我国水泥生产自动化技术与装备的应用现状
随着水泥工艺的技术进步,自动化的重要性日益凸出,而自动化技术与装备的不断发展,为水泥生产新工艺的推广应用和完善创造了条件。因此,自动化与工艺技术是相辅相成的,它为提高产品的产质量、设备运转率和劳动生产率,降低能耗、劳动强度,实现科学管理等提供保障,使企业综合技术经济指标达到最佳。
一、 我国水泥工业自动化现状
中国改革开放二十年来水泥工业得到了迅速发展,水泥自动化技术水平、装备水平有了很大的提高,改变了中国水泥工业的面貌。近年来,在新建或改建的新型干法窑水泥生产线中,自动化新技术、新装备得到了广泛应用,对保证产品的质量,降低消耗,提高劳动生产率起到了重要作用。
目前,我国水泥工业自动化水平可分为以下几种情况:
1、八十年代初我国全套引进的水泥生产线,如冀东、宁国、柳州等水泥厂。控制方式为:马达采用PLC控制,生产过程采用小型机配合大型仪表控制盘,实现集中监控,对工艺参数进行巡回检测、制表,用CRT显示工艺流程和参数值,生料配料采用X荧光分析仪和计算机进行控制。大大提高了劳动生产率和设备运转率,使我国水泥工业自动化水平上了一个新台阶,对促进我国水泥自动化技术进步起到了积极作用。
2、九十年代全套引进的水泥厂大都采用DCS集散控制系统,集马达控制与过程控制于一体,中控室集中操作,自动化程度高。自动化新技术、新装备的大量应用,大大提高了全员劳动生产率,使企业的人力资源得到充分的利用。如大宇水泥(山东)有限公司日产7500吨熟料生产线,全厂500名职工(包括日照粉磨厂),全员劳动生产率超过5000吨/人.年:烟台三菱水泥有限公司日产3000吨熟料生产线,全厂340名职工,全员劳动生产率达3030吨/人年:江南一小野田水泥有限公司日产4000吨熟料生产线,全广380名职工(不包括矿山),全员劳动生产率达3360吨/人.年。它们代表了九十年代的国际水平,对我国水泥工业自动化的发展将起到非常重要的推动作用。
3、八十年代建成的新型干法窑水泥生产线多采用PLC控制动力设备的顺序启停,过程检测控制则采用常规仪表,如江西、鲁南等水泥厂。九十年代我国自行设计的日产1000吨以上新型干法水泥生产线,普遍采用先进的集散控制系统(DCS),用DCS取代传统模拟仪表和继电器联锁,把常规的模拟调节、数字控制、计算机处理程序结合在一起,废除
了传统的仪表盘、模拟盘和操作台,采用大屏幕彩色CRT,集中管理和分散控制,使传统的控制、管理方式发生了质的变化。通过十多年的努力,应用于日产1000吨以上新型干法窑水泥生产线的自动化动化技术和装备也有了相当的发展和进步,不少技术领域我们与国外先的差距正在缩小,为我国水泥工业自动化水平的提高积累了经验。
4、在大型水泥厂的带动下,一批中小规模水泥厂的自动化装备和水平得到了提高。在新建的日产300一1000吨回转窑生产线中,DCS或PLC控制系统己普遍应用,对生产线的工艺参数和设备运行状态实行全方位监控。但由于受经济条件或建设时期自动化水平的制约，仍有一批中小水泥企业采用常规模拟仪表与继电器联锁的控制,生产线按车间设立控模拟盘及操作台控制本车间范围内的生产,自动化水平较低。
二、计算机控制系统的应用
早期我国的水泥生产控制非常简单,动力设备的启停与联锁控制用继电器实现，生产过程控制则是非常简单的几块仪表。1986年我国引进的顺昌水泥厂日产2000吨新型干法窑水泥生产线，选用了美国Honeywell公司生产的TDC一2000型DCS装置，这是我国最早选用DCS系统对水泥生产过程实施成功控制的生产线。到1989年,我国自行设计的洛阳水泥厂、哈尔滨水泥厂率先采用了瑞典ABB公司生产的Master系统和美国BAILEY公司的N-90系统，对生产线实施控制。
1、传统的的DCS集散控制系统
与传统的模拟式仪表控制系统和集中式控制系统相比较,DCS在控制思想、系统组态、软件编制、网络通讯等各个方面吸纳汇集了计算机应用技术开发的最新成果,使生产过程控制的系统性、可靠性、先进性、实用性与综合经济效益达到了较完美的统一，提高到一个新的水平。DCS以其集中操作管理、分散检测控制的结构特点和功能完善、使用方便等优点,近10年来在我国水泥行业,尤其是大中型水泥生产线上获得了广泛应用，效果良好，应用统计见表1。
我国目前大中型水泥厂的集散控制系统硬件设备基本上是选用国际上先进的硬件设备,国内工程技术人员结合水泥生产线,合理地进行硬件选型和系统配置,根据系统提供的应用软件的组态方法,结合水泥生产线工艺、机械和控制要求进行应用软件开发工作，形成较好的人机界面，实现对整个生产线的顺序控制和过程控制。
表l我国水泥工业DCS系统的应用统计
|序号 |厂名 |规模(t/d) |DCS型号 |DCS供应商|投运时间|
|1 |顺昌水泥厂 |2000 |TDC-2000 |Honeywell |1988年 |
|2 |洛阳水泥厂 |1000 |Master |ABB |1991年 |
|3 |哈尔滨水泥厂 |1000 |N-90 |Bai1ey |1991年 |
|4 |云浮水泥厂 |2000 |Modumat800 |Bailey |1992年 |
|5 |琉璃河水泥厂 |2000 |N-90 |Bailey |1993年 |
|6 |上海水泥厂 |2000 |Master |ABB |1993年 |
|7 |铁道部巢湖水泥厂 |1500 |MAX-1 |L&N |1993年 |
|8 |邯郸水泥厂 |2000 |N-90 |Bailey |1994年 |
|9 |浩良河水泥厂 |2000 |I/A`S |Foxboro |1994年 |
|10 |江南一小野回水泥有限公司 |4000 |Centum-Cs |Yokogawa |1995年 |
|11 |大连华能一小野田水泥公司 |4000 |Centum-XL |Yokogawa |1995年 |
|12 |烟台三菱水泥有限公司 |3000 |MICREX-F |富士电机 |1995年 |
|13 |江西水泥厂 |2000 |TDC-3000 |Honeywell |1995年 |
|l4 |北京水泥厂 |2000 |Master |ABB |1995年 |
|l5 |启新水泥厂 |2000 |INFI-90 |Bailey |1995年 |
|16 |葛洲坝水泥厂 |2000 |Master |ABB |1995年 |
|17 |牡丹江水泥厂 |2000 |INFI-90 |Bailey |1995年 |
|18 |华新水泥厂4号窑 |2000 |Master |ABB |1995年 |
|19 |山西水泥厂 |2000 |MAX-1 |L&N |1995年 |
|20 |宁国水泥厂二线 |2000 |TDC-3000 |Honeywell |1996年 |
|21 |中国水泥厂 |2000 |Master |ABB |1996年 |
|22 |内蒙古蒙西水泥有限公司 |组业 |INFI-90 |Bailey |1996年 |
|23 |冀东水泥厂二线 |4000 |Master |ABB 11997年 |
|24 |秦皇岛浅野水泥有限公司 |4000 |IDS |富士电机 |1997年 |
|25 |国投海南水泥有限公司 |2000 |Advant500 |ABB |1997年 |
|26 |福建龙岩三德水泥厂 |2000 |Advant500 |ABB |1997年 |
|27 |南京市青龙山水泥厂 |1000 |TDC-3000 |Honeywell |1997年 |
|28 |山东鲁碧建材有限公司 |1000 |TDC-3000 |Honeywell |1997年 |
|29 |滇西水泥厂 |1000 |u XL |Yokogawa |l997年 |
|30 |南平水泥厂 |700 |TDC-3000 |Honeywell |1997年 |
|31 |鹤壁水泥厂 |2000 |TPS |Honeywell |1998年 |
|32 |振兴水泥厂 |2000 |Centum-CS |Yokogawa |l998年 |
|33 |白马山水泥厂 |2000 |Master |ABB |1998年 |
|34 |重庆水泥厂 |2000 |INFI-90 |Bailey |1998年 |
|35 |南宁正大建材有限公司 |1000 |INFI-90 |Bailey |1998年 |
|36 |青海水泥厂 |1000 |TDC-3000 |Honeywell |1998年 |
|37 |珠江水泥厂 |4000 |PlantscapeTM |Honeywell |1999年 |
|38 |双阳水泥厂二线 |2000 |PlantScapeTM |Honeywell |1999年 |
|39 |宁国水泥厂一线 |4000 |TPS |Honeywell |1999年 |
2、PLC集成的控制系统
传统的DCS系统功能比较完善,软硬件资源很丰富,使用方便,但相对水泥生产线控制的应用而言,有许多用不上,因此,资源浪费比较严重。另外,传统DCS不是一个开放的系统,技术更新较慢,投资过大。水泥生产过程属于典型的连续生产过程,具有大量的顺控、联锁等控制要求,开关量约占总点数的80%,而PLC的开关量控制功能很强,更适合于水泥生产线的控制。但早期的PLC功能较弱,一般仅用于动力设备的启停与联锁联动控制,生产过程控制仍然采用仪表系统。如鲁南水泥厂日产2000吨新型干法窑水泥生产线用M0DICON884/984PLC实现动力设备的启停与联锁联动,用以DDZ一III仪表组成的三通道仪表盘实现生产过程的集中控制。随着PLC技术水平的提高,其计算能力、响应速度、联网能力、灵活性及可维护性等方面已经达到甚至超过了传统DCS,具有较高性能价格比的PLC集成控制系统推动了中小规模水泥厂计算机控制系统的应用。近年来,由PLC与IPC集成的控制系统应运而生,成为近期控制系统的主角,得到了广泛的应用,见表2。
表2我国水泥工业PLC集成控制系统的应用
|序号 |厂名 |规模(t/d) |系统型号 |供应商 |投运时间 |
|l |淮海水泥厂 |3500 |S5-135U |Siemens |1991年 |
|2 |耀县水泥厂 |2000 |PLC984 |Modicon |1992年 |
|3 |新疆水泥厂 |2000 |PLC984 |Modicon |1992年 |
|4 |双阳水泥厂一线 |2000 |PLC984 |Modicon |1993年 |
|5 |渠江水泥厂(湿磨干烧) |1000 |PLC-5/60 |AB |1996年 |
|6 |铜陵水泥厂 |4000 |PLC-5 |AB |1996年 |
|7 |大宇水泥(山东)有限公司 |7500 |GENVAX |HP |1997年 |
|8 |天津水泥厂 |1000 |PLC984 |Modicon |1997年 |
|9 |盐井水泥厂(湿法) |800 |PCS |Siemens |1997年 |
|10 |华新水泥厂5号窑 |4000 |CEMAT |Siemens |1999年 |
3、现场总线的应用
近几年,现场总线的发展趋势十分强劲,它的介入将改变现有控制系统的结构与模式,目前国内已经开始局部应用。大宇、鹤壁、冀东、青海等水泥广已开始使用HART协议
的智能压力变送器,如1151、1750、STD一9000、C0N四AS P等,通过手操器,可远程
对量程、阻尼、迁移等进行调整。山东鲁碧建材有限公司日产1000吨新型干法窑水泥生产线中,采用Profibus现场总线连接生料磨轴承油站控制系统、减速机和主电机油站控制系统、窑尾高温风机控制系统、回转窑胴体温度监测系统、生料配料控制系统及二个操作站,使用效果较好。随着现场总线技术不断发展,现场总线控制系统进一步的推出,在我国水泥行业也将会有越来越多的项目采用现场总线控制系统。
4、生产与经营管理信息系统
近几年,管理信息系统(MIS)在水泥厂也开始得到重视。把生产过程参数、质量、调
度、备品备件、销售、财务、人事档案乃至管理决策纳入MIS网络,使工厂的生产控制
和经营活动有机地结合在一起,实现现代化的科学管理,从而提高企业的经济效益和社会效益。如大字水泥(山东)有限公司建立了计算机生产管理系统,为防止数据失真,该系统自成体系,通过网络与生产操作控制系统联网,每隔一个小时,以日志的形式将原料、燃煤、燃油、生产熟料等生产数据输入生产管理系统。华新水泥厂建立的MIS系统涉及企业管理、预测、决策等诸方面的管理工作,包括供应、库存、销售、生产、财务、成本会计、人事管理和经营决策等18个子系统。耀县水泥厂五号窑分厂日产2000吨新型干法窑水泥生产线的MIS系统,覆盖分厂各生产管理部门,如生料科、技术科、自动化室、材料库、设备库、厂长办公室等。目前,我国只有极少数企业进行MIS的开发和应用,随着我国经济由计划经济向市场经济转变,企业将面临更加严峻的竞争,开发具有现代管理思想,适合企业规范和国家有关法规,高度集成,灵活适用的MIS系统己成为现代企业的必然选择
三、生料（水泥）质量控制系统
水泥厂入窑生料成份及率值的均匀稳定，对稳定窑系统的热工制度和提高熟料质量至关重要。目前,国内外的新型干法窑水泥生产线,无论是否设置原料预均化堆场,几乎无一例外的采用不同类型的生料质量控制系统,我国目前应用的生料配料控制方式分为Ca0、Fe2O3合格率控制和率值控制二大类。
出磨生料Ca0、Fe2O3合格率控制采用钙铁分析仪,尽管控制效果受到一定的限制,
但投资低,在立窑企业得到广泛的推广应用,对提高小水泥质量作出了重要贡献。
新型干法窑水泥生产线生料质量控制系统大都采用率值控制。日产2000吨熟料及以上规模生产线的生料质量控制系统以进口为主,如F.L.Smidth公司的QCX系统和ABB公司的0sca一MIX系统。长延时反馈控制对原料成份波动缺乏足够的制约力,在线连
续X荧光分析仪已进入市场。华新水泥厂采用了一台在线连续X荧光分析仪,现己进入安装试运行阶段。
水泥配料控制目前主要停留在S03的控制上,我国执行ISO质量标准后,水泥质量控制的要求将有所提高,尤其对水泥细度在线检测要求更加迫切。
四、生产过程检测与执行机构
对于水泥工业自动化系统运行可靠的主要基础是一次检测元件、变送装置和执行机构。目前,水泥生产过程检测点的设置己经比较成熟、完整,对应水泥生产过程特定要求的专用检测从无到有,处于不断的开发、完善过程中。使用较广泛的如窑头看火工业电视、窑头比色高温计、回转窑月同体温度监测、磨音检测、新型干法窑窑尾气体成份分析等。其中,有些专用检测装置使用方便、性能稳定,已获得广大水泥生产企业的认可,成为指导生产的重要参数。
五、计量检测技术
在水泥工艺流程中,自动定量给料装置、计量设备已是重要的生产设备之一，是实现水泥生产过程自动化,保证产品产量、质量,降低能耗,进行全面质量管理和经济分析的重要手段。
调速式定量给料机以其运行稳定、使用安全方便、动态精度在±l%以内且较少受物料状态干扰等优点,在水泥工业计量秤市场中占有绝对优势,形成了以调速式定量给料机为主,核子秤、仓式秤、恒速秤等为辅的应用格局。在新型干法窑水泥生产线上,调速式定量给料机占了90%以上的市场。
入窑生料喂料和喂煤系统则以称重仓、流量控制器、流量计及锁风装置组成的定量给料系统应用最广。但正压、反串风是影响计量精度和稳定给料的重要问题,煤粉特有的流态特性使定量给料系统稳定运行更加困难。有的企业喂煤系统由称重仓、调速式螺旋输送机和绞刀秤组成,其控制精度更低且稳定性较差。目前,利用coriolis原理测量固体散料、粉体的装置,即科氏质量流量计是一个测量准确度较高的测量装置,受到了普遍重视,在水泥生产线的入窑生料和入窑煤粉的流量测量和控制等领域获得了成功应用。国内己经应用的有菲斯特的转子秤；粉研的环状天平给料机；申克的MULTIC0R流量计和合肥金山科技实业公司的SPF粉体定量喂料控制系统等。
六、变频调速技术应用
变频调速技术在我国水泥工业的机立窑和回转窑生产线上均有采用,应用日趋广泛。变频调速具有操作方便、故障率低、维护简单、节能显著、回收期较短等优点,在水泥工艺要求调速的许多环节,如回转窑、单筒冷却机、输送设备、风机、水泵、空压机等,以交流变频调速取代调压调速、滑差调速以及直流调速己成为一种必然的趋势。在国内变频器市场上,国外产品从品牌及市场分额方面都占有绝对主导地位,主要品牌有:ABB、富士、西门子、三菱、山肯、东芝等知名品牌。从目前使用情况看,大功率变频控制器应用较少,新型干法窑水泥生产线中的窑尾高温风机、生料磨系统风机等仍未采用变频控制器,应用技术和经验尚需提高。
七、存在的问题及今后发展方向
五十年来,通过全国从事水泥工业自动化工作者的共同努力,通过对国外电气自动化技术的研究、引进、消化、吸收、应用及进一步开发后,在应用技术上获得了很大的发展,在系统应用方面己经达到国际90年代的水平,在自动化技术与装备方面有些已接近或达到国外同类产品水平。但在以下方面还需要进一步的努力。
1、以模糊逻辑和专家系统为基础的窑(磨)优化控制系统在我国尚处于探索阶段,有待
进一步努力。国外的优化控制系统,如F.14.SEnidth公司FUZZY II系统、ABB公司的
LINKMAN系统等发展较快,这些系统的核心是建立在最优秀操作员经验上的系统,是目
前国际水泥自动化影响较大的窑专家控制系统,应用日益广泛。
2、二十一世纪是信息时代,信息的核心是信息网络。在我国大中型水泥企业中,生产控制采用DCS的企业较多,发展速度也较快,但只有少数企业正在探索MIS开发与应用。这方面的技术我国应加大力度。
3、现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通讯系统,因而对传统的控制系统带来一次革命,是当今自动化的热点。现场总线仪表是今后发展的趋势,随着控制系统的不断更新,现场总线仪表将开始推广和应用。因此,要密切追踪国际上现场总线的标准,对专用仪表的开发、研制提出具体通讯要求,以达到与计算机网络通讯方便,并具有可互换换性。
4、部分重要工艺参数的在线检测控制尚未解决。例如:用来测量生料成份,以校正原料的X荧光分析仪；用来测量烧成带温度的比色高温计；用来调整窑的般烧,以避免过烧的熟料游离钙测定仪；新型干法窑窑尾和分解炉出口处气体成份分析系统的取样和预处理装置；用来精确确定石灰石和石膏掺量的CO2、S03分析仪；用来调整粉磨操作,避免过粉磨的细度测量仪。
综观我国水泥工业自动化的现状,大中型水泥厂的自动化水平普遍较高,但小型水泥厂自动化水平低,远落后于大中型水泥厂的自动化水平。从全员劳动生产率来看,全国水泥企业平均只有不足290吨/人.年,远低于国外先进水平。其中虽有历史原因,与我国的就业政策也有一定的关系,但也说明我国水泥工业自动化总体水平较低,另一方面说明我国水泥企业市场化的程度不高,管理未能相应跟上。因此,我国水泥企业需要提高自动化水平,但目前更需要走进市场,寻求管理模式的突破,使企业的人力资源得到充分的利用,让自动化技术为提高劳动生产率发挥应有的作用。
