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0 引言

水泥的生產(chǎn)通?？梢院?jiǎn)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(guò)煅燒形成熟料， 再將熟料粉磨成水泥。具體工藝過(guò)程是將石灰石、 砂巖、鋼渣、 粉煤灰破碎均化后經(jīng)過(guò)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(jī)進(jìn)行生料制備， 制備好的生料進(jìn)原料倉(cāng)。原料倉(cāng)里的生料通過(guò)定量給料機(jī)將生料送進(jìn)五級(jí)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(guò)冷卻破碎后送入熟料倉(cāng)。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(jì)量秤配料后送入水泥粉磨設(shè)備， 制造出符合要求質(zhì)量?jī)?yōu)良的水泥。 因此，生料配料過(guò)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(fèi)， 重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率， 甚至?xí)劤缮a(chǎn)事故?？傊?，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(guò)程中能否實(shí)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(jī)、 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(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體工藝結(jié)構(gòu)，采用上位機(jī)作為主控器，通過(guò)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(gè)主控制器，即是主從工作方式?？偩€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(jiǎn)單， 通訊差錯(cuò)開(kāi)銷少。適合于集散式控制測(cè)量的場(chǎng)合。上位機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)水泥生料配料的多種配方的存儲(chǔ)與計(jì)算， 進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行的綜合管理與監(jiān)控，通過(guò) 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(yùn)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖二所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物料的進(jìn)料量及配比進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，定時(shí)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔和打印， 隨時(shí)以圖形及數(shù)據(jù)顯示各物料的進(jìn)料量、配比和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，可隨機(jī)地依據(jù)化驗(yàn)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(jī)為核心，對(duì)稱重傳感器和測(cè)速傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理， 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)， 單片機(jī)按上位機(jī)預(yù)先設(shè)置的配方值采用 PID 控制算法運(yùn)算， 去控制相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的下料速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的計(jì)量控制。置光電隔離器以提高系統(tǒng)抗干擾能力， 實(shí)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(dòng)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)物料 i （i＝1， 2， …， 8 ） 的皮帶秤由電動(dòng)機(jī) i 帶動(dòng) （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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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(cè)量是皮帶機(jī)物料的單位長(zhǎng)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(gè)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(hào)經(jīng)處理得到Wi ， 由測(cè)速傳感器的信號(hào)經(jīng)處理得到Vi ， 由 W i 和Vi 可得到物料 i 的檢測(cè)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。然后將 U 1 經(jīng)比值器 K j (j＝2，…， 8)運(yùn)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(dòng)機(jī) 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(gè)副料跟主料隨動(dòng)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(jì)量， 通過(guò)皮帶進(jìn)入生料磨，然后通過(guò)選粉機(jī)，合格的生料入生料均化庫(kù)， 不合格的返回生料磨。

由上位機(jī)按預(yù)先設(shè)計(jì)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(jī)由通信總線得到主料即石灰石的流量，因卡料、物料顆粒過(guò)大或過(guò)小、 物料濕度的因素的影響， 而有較大偏差時(shí)， 起動(dòng)主副隨動(dòng)算法， 動(dòng)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(gè)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(shí)，通過(guò)檢測(cè)皮帶機(jī)上物料重量和皮帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 經(jīng)計(jì)算得到物料的流量，依據(jù)所采集的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(jī)的調(diào)速控制。同時(shí)將檢測(cè)參數(shù)上傳給上位機(jī)。

其中， u(x， k)表示在 k 時(shí)刻第 x 種物料皮帶秤機(jī)構(gòu)控制值；

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

G(x， k)表示在 k 時(shí)刻第 x 種物料稱重傳感器檢測(cè)的單位長(zhǎng)度 ΔL 上的重量；

V(x， k)表示在 k 時(shí)刻第 x 種物料測(cè)速感器檢測(cè)的皮帶線速度；

Q(x， k)表示在 k 時(shí)刻第 x 種物料的實(shí)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(jì)

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(guò)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(guò)大會(huì)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(dòng)態(tài)特性,Kd 越大, 越能抑制偏差變化,但過(guò)大會(huì)延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間,降低抗干擾能力。

根據(jù)參數(shù) Kp、 Ki、 Kd 對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況,可歸納出系統(tǒng)在被控過(guò)程中對(duì)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(shí),為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,并防止因開(kāi)始時(shí)偏差的瞬間變大可能引起的微分過(guò)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(shí),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(duì)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(shí), 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(shí)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(shí),Kd 取大一些;當(dāng)偏差變化率較大時(shí), Kd取較小的值, 通常 Kd 為中等大小。

這種控制方法對(duì)環(huán)境變化有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力,在隨機(jī)環(huán)境中能對(duì)控制器進(jìn)行自動(dòng)校正。 通過(guò)辨識(shí)能更好地了解被控過(guò)程,以便使控制器能跟上過(guò)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(yǔ)

本文對(duì)基于水泥生料配料系統(tǒng)的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，基于主副隨動(dòng)的設(shè)計(jì)思想， 在整體控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)設(shè)計(jì)了對(duì)下位機(jī)的物料配料控制器硬件，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)的 PID 控制系統(tǒng)。實(shí)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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