陳月紅 張 偉

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司， 遼寧 丹東 118002）

0 引言

智能制造已成為全球工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)家高度重視。在水泥行業(yè)中，智能質(zhì)量控制建設(shè)是國(guó)內(nèi)外各大水泥廠發(fā)展建設(shè)的趨勢(shì)，其中生產(chǎn)過程自動(dòng)化是非常重要的部分。

水泥廠的質(zhì)量控制離不開配料控制與取樣化驗(yàn)，如何實(shí)現(xiàn)取樣、化驗(yàn)過程的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)智能配料控制，是水泥質(zhì)量控制工作的重點(diǎn)。目前水泥廠逐漸取代了傳統(tǒng)的人工取樣、定時(shí)化驗(yàn)及傳統(tǒng)配料的方式，逐漸向自動(dòng)取樣、送樣和智能配料的方向發(fā)展，傳統(tǒng)制造逐漸向智能制造轉(zhuǎn)型，為打造智能水泥工廠提供了科學(xué)、有力的保障。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)方式

水泥的生產(chǎn)工藝流程主要為“兩磨一燒”，即把水泥配料過程中的各種原材料磨成合乎粒度要求的生料成品，配置出公司要求的配比生料成品，然后把生料成品放入回轉(zhuǎn)窯燒至熔融狀態(tài)的熟料，再將石膏加入熟料中磨成最終的成品水泥[1]。這個(gè)工藝流程的工序之間連續(xù)性很強(qiáng)，各環(huán)節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣，無論哪個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響最終成品的質(zhì)量，并且生產(chǎn)情況也是瞬息萬變，生產(chǎn)所需的原材料含量可能存在誤差，所以在生產(chǎn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，如果不及時(shí)調(diào)整可能造成無法挽回的影響。

在我國(guó)水泥生產(chǎn)企業(yè)中，多數(shù)采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制方式，工藝流程是人工到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)取樣，再送至廠區(qū)化驗(yàn)室，化驗(yàn)后將結(jié)果反饋至生產(chǎn)管理者，如果化驗(yàn)結(jié)果與生產(chǎn)指標(biāo)不區(qū)匹配，需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)定指標(biāo)及原料配比進(jìn)行調(diào)整。原則上是取樣化驗(yàn)周期盡量小，但現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中化驗(yàn)室工作任務(wù)較重，時(shí)常無法按時(shí)完成化驗(yàn)任務(wù)，所以不得不減少化驗(yàn)頻次。對(duì)于取樣過程存在很多誤差，物料自身質(zhì)量的差異分布是隨機(jī)的，為保證所取樣品有足夠的代表性，必須遵循多點(diǎn)、隨機(jī)、等量的取樣原則進(jìn)行取樣，實(shí)際生產(chǎn)工作中很難按檢驗(yàn)要求標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施[2]。所以選擇合理的、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的自動(dòng)化質(zhì)量控制方法非常重要，盡量減少人工參與，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣、送樣及化驗(yàn)勢(shì)在必行。

2 發(fā)展過程

上世紀(jì)50年代開始，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，水泥在線質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)已逐漸開始應(yīng)用。目前國(guó)外一些領(lǐng)先的企業(yè)除了應(yīng)用較先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，另外在自動(dòng)控制方面也應(yīng)用了先進(jìn)的方法，自動(dòng)化程度較高。

我國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)和自動(dòng)化公司將水泥質(zhì)量控制作為一個(gè)課題進(jìn)行了研究，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程的自動(dòng)取樣、輸送與化驗(yàn)，盡量減少人工參與，實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)化與智能化，加快生產(chǎn)過程中的檢測(cè)與反饋，在生產(chǎn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)能夠快速作出調(diào)整。

對(duì)于生產(chǎn)配料環(huán)節(jié)，大多數(shù)水泥廠已引進(jìn)DCS控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行集中控制，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，提升了水泥配料的自動(dòng)化水平，但是大多數(shù)操作員仍依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整生產(chǎn)，并且DCS控制系統(tǒng)配料的依據(jù)是化驗(yàn)室反饋的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，低效率的化驗(yàn)環(huán)節(jié)仍是自動(dòng)化配料的瓶頸。

3 水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)的總體控制方案

影響水泥成品質(zhì)量波動(dòng)的因素很多，原材料成分的波動(dòng)是最主要的因素。按常理來說，原料成分都是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)該非常穩(wěn)定，但實(shí)際情況是原料成分長(zhǎng)周期穩(wěn)定，短周期內(nèi)仍會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。在進(jìn)場(chǎng)時(shí)，水泥廠會(huì)對(duì)其進(jìn)行采樣檢測(cè)，但采樣有隨機(jī)性、片面性，采樣結(jié)果完全不能代表整個(gè)料堆，因此會(huì)出現(xiàn)混料后成分波動(dòng)的情況。所以要提高水泥質(zhì)量，加強(qiáng)取樣、化驗(yàn)及配料管理很重要，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行全面智能管控。

（1）對(duì)入場(chǎng)、入堆的原料進(jìn)行精準(zhǔn)化管理，掌控倉內(nèi)原料成分，建立堆場(chǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)庫?？刹捎弥凶踊罨嘣胤治鰞x對(duì)入場(chǎng)的石灰石、煤質(zhì)等進(jìn)行成分檢測(cè)，快速給出分析結(jié)果[3]，確保了原料成分的穩(wěn)定性，也監(jiān)督了質(zhì)量監(jiān)控等工作。

（2）對(duì)出磨生料、入窯生料、出窯熟料、出磨水泥等生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)取樣，經(jīng)過自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)取樣、送樣等一系列步驟，通過炮彈輸送系統(tǒng)自動(dòng)將樣品輸送到中央實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。其中，“炮彈”為取樣、送樣過程中的存放樣品裝置。

（3）中央實(shí)驗(yàn)室接收到樣品后，對(duì)樣品進(jìn)行制樣和化驗(yàn)，可采用高精度的儀器儀表進(jìn)行化驗(yàn)分析。

（4）根據(jù)樣品檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)將結(jié)果反饋到水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)，重新計(jì)算質(zhì)量指標(biāo)及優(yōu)化配比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料調(diào)整。

水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)的總體控制方案流程見圖1。

4 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的工作流程

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室包括生料、熟料和水泥的自動(dòng)取樣及發(fā)送站，中央實(shí)驗(yàn)室等，含破碎和縮分系統(tǒng)。首先，采用自動(dòng)取樣器取樣，裝入樣品罐；其次，通過氣力輸送管道將樣品罐自動(dòng)輸送到中央實(shí)驗(yàn)室；再次，在中央實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制樣、分析；最后，生成化驗(yàn)數(shù)據(jù)后上傳至水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)中，為生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)整配方提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其工作流程見圖2。

圖2 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的工作流程

4.1 生料自動(dòng)取樣及發(fā)送站

發(fā)送站具備接收和發(fā)送炮彈的功能，同時(shí)對(duì)來自取樣器的樣品物料進(jìn)行均化處理。根據(jù)設(shè)定的取樣時(shí)間間隔，定時(shí)為炮彈裝填定量的樣品物料，然后密封，再經(jīng)炮彈管道系統(tǒng)發(fā)送至化驗(yàn)室的自動(dòng)接收裝置。

4.2 水泥自動(dòng)取樣及發(fā)送站

水泥自動(dòng)取樣器在取到具有代表性的物料后，經(jīng)過發(fā)送站內(nèi)自動(dòng)攪拌縮分裝置裝入“炮彈”中，經(jīng)由壓縮空氣管路輸送至中央實(shí)驗(yàn)室，再由中央實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)樣品的自動(dòng)制樣和檢測(cè)等工作。

4.3 熟料自動(dòng)取樣器及發(fā)送站

熟料自動(dòng)取樣器將取到的具有代表性的物料，通過振動(dòng)給料機(jī)輸送至發(fā)送站上方的破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的熟料經(jīng)過發(fā)送站內(nèi)自動(dòng)攪拌縮分裝置裝入“炮彈”中，經(jīng)由壓縮空氣管路輸送至中央實(shí)驗(yàn)室，再由中央實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)樣品的自動(dòng)制樣和自動(dòng)檢測(cè)等工作。

4.4 中央實(shí)驗(yàn)室

為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)樣品處理檢測(cè)，保證檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定可靠，除配套的自動(dòng)取樣輸送系統(tǒng)，另配置智能化的中央實(shí)驗(yàn)室，用于生料、熟料、水泥樣品的制備、分析檢測(cè)。中央實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要包含制樣系統(tǒng)、機(jī)械手、研磨壓片一體機(jī)、樣品檢測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備。

（1）制樣系統(tǒng)是一套集成的制樣系統(tǒng)，可滿足各類樣品處理檢測(cè)功能。

（2）機(jī)械手主要負(fù)責(zé)樣品的調(diào)度，它將樣品送入研磨壓片一體機(jī)，制成標(biāo)準(zhǔn)樣，再由機(jī)器手把標(biāo)準(zhǔn)樣片送入樣品檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

（3）研磨壓片一體機(jī)，具備樣品接收、研磨、壓制、輸送、清潔等功能。

（4）樣品檢測(cè)系統(tǒng)主要是熒光儀，主要用于檢測(cè)生料、熟料和水泥的化學(xué)成份和含量。

5 水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用縮短了檢測(cè)物料成分環(huán)節(jié)的時(shí)間，而水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行管控，根據(jù)樣品檢測(cè)結(jié)果，重新計(jì)算指標(biāo)及優(yōu)化配比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料調(diào)整。

水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了無縫銜接，一般采用OPC技術(shù)接口。OPC規(guī)范是自動(dòng)化控制系統(tǒng)經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，要求各儀表廠商發(fā)布各自的OPC服務(wù)器，提供標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，這樣任何符合OPC規(guī)范的客戶端應(yīng)用程序都根據(jù)接口規(guī)范進(jìn)行訪問，具有接口透明度高、集成度高等優(yōu)勢(shì)[4]。

水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)可分別對(duì)出磨生料、出窯熟料及水泥磨進(jìn)行配料控制，根據(jù)控制目標(biāo)值，可以自動(dòng)調(diào)整配料比例中各原料的摻入比例，使混合料指標(biāo)符合質(zhì)量指標(biāo)設(shè)定值。

優(yōu)化的原料設(shè)定配比是水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)中最重要的輸出項(xiàng)，計(jì)算過程復(fù)雜，影響因素多，計(jì)算優(yōu)化配比時(shí)不僅要依據(jù)短周期內(nèi)的質(zhì)量指標(biāo)，還需考慮長(zhǎng)周期的原料成分、熱耗及成分等因素，不僅要監(jiān)測(cè)各原料秤的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及反饋配比，還需參考混合料的化驗(yàn)結(jié)果。水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)不僅對(duì)生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)，并且重點(diǎn)在于在生產(chǎn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行反應(yīng)控制，調(diào)整優(yōu)化配比?？刂七^程見圖3。

圖3 水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)的控制條件與方法

反饋調(diào)整是水泥質(zhì)量控制的重要一環(huán)，反饋數(shù)據(jù)是原料秤提供的實(shí)時(shí)流量和配比數(shù)據(jù)。隨著工業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展，儀表系統(tǒng)不再是獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦芾砜刂茢?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合[5]。由于水泥生產(chǎn)過程中生產(chǎn)情況是實(shí)時(shí)變化的，僅依據(jù)化驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的優(yōu)化配比是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)控原料秤的運(yùn)行情況，在供料條件、混合料成分變化等異常情況出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。比如在原料秤出現(xiàn)斷料、反饋配比與設(shè)定配比出現(xiàn)較大差距時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)向操作員提示報(bào)警，并及時(shí)進(jìn)行配比補(bǔ)償。

6 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的以人工經(jīng)驗(yàn)為主的生產(chǎn)模式相比，基于自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)大幅度提升了自動(dòng)化水平，保證了生產(chǎn)指標(biāo)的穩(wěn)定，提高了質(zhì)量管理水平，具體有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）減員增效：自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室是基于“有人巡視、無人值守”的原則，在取樣點(diǎn)、化驗(yàn)室、集控系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)無人值守或減人值守，減少了人力成本，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，提高了采樣頻率和化驗(yàn)頻率，為配料系統(tǒng)調(diào)整配方提供了更多的數(shù)據(jù)支持。

（2）化驗(yàn)準(zhǔn)確及時(shí)：自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)取樣環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)的人工取樣相比，更快捷，無滯后，不受天氣、環(huán)境等外界因素干擾，無人工操作誤差，全系統(tǒng)無人參與，避免了瞞報(bào)、漏報(bào)等意外情況。

（3）提升安全性：工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件艱苦，工作環(huán)境惡劣，采樣點(diǎn)灰塵大、噪音大，工人長(zhǎng)期在此環(huán)境中工作可能對(duì)身體造成傷害，通過自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的實(shí)施，將會(huì)提升工人工作的體驗(yàn)感，減少安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）誤差小：人工取樣化驗(yàn)需要大量的人工參與，影響因素多誤差大，自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室需要人工參與的工作很少，大大減少了化驗(yàn)結(jié)果的誤差。

（5）質(zhì)量管控到位：由于自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室反饋的化驗(yàn)數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入系統(tǒng)，在生產(chǎn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)在第一時(shí)間作出調(diào)整與管控，保證了水泥質(zhì)量的穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，提高了水泥質(zhì)量控制的精細(xì)化水平。

7 結(jié)束語

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用有效地解決了人工取樣、送樣和制樣的難題，實(shí)現(xiàn)了取樣化驗(yàn)自動(dòng)化，為水泥質(zhì)量管控提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，通過水泥質(zhì)量控制系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算，使供料穩(wěn)定、精準(zhǔn)，整個(gè)工藝過程更加合理、完善，實(shí)現(xiàn)了降低成本，節(jié)約能源消耗，提升了水泥廠的質(zhì)量管理水平。