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0 引言

水泥的生產(chǎn)通常可以簡要地概括為“兩磨一燒” ， 即首先將原料粉磨成生料， 然后經(jīng)過煅燒形成熟料， 再將熟料粉磨成水泥。具體工藝過程是將石灰石、 砂巖、鋼渣、 粉煤灰破碎均化后經(jīng)過定比配料系統(tǒng)混合成原料粉，傳送系統(tǒng)將原料粉傳送進(jìn)粉磨機進(jìn)行生料制備， 制備好的生料進(jìn)原料倉。原料倉里的生料通過定量給料機將生料送進(jìn)五級懸浮預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)煅燒成熟料。煅燒后的熟料經(jīng)過冷卻破碎后送入熟料倉。根據(jù)水泥品種的不同要求， 在熟料內(nèi)摻入適量石膏及混合材，經(jīng)高精度計量秤配料后送入水泥粉磨設(shè)備， 制造出符合要求質(zhì)量優(yōu)良的水泥。 因此，生料配料過程是水泥生產(chǎn)的基礎(chǔ)， 如果配料的質(zhì)量達(dá)不到要求，輕則造成原料、 能源的浪費， 重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率， 甚至?xí)劤缮a(chǎn)事故。總之，控制生料質(zhì)量是水泥生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制的關(guān)鍵之一， 而生料配料過程中能否實現(xiàn)規(guī)定的配比則是生料質(zhì)量控制的重要內(nèi)容。

1 水泥生料配料系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)

水泥生料配料系統(tǒng)主要由物料配料秤系統(tǒng)、物料輸送皮帶、 選粉機、 生料磨、 多元素分析儀和集散控制系統(tǒng)等組成，其工藝結(jié)構(gòu)如圖一所示。

2 水泥生料配料系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總體工藝結(jié)構(gòu)，采用上位機作為主控器，通過RS-485 總線與各功能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，組成總線式集散控制系統(tǒng)?；?RS-485 總線所組成的網(wǎng)絡(luò)允許接入一個主控制器，即是主從工作方式。總線的控制權(quán)始終在于主控制器， 主控制器與各功能控制器的通訊采用廣播式，這種方式下的純數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊協(xié)議簡單， 通訊差錯開銷少。適合于集散式控制測量的場合。上位機是控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)水泥生料配料的多種配方的存儲與計算， 進(jìn)行系統(tǒng)運行的綜合管理與監(jiān)控，通過 RS-485 總線向各控制器索要生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)、 發(fā)出控制命令及參數(shù)， 指揮協(xié)調(diào)各部分有序高效工作， 實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化運行?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖二所示。

系統(tǒng)實現(xiàn)對多種物料的進(jìn)料量及配比進(jìn)行實時控制管理，定時對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔和打印， 隨時以圖形及數(shù)據(jù)顯示各物料的進(jìn)料量、配比和電動機轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)備運行參數(shù)，可隨機地依據(jù)化驗分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的修改完善工作。

石灰石、鐵粉、 粉煤灰、 粘土、 螢石、 石膏等物料控制器結(jié)構(gòu)如圖三所示。物料控制器功能以 AT89S52 單片機為核心，對稱重傳感器和測速傳感器的信號進(jìn)行處理， 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送入單片機， 單片機按上位機預(yù)先設(shè)置的配方值采用 PID 控制算法運算， 去控制相應(yīng)電動機的下料速度，實現(xiàn)對物料的計量控制。置光電隔離器以提高系統(tǒng)抗干擾能力， 實施相關(guān)設(shè)備的控制以及相應(yīng)參數(shù)的LCD 顯示。

3 主副隨動控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)物料 i （i＝1， 2， …， 8 ） 的皮帶秤由電動機 i 帶動 （其中物料 1 為主料石灰石 ）。工藝要求提高調(diào)節(jié)所有電動機轉(zhuǎn)速來保持主料與各副料的重量流量比值為 αj，即

G1/Gj =αj (j＝2，…， 8) (1)

其中： G1,Gj 分別表示主料和各副料的重量流量，單位為(Kg/s)。

稱重傳感器檢測量是皮帶機物料的單位長度ΔL 上的重量 gi， 即

Wi＝gi/ΔL （i＝1， 2， …， 8 ） (2)

設(shè)皮帶傳輸秤的皮帶線速度為 Vi（m/s ） ， 則

Gi=∫W i Vi dt （i＝1， 2， …， 8 ） (3)

將式(3)代入式(1)得

∫W i V i dt / ∫W jV j dt＝αj (j＝2， …， 8) (4)

顯然，如果保持 W i V 1＝αjW j V j，則可以得到工藝所要求的主料與個各副料的比值， 即：

G1/Gj＝ ∫αj W j V j dt / ∫ W jV jdt ＝αj ∫WjVjdt/ ∫WjVjdt＝αj (5)

由稱重傳感器的信號經(jīng)處理得到Wi ， 由測速傳感器的信號經(jīng)處理得到Vi ， 由 W i 和Vi 可得到物料 i 的檢測值Ui 。

首先由U1 與給定值Ud1 進(jìn)行比較得到偏差值 e1 ， 依據(jù)偏差值 e 1 去控制調(diào)節(jié)石灰石電動機的轉(zhuǎn)動速度。然后將 U 1 經(jīng)比值器 K j (j＝2，…， 8)運算，作為控制器 j 的給定值 U dj ， 并與 U j 進(jìn)行比較得到偏差值 e j ，依據(jù)偏差值 e j 去控制調(diào)節(jié)電動機 j。 由于控制器的調(diào)節(jié)作用，保持了 U 1 =K j U j的比值關(guān)系，就形成了一個副料跟主料隨動的物料配比調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 如圖四所示。

4 水泥生料配料系統(tǒng)控制算法分析

水泥生料配料控制系統(tǒng)是按生產(chǎn)工藝要求，把各種原料按照配方控制計量， 通過皮帶進(jìn)入生料磨，然后通過選粉機，合格的生料入生料均化庫， 不合格的返回生料磨。

由上位機按預(yù)先設(shè)計的配方，確定各種原料的流量給定值， 經(jīng)系統(tǒng) RS-485 通信總線將其發(fā)布給各物料配料控制器。

當(dāng)上位機由通信總線得到主料即石灰石的流量，因卡料、物料顆粒過大或過小、 物料濕度的因素的影響， 而有較大偏差時， 起動主副隨動算法， 動態(tài)地給出新的各物料控制給定值。

各物料配料控制器組成的單個物料配料系統(tǒng)可由圖五分析:按照工藝流程， 進(jìn)入配料程序時，通過檢測皮帶機上物料重量和皮帶電機的轉(zhuǎn)速， 經(jīng)計算得到物料的流量，依據(jù)所采集的動態(tài)實時流量數(shù)據(jù)與給定值比較得到流量偏差， 利用控制算法按偏差進(jìn)行皮帶秤電機的調(diào)速控制。同時將檢測參數(shù)上傳給上位機。

其中， u(x， k)表示在 k 時刻第 x 種物料皮帶秤機構(gòu)控制值；

R(x， k)表示在 k 時刻第 x 種物料第 y 秤預(yù)期配料流量；

G(x， k)表示在 k 時刻第 x 種物料稱重傳感器檢測的單位長度 ΔL 上的重量；

V(x， k)表示在 k 時刻第 x 種物料測速感器檢測的皮帶線速度；

Q(x， k)表示在 k 時刻第 x 種物料的實際配料流量,

Q(x， k)＝V(x， k)×G(x， k)/ ΔL。

e(x， k)＝R(x， k)-Q(x， k)，代表第 x 種物料的配料誤差。

上述的分析了水泥生料配料工藝流程和各參數(shù)。

5 水泥生料配料參數(shù) PID 控制器設(shè)計

通常, PID 控制器的控制算式為:

U(k) =KpE(k)+KiΣE(k)+ KdEC(k) (6)

式(6)中,ΣE(k)=E(k)+ E(k-1)和 EC(k)=E(k)-E(k-1) (k= 0,1,2), 分別為輸入變量偏差與偏差變化,Kp,Ki 及 Kd分別為表征其比例, 積分及微分作用的參數(shù)。

比例系數(shù) Kp 的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度,Kp 越大,響應(yīng)速度越快,調(diào)節(jié)精度越高,但過大將產(chǎn)生超調(diào),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

積分系數(shù) Ki 的作用在于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,Ki越大,靜差消除越快, 但過大會產(chǎn)生積分飽和而引起較大的超調(diào)。微分系數(shù) Kd 影響系統(tǒng)的動態(tài)特性,Kd 越大, 越能抑制偏差變化,但過大會延長調(diào)節(jié)時間,降低抗干擾能力。

根據(jù)參數(shù) Kp、 Ki、 Kd 對系統(tǒng)輸出特性的影響情況,可歸納出系統(tǒng)在被控過程中對于不同的偏差和偏差變化率,參數(shù)Kp、 Ki、 Kd 的取值原則:

(1)當(dāng)偏差較大時,為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,并防止因開始時偏差的瞬間變大可能引起的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍,應(yīng)取較大的 Kp 和較小的 Kd。另外為防止積分飽和,避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),Ki 值要小,通常取 Ki=0。

(2)當(dāng)偏差和變化率為中等大小時,為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度,Kp 應(yīng)取小一些。在這種情況下 Kd 的取值對系統(tǒng)影響很大，應(yīng)取小一些， Ki 的取值要適當(dāng)。

(3) 當(dāng)偏差較小時, 為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)增大 Kp、 Ki 值, 同時為避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩,以及考慮系統(tǒng)的抗干擾能力， 應(yīng)適當(dāng)選取 Kd,其原則是:當(dāng)偏差變化率較小時,Kd 取大一些;當(dāng)偏差變化率較大時, Kd取較小的值, 通常 Kd 為中等大小。

這種控制方法對環(huán)境變化有較強的自適應(yīng)能力,在隨機環(huán)境中能對控制器進(jìn)行自動校正。 通過辨識能更好地了解被控過程,以便使控制器能跟上過程和環(huán)境的變化。 這樣,控制器本身就具有一定的適應(yīng)能力。

6 結(jié)束語

本文對基于水泥生料配料系統(tǒng)的工藝過程設(shè)計了控制系統(tǒng)，基于主副隨動的設(shè)計思想， 在整體控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的基礎(chǔ)上重點設(shè)計了對下位機的物料配料控制器硬件，并設(shè)計了上位機的 PID 控制系統(tǒng)。實際工程應(yīng)用表明， 該系統(tǒng)具有很好的控制精度和魯棒性。

 

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