是由以下行业优势所决定的：
    1、系统的高度稳定性
    1）浙大中控的WebField 系列DCS产品系统已经累计取得了近4000套应用业绩，广泛应用于核电站、热电厂、石油化工、高分子和精细化工、水泥和建材、造纸在内的几乎所有流程工业，系统的稳定性已经经受了各种工况与工艺条件的严酷考验。
    2）WebField ECS－100是WebField 家族的主流产品，是一套面向大中型过程控制的控制系统。系统对主控卡、数据转发卡、控制网络采用冗余设计，在技术上充分保证了系统的高度可靠性与稳定性，可以有效地保障水泥生产的连续进行。
    2、系统的高度的安全性
    1) WebField ECS－100系统实现了I/O通道级别的冗余，并能根据设备重要程度灵活选择冗余与否，使得系统获得了保障生产安全与节省用户投资的和谐统一。
    2) ECS－100系统安全的在线下载功能，既有效降低了投运期间的工作量，又保障了投运期间的安全。
    3) ECS－100系统的端子板和卡件分离技术，使系统与现场实现了真正意义上的隔离；同时系统I/O通道采用点点隔离设计，使得故障面不易扩大，可以克服因串扰产生的大面积故障，避免造成停机停产。
    4)水泥生产的各个控制站极为分散，此时系统的安全很大程度上取决于控制网络的稳定性。冗余光纤环网技术的设计与采用使得浙大中控的过程控制网络极为可靠，大大提高了整个系统的安全系数。

图8  冗余光纤环网网络结构示意图
    3、系统良好的开放性
    水泥生产现场设备种类繁多，各设备供应商所提供的通信协议也千差万别，这对控制系统的开放性提出了很高的要求。浙大中控能提供诸如Profibus-DP、Profibus-PA、OPC、MODBUS、HOSTLINK、DDE、CDT、自定义协议等多种通讯解决方案，能够很好的满足水泥行业项目工程应用的需要。
    4、具有强抗干扰性的DI输入卡件的开发设计
    水泥厂的220VAC DI信号在长线输送时，线路的感应干扰极大；并且水泥厂大量应用变频器等强干扰源。浙大中控WebField ECS－100系统针对水泥行业特色对DI卡件进行了特殊加工与设计，可万无一失的克服现场的强烈干扰。
    5、IO通道级的故障自诊断功能
    在水泥厂，DCS系统控制I/O点数、设备一般都在几千点以上。一旦现场设备出现意外故障，故障分析、查找极其困难。为更好的提高行业适应性，浙大中控WebField ECS－100系统有针对性的开发了I/O通道级的故障诊断功能，使得故障分析、查找十分方便，大大减轻了维护人员劳动强度。
    6、强大的软件功能
    系统提供全中文集成化图形界面组态工具，实现了水泥生产过程的优化控制和安全操作。人机界面友好、软件设计规范化、接口灵活、升级方便、水泥生产过程专用控制模块可以很好满足水泥生产过程中的各种特殊要求。
    7、优质、周到的工程服务
    浙大中控与用户充分融为一体，想用户之所想、急用户之所急，热情周到的跟踪服务，取得了广大用户的信赖。
    浙大中控深知，工程交付使用仅是服务的开始，定期的技术回访和解决生产过程中遇到的技术问题才是浙大中控服务的核心。

六、典型应用
    截至目前，浙大中控在水泥行业已经取得了大量应用业绩，用户涵盖了国内多家大型水泥生产企业（如安徽海螺集团），以下是我们在不同规模水泥生产领域的部分典型项目：
安徽宁国水泥厂（5000t/d)       江西虎山岩鹰水泥(2500t/d)
湖南印山台水泥(2500t/d)         江西虎山鸡山水泥(2500t/d)  
山西洪洞水泥(1000t/d)            萧山长河水泥(2500t/d)
江川翠峰水泥(1200t/d)            老河口宝石水泥厂（2500t/d）
重庆金江水泥(2500t/d)            天瑞集团周口水泥(200万吨/年水泥粉磨)
安徽巢东水泥(30万吨/年水泥)    河南永煤水泥磨系统(50万吨/年水泥粉磨)
长兴小浦众盛水泥有限公司（3MW纯低温余热电站）

七、典型行业案例介绍
    湖南印山台水泥厂2500 t/d水泥生产线项目中，浙大中控的ECS－100系统承担了从生料制备、熟料煅烧、熟料入库到成品粉磨、包装的整条生产线的过程控制任务。系统性能稳定，生产线一次点火成功，并在较短时间内达标超产（点火二十天后生产能力即达到2800t/d）。


图9  湖南印山台生料粉磨控制

图10  湖南印山台生料均化控制

图11  湖南印山台与QCS系统成功互联

图12  湖南印山台煤粉制备控制

图13 湖南印山台烧成窑尾控制

图14 湖南印山台烧成窑头控制  
                                    
八、结束语
    浙大中控作为一家集工业自动化产品的科研开发、生产制造、市场营销和工程服务于一体的高科技企业，已成为中国最知名的自动化公司之一，期待着与更多的水泥客户共同进步，以全面提升整个水泥行业用户的自动化水平与经济效益。