QCS生料质量计算机控制系统的应用

1 系统概况
70年代水泥研究院辽宁自动化所在琉璃河水泥厂干法生产线上开展的“生料配料自动控制系统”研究项目,于1978年通过了部级鉴定,并荣获全国科技大会奖。目前QCS系统已经推广到广东、福建、海南、安徽、湖南、湖北、吉林、四川、江西、青海、黑龙江、广西等省、市、自治区几十条生产线上,在不同的工艺、原料条件下取得了较满意的经济效益和社会效益。在推广成果的同时,我们重点抓了成果的继续开发和完善工作,使得该系统不断完善、充实、日趋成熟。

2 控制原理 
从附图可知,计算机在输入原料石灰石、粘土、铁粉、矿化剂等的化学成分及煤的工业分析数据、原料水分数据的条件下,再输入化验室的配方要求以后,自动进行配方计算,用线性规划法求得石灰石、粘土、铁粉等原料的*配比,得到生料各种化学成分的控制目标值。在生产过程中,每隔一定的时间取一次生料样（一般为1h平均样）,压片机将具有代表性的生料样制片后,送入分析仪进行分析,得到分析结果自动（或通过键盘手动）进入控制机内,这时,控制机将把要求的控制目标值参数与实测值参数进行比较,然后进入配料调节算法软件包,该软件包输出新的下料配比。在磨机负荷控制系统中,操作人员根据当时的磨机特性设定电耳的控制分贝数,在一定的控制周期内（一般5～20min）,控制机实测到具有代表性的电耳实测值后,将目标值与实测值参数进行比较,然后进入负荷调节算法软件包,该软件包输出新的产量增量。控制算法确保磨机填充量稳定在设定的磨音范围内,不会出现因物料易磨性、水分变化导致空磨、饱磨等非正常工况现象。当控制机得到新的产量与新的下料配比后,根据乘法原则,得到各种原料的新的给定流量。控制机与计量秤之间采用自适应调节方法,使通讯接口的各通道吻合。上述过程确保了生料的、高产。 
3 系统组成 
QCS系统由下列装备构成 
3.1 检测机构 
①在线连续线切割自动取样器;②制样装置;③成分分析仪;④磨音数字测量仪。 
3.2 执行机械 
①计量秤;②自动给定装置。 
3.3 控制机构 
①QCS—03控制机;②显示器;③打印机;④系统接口。 
3.4 辅助机构 
①UPS不间断电源;②交流电子电源 target=_blank>稳压电源;③仪表盘。 
4 检测机构 
4.1 分析仪 
QCS系统根据水泥厂的规模、工艺条件、厂方要求及投资状况分别选用:①断续钙、铁分析仪;②连续钙、铁分析仪;③多元素分析仪。 
目前中小水泥厂大部分选用了断续钙铁分析仪,下面仅给出该仪器的主要技术指标:（QCS—1型分析仪）。 
分析范围:ΔCaO=5%;ΔFe2O3=3% 
误差:CaO≤0.25%;Fe2O3≤0.10% 
相对误差:SCaO≤0.12%;SFe2O3≤0.05% 
分析时间:64s、128s、256s任选指 
指标适应:连测12次,在置信度为95%条件下。 
4.2 磨音数字测量仪 
磨音是一种噪音,其声压级约为110～120dB。选频式声强电耳选出磨音声压级级差明显的频段内的信号,经处理,能得到较可靠地反映磨机填充率参数的信号。主要技术指标: 
测量范围:60～140dB（分60、100、140以40dB间隔分三档） 
频率范围:40Hz～12kHz 
输出信号:0～10mA;0～5V两种可任选 
4.3 取样器 
基本要求:①有代表性;②缩分比合理;③结构简单;④防止潮湿结露。 
5 执行机构 
5.1 定量喂料装置 
QCS生料系统采用的定量喂料装置有恒速秤、减量秤、双悬臂秤、核子秤、调速秤等多种定量喂料秤。但根据我们的实践经验,认为选用调速秤较好,该秤性能稳定,调节特性很好。主要参数如下: 
系统动态计量误差≤1% 
系统动态调节误差≤1% 
皮带宽度:400～800mm（可选） 
喂料方式:连续 
喂料范围:0.2～100t/h（可选） 
调速范围:Vmin∶Vmax=1∶5 
5.2 移动给定器 
为了增加系统的可靠性,我们设计了移动给定器。当工控机万一发生故障时,通过切换开关,操作工可直接通过给定器给定各原料的配比及总产量。 
6 控制机构 
6.1 QCS—03工业控制机 
QCS系统可提供的控制机有两种:①PC总线的工业控制机;②STD总线工业控制机,两种工业控制机都具有高可靠性、高抗干扰性、易维护性。PC总线的工业控制机主机*处理器CPU为80286芯片,STD总线的工业控制机*处理器CPU为V40芯片。 
6.2 过程控制接口装置 
该接口装置具有模拟量输入（16路）,模拟量输出（16路或4路）,并行口输入32路,并行口输出32路。 
7 系统特点 
7.1 技术特点 
①软件上吸取了国外几家公司（日本IHI、丹麦FLS-QCX,西德POLAB及ABB-OS-CA-MLX、SINENS等）生料质量控制系统的优点;②结合多年的实践,摸索出适合我国具体国情的软件技术;③针对每个厂不同的工艺、具体的原材料状况采用具体的调节特性,充分达到针对性强,适用性强,效果好的目的;④硬件上（在系统的组态上）既考虑采用国内、可靠的装备,又能根据用户的特殊要求,灵活组态,达到相对的使用效果;⑤重视人材培训。强化培训,提高水泥厂人员素质。随着项目的进展,分三个阶段进行三次培训。 
7.2 技术参数 
条件:①石灰石原料CaCO3波动值≤3.5%,标准偏差S≤1.4%～2%; 
②其它原料氧化物波动值≤2% 
③入磨综合原料水分≤1.2%～1.6% 
④生料均化库均化系数≥6; 
⑤对于连续式均化库有效均化周期≥6～8h; 
⑥取连续积样且具有代表性。 
效果: 
①出磨生料化学成分合格率在原有基础上提高20%～30%或达到60%～80%; 
②出磨生料标准偏差≤0.6%～0.8%;均化系数≥2; 
③出磨生料率值合格率（KH:±0.2;n、P:±0.1）达到60%～80%或在原有基础上提高20%～30%; 
④出磨生料三个率值标准偏差达:SKH≤0.02%～0.04%,SnP≤0.1%～0.2%; 
⑤入窑生料三个率值合格率（范围同③）达到70%～85%或原有基础提高10%～15%; 
⑥入窑生料三个率值标准偏差:SKH≤0.015%～0.03%,SnP≤0.05%～0.15%; 
⑦磨机台时产量在原有基础上提高5%～20%以上。 
（注:以上使用效果不是全部达到,而是根据用户的重点要求及现场具体情况部分单项达到）。 
7.3 硬件特点 
①系统内的每一单机设备具备*、可靠、适用性; 
②保持整个系统设备准确度的一致性,不单纯追求某一单机设备的所谓“高准确度”; 
③既立足于国内的*、成熟技术,又要考虑具体厂的实际情况。 
7.4 软件特点及功能 
特点:汉字提示、图形直观、操作简便,适用性强 
功能: 
（1）配方计算（各种组分配方计算软件包）; 
（2）配料控制（各种配料算法控制软件包）; 
（3）负荷控制（各种负荷过程控制软件包）; 
（4）过程控制数据输入、输出滤波、处理; 
（5）人工紧急干预（修改目标值、配比、流量等非常规操作）; 
（6）键盘处理（汉字、菜单提示）; 
（7）声光报警（饱磨、断料、*等异常报警）; 
（8）自动累计（各原料用量、总产量、均化库生料量等）; 
（9）参数修改（仅供工艺技术人员使用）; 
（10）通讯接口量程自动校准; 
（11）各种画面、趋势图表; 
（12）各种表格打印。 
8 控制算法 
如果说QCS应用软件是QCS生料质量自动控制系统的关键技术,那么QCS应用软件中的控制算法软件包（又称调节规则）就是关键技术的核心部分。该软件包既吸取了国外的*技术,又根据大量的实践探索,总结出适合我国具体国情的适用技术。 
该软件包针对性强、适应性好,在配料及负荷调节算法上具有多变性、*性、对策性、模糊性、时变性等特点。上述算法*适应不同的工厂规模,各种生产工艺线,各种原料之间的配合,各种生料均化形式及用户的各种特殊要求。 
综上所述,在调节算法上,我们考虑了下述各种因素的影响: 
（1）过程工艺技术人员拟定不同的控制质量要求（注:不同的控制质量要求可以理解为下述要求）:①出磨或入窑生料化学成分合格率;②出磨或入窑化学成分波动标准偏差;③出磨或入窑生料三个率值合格率;④出磨或入窑生料三个率值波动标准偏差）; 
（2）磨机的动态特性; 
（3）系统的纯滞后的时间; 
（4）喂料秤容量实际限制; 
（5）原料的数目、化学组成及相对质量要求的积累偏差; 
（6）原材料的均化水平或入磨原料化学成分波动标准偏差; 
（7）生料均化库形式,均化水平,均化周期,调整周期; 
（8）取样方式（瞬时样、平均样、取样周期）。 
上述影响可以用参数的形式在调试过程中随时适当修改,以达*效果。 
9 推广体会 
通过多年来在全国几十条生产线对QCS系统的推广应用,我们逐步体会到:要使用户用好QCS生料质量自动控制系统,必须达到下述五个方面要求: 
（1）*的适用技术; 
（2）严格的现代管理; 
（3）过硬的可靠设备; 
（4）优良的人员素质; 
（5）完善的售后服务。 
*的适用技术意味着:确保系统的取样代表性、分析准确性、控制*性、计量准确性、通讯准确性、系统准确度的一致性。 
严格的现代管理意味着:现代化的技术装备必须要有现代化的严格管理相适应。QCS系统要求用户进行下述五个方面的严格管理:①质量意识管理;②使用状况（效果）分析管理;③操作规程管理;④控制室规章制度管理;⑤设备日常维护管理。 
过硬的可靠设备意味着:系统设备具有过硬的抗干扰、抗粉尘、抗振动、抗湿度、抗高温等能力。 
优良的人员素质意味着:必须重视、反复培训用户的管理、技术、操作、维修人员,使上述人员在其职责范围内达到熟练地使用QCS系统的要求。 
完善的售后服务意味着:及时帮助用户解决在使用后碰到的技术、设备等各方面问题,以使设备运行在*状态。