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前馈控制系统在粉状物料计量中的应用

发布时间:2018-05-30 来源:丰博

水泥生产工艺中的两磨一烧,其实质就是将颗粒状物料粉磨成粉料,粉料烧成颗粒,颗粒再磨成粉料的过程,因此如何保证粉料在生产过程中计量准确性,对产品的产量、质量甚至生产成本起着至关重要的作用。下面就我公司成功采用前馈控制系统稳定粉体下料作简要介绍:

 

一、控制理论
 
 

根据控制理论,常见的控制方式有三种控制模型,在行动开始之前,称为前馈控制或预先控制;进行之中,称为同期控制或过程控制;结束之后进行,称为反馈控制或事后控制工业生产中一般采用负反馈控制系统,把被控变量测量出来,并与给定值相比较,通过PID或者其他算法来实现反馈值与设定值的不断跟踪;优点是控制精度较高,缺点是具有一定的滞后性,有波动。

 

在前馈控制系统中,不测量被控变量,也不与被控变量的给定值进行比较,而是测量干扰变量,进行控制输出。优点是控制及时、有效,无滞后,缺点是干扰对象千变万化,无法做到完全补偿,这是前馈与反馈的主要区别。

 

 

 

二、问题与控制方法
 
 

我公司成品车间有三种粉状物料,粉煤灰、高标号水泥、矿渣粉。在生产过程中,均不同程度存在缺料、断料等现象。虽然经过改造,有所好转,但缺料和断料仍然时有发生。随着市场环境的日趋变化和销售价格的激烈竞争以及精细化管理的要求,对产品质量和成本的管控越来越严格,在现场设备已经改造的前提下,我们从软件方面对整个控制系统进行了优化。

现有的各种计量设备大部分都属于负反馈控制。但负反馈控制有着天生的缺陷就是控制滞后,能否将前馈控制的及时性与负反馈控制的高精度结合起来,达到精确计量粉料的目的,以此作为此次优化的核心,经过不断试验和长时间的实际运行,我公司取得了良好的效果。

 

 

想达到粉料的精确控制,必须首先满足其稳定下料的要求。如同基础与高楼的关系,没有坚实的基础,再漂亮的高楼也会垮,没有稳定的下料,再精确的计量也不能保证产品质量。所以我们设想将计量交给带负反馈控制系统的计量设备,利用前馈控制系统达到稳定下料的目的。

我公司低标号水泥由高标号水泥与矿渣粉混配而成。经过改造,生产工艺为:大库>手动闸阀>缓冲仓>铰刀>转子称。秤控制仪表根据设定值和反馈值来控制转子和铰刀速度。大库库底风机和缓冲仓风机都由操作员手动控制,后二者都增加了DCS自动控制程序。库底罗茨风机由缓冲仓料位开关控制,保证其稳定在2/3的仓位。秤在运行过程中,出现反馈低于给定值85%(操作员可调整),自动启动缓冲仓风机,为防止冲料,反馈值一旦接近给定值95%(操作员可调整),立即停风机。这样的控制程序虽然降低了操作员劳动强度,但存在较大滞后。经过统计,从缺料或者断料到正常,平均要延时8秒,对产量、质量和成本影响较大。对此,改进方案设计如下:

设计思路:增加一台PLC作为控制系统的核心,将缓冲仓罗茨风机改为变频控制,根据前馈控制的原理,自主编程对其进行控制。

原理如下:将不稳定的下料作为干扰信号。如何检测它呢?其比较直观的表现就是反馈值的波动,但反馈值是一个称重仪表将荷重、速度进行积分运算、误差通过PID运算并控制之后的值,当其反应缺料或者断料时,就已经是真正意义上的缺料或断料了,不具备实时性。

在现有的信号中,只有负荷率能最直接、最快速的反应来料波动,但一般控制仪表没有此信号输出,只能退而求其次。秤电机转速信号虽然是经过计算后的控制信号,但其实时性强,且与负荷率是具有对应关系的。当负荷率升高时,转速很快会下降,当负荷率降低时,转速会很快上升,也就是说转速信号的波动就是负荷率波动的间接表象。从转速的角度来看,上升虽然表示有开始缺料的趋势,但此时的反馈流量正常;而所有的计量设备监控的都是流量反馈信号,等到其有所反应时已经真正缺料,所以从整个控制系统来看,在流量反馈还没有出现偏差时已经提前开始对速度进行控制,是不同于常规的流量控制,属于典型的前馈控制.

虽然粉料从缓冲仓到称体需要一定的时间,但下料从正常到缺料一般都是逐渐减少的(除非卡大块)。系统实时监测秤电机的转速信号。当转速开始增加时,表明来料量已经在减少(但此时反馈值正常),也就意味着缺料趋势已经形成,前馈系统在原有风机转速的基础上增加,秤电机转速越高,风机转速增加量越大,反之,则减少。为了满足稳定运行和精确计量,我们设定称电机正常转速区间为25-30Hz(以交流电机为例),如果超过30HZ,则认为有缺料趋势,超过越多,认为缺料越多,(但实际上反馈值正常),需要加强冲气。反之,低于25HZ,(但实际上反馈值也正常),则认为来料变多,需要减少冲气。

由于粉料的流动性与风机的冲气量为非线性,经过试验,采用转速作为控制目标,传统的PID控制无法达到要求。同时,为了降低冲料现象,我们借鉴模糊控制的原理,在程序中设置NB(负方向大偏差)、NM(负方向中偏差)、NS(负方向小偏差)、ZO(近于0的偏差)、PS(正方向小偏差)、PM(正方向中偏差)、PB(正方向大偏差)共7个区域,每个区域设定各自控制规则,监控的转速在哪个区域,则按照设定的控制规则对风机进行频率调节。

 

三、效果
 
 

在实际生产中, 我们通过不断试验,并征求操作员、质检员的的感受,对每个区域的控制规律进行不断调整,达到了比较满意的效果,下料稳定,保证了水泥质量的稳定。

以低标号水泥为例,质检部为保证水泥质量下限会增加高标号水泥掺量1%-2%,我公司年产低标号水泥100万吨,综合高标号水泥和矿粉的成本,每吨约增加2.1元的成本,因此每年可为公司节约成本约210万元。基于此原理,在生料入窑计量和煤粉计量等系统也进行了类似改造均获得成功。

 

四、结语
 
 

随着工业技术的发展,影响计量精度的原因不只有计量设备本身,稳定下料成为精确计量的首要因素。现代计量控制系统是一个集存储、控制、计量于一体的的有机整体,需要依靠硬件的改善和控制软件的优化来不断提高控制性能,同时跟整个生产工艺也紧密相连,只有站在整个系统的角度,采取多种控制方式,软、硬结合,不断创新,才能把握好计量控制的发展方向,满足现代水泥自动化生产的需要,达到既能保证产品质量又能降本增效的目的。

 

文章来源:《丰博精准计量杯》有奖征文活动投稿

作者:湖北省咸宁市嘉鱼县葛洲坝嘉鱼水泥有限公司生产部

刘毅、罗少华、刘生超、姚立红

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