摘要：水泥生料配料过程是水泥生产中的重要工序。其目的是将各种原料按照一定的比例混合制成水泥生料成品，生料中各种化学元素含量指标决定了水泥产品质量。根据水泥品种的不同要求，在熟料内掺入适量石膏及混合材，经高精度计量秤配料后送入水泥粉磨设备，制造出符合要求质量优良的水泥。因此，生料配料过程是水泥生产的基础，如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，甚至会酿成生产事故。总之，控制生料质量是水泥生产企业质量控制的关键之一，而生料配料过程中能否实现规定的配比则是生料质量控制的重要内容。
关键词：水泥生料；配料过程；优化控制
水泥生产的主要工艺单元包括：生料制备（含生料混合、粉磨和均化）、熟料煅烧和水泥粉磨与包装等。水泥生产过程是一个典型的连续过程，任何一个阶段的生产都对后续过程有着重要影响。要生产符合标准的水泥，必须要有稳定、合适的生料，这既体现了生产高质量熟料的要求，又能为烧成操作提供稳定的生产条件。在配料过程中采用先进的优化控制系统，保证了生料配比的最优化，配料配制出符合要求的生料成品，对于提高熟料以及成品质量尤为重要，企业的生产效益和原料的利用率提高都有极大的帮助，以及降低工人的劳作强度、和能源节约有着重要作用。
一、水泥生料配料控制系统的整体结构
优化控制系统结构主要包括优化系统、控制系统、监控系统三个部分，优化控制系统主要是对电子皮带秤上各原料实际流量进行控制，使各化学成分在生料成品的百分含量达到生产指标要求。在配料过程中不仅要符合生料的指标，还要考虑控制生产成本，使生产成本降到最低，优化控制系统是实现以上所有功能的关键。水泥生料控制系统的结构功能图监控系统主要是用Win CC 软件来开发设计的监控画面，基本功能是对水泥生料配料过程中工艺参数以及设备运行状态的监控，主要包括各种原料流量设定值、实际值参数监测，以及生料仓的液位状态、原料实时在线趋势图、报警系统的监控和立磨机皮带秤电机、选粉机等设备的启停。监控系统能够及时监视控制整个配料过程，使整个系统更加准确无误的运行。优化系统以生料成品中化学元素含量指标为约束条件，控制生产成本最低为目标，运用序列二次规划法计算出各种原料的流量设定值，然后把这些原料流量设定值传送给底层回路进行PID 调节控制，即通过控制变频器的输出频率大小来控制原料皮带秤驱动电机的转速，实现原料的实际流量值跟踪设定流量值，完成水泥生料配料过程。
控制系统主要包括逻辑控制和连续控制，逻辑控制主要包括对立磨机、选粉机、电子皮带秤等设备的启停。在逻辑控制过程中，要注意各种控制设备的运行状态，建立设备间启停、联锁等逻辑控制避免造成设备损害。连续控制主要是通过PID 控制变频器的输出频率来控制电子皮带秤上各原料的实时流量值变化，PID 的比例、积分、微分参数可以根据原料化学成分的改变而进行相关整定修改，使各原料实时流量值能够实时准确地跟踪原料的设定值。
二、水泥生料配料控制系统的整体设计
1、水泥生料配料系统控制结构设计。根据系统总体结构，采用上位机作为主控器，通过RS-485 总线与各功能控制器进行数据通信，组成总线式集散控制系统。基于RS-485 总线所组成的网络允许接入一个主控制器，即是主从工作方式。总线的控制权始终在于主控制器，主控制器与各功能控制器的通讯采用广播式，这种方式下的纯数据采集系统通讯协议简单，通讯差错开销少。适合于集散式控制测量的场合。上位机是控制系统的核心，实现水泥生料配料的多种配方的存储与计算，进行系统运行的综合管理与监控，通过RS-485 总线向各控制器索要生产数据、监控设备运行状态、发出控制命令及参数，指挥协调各部分有序高效工作，实现生产过程的自动化运行。系统实现对多种物料的进料量及配比进行实时控制管理，定时对生产数据进行存档和打印，随时以图形及数据显示各物料的进料量、配比和电动机转数的设备运行参数，可随机地依据化验分析结构进行标准值的修改完善工作。物料控制器功能以AT89S52 单片机为核心，对称重传感器和测速传感器的信号进行处理，经A/D 转换送入单片机，单片机按上位机预先设置的配方值采用PID 控制算法运算，去控制相应电动机的下料速度，实现对物料的计量控制。置光电隔离器以提高系统抗干扰能力，实施相关设备的控制以及相应参数的LCD 显示。
2、水泥生料配料系统控制算法。水泥生料配料控制系统是按生产工艺要求，把各种原料按照配方控制计量，通过皮带进入生料磨，然后通过选粉机，合格的生料入生料均化库，不合格的返回生料磨。由上位机按预先设计的配方，确定各种原料的流量给定值，经系统RS-485 通信总线将其发布给各物料配料控制器。当上位机由通信总线得到主料即石灰石的流量，因卡料、物料颗粒过大或过小、物料湿度的因素的影响，而有较大偏差时，起动主副随动算法，动态地给出新的各物料控制给定值。
如图各物料配料控制器组成的单个物料配料系统分析：按照工艺流程，进入配料程序时，通过检测皮带机上物料重量和皮带电机的转速，经计算得到物料的流量，依据所采集的动态实时流量数据与给定值比较得到流量偏差，利用控制算法按偏差进行皮带秤电机的调速控制。同时将检测参数上传给上位机。
3、水泥生料配料参数PID 控制器设计。通常，PID 控制器的控制算式为：
比例系数Kp 的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度，Kp 越大，响应速度越快，调节精度越高，但过大将产生超调，甚至导致系统不稳定。积分系数Ki 的作用在于消除系统稳态误差，Ki 越大，静差消除越快，但过大会产生积分饱和而引起较大的超调。微分系数Kd 影响系统的动态特性，Kd 越大，越能抑制偏差变化，但过大会延长调节时间，降低抗干扰能力。根据参数Kp、Ki、Kd 对系统输出特性的影响情况，可归纳出系统在被控过程中对于不同的偏差和偏差变化率，参数Kp、Ki、Kd 的取值原则：
（1）当偏差较大时，为了加快系统的响应速度，并防止因开始时偏差的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较大的Kp 和较小的Kd。另外为防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，Ki 值要小，通常取Ki=0。
（2）当偏差和变化率为中等大小时，为了使系统响应的超调量减小和保证一定的响应速度，Kp 应取小一些。在这种情况下Kd 的取值对系统影响很大，应取小一些，Ki 的取值要适当。
（3）当偏差较小时，为了使系统具有较好的稳态性能，应增大Kp、Ki 值，同时为避免输出响应在设定值附近振荡，以及考虑系统的抗干扰能力，应适当选取Kd，其原则是：当偏差变化率较小时，Kd 取大一些；当偏差变化率较大时，Kd取较小的值，通常Kd 为中等大小。这种控制方法对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正。通过辨识能更好地了解被控过程，以便使控制器能跟上过程变化。
基于水泥生料配料系统的工艺过程设计了控制系统，基于主副随动的设计思想，在整体控制系统进行设计的基础上重点设计了对下位机的物料配料控制器硬件，并设计了上位机的PID 控制系统。实际工程应用表明，提升水泥配料生产过程。
参考文献
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论文作者:张伯超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/14
标签：生料论文; 水泥论文; 控制系统论文; 系统论文; 物料论文; 偏差论文; 原料论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;