关于水泥厂机电设备集散控制系统(DCS)研究

李 铮

（河南省豫鹤同力水泥有限公司， 河南 鹤壁 458000）

0 前言

随着水泥厂发展压力的不断增加，自动化生产模式以其降低成本及能耗控制优势，在水泥生产行业中得到了良好普及。机电设备是水泥厂实现自动化生产的关键。由于水泥厂生产工艺相对复杂，且各机电设备间的关联性水平较高，为机电设备的管理带来一定困难，而引入集散控制系统则可有效改善上述状况。因此，分析水泥厂机电设备集散控制系统的设计具有一定的必要性。

1 水泥厂主要机电设备

水泥厂的常见机电设备种类主要包含：

（一）篦冷机设备

篦冷机设备主要由空气炮、供风系统、篦床等要素构成。在水泥厂生产中，篦冷机设备的作用主要为：利用其构成要素——冷却风机分别向各室进行鼓风，借助对流热交换原理促使各室熟料温度快速下降，进而满足后续生产要求。作为水泥煅烧生产系统的重要环节，篦冷机的运行状况直接影响熟料冷却处理质量。

（二）悬浮预热器分解炉设备

悬浮预热器分解炉是由旋风预热器、分解炉构成的一种整体性机电设备。其中，预热器的功能主要包含促进热交换、窑尾收尘等。不同水泥厂预热器的旋风筒数量各不相同。以目前水泥厂常见的旋风窑外预热分解工艺为例，该预热器是由 5个不同级别的旋风筒组成的。而分解炉设备的功能则为：传输煤粉，促使其与生料混合，发生分解反应。这一机电设备是水泥厂生产工艺的核心所在。

2 水泥厂机电设备集散控制系统分析

这里主要从以下几方面入手，对水泥厂机电设备集散控制系统进行分析和研究：

（一）系统结构方面

水泥厂机电设备集散控制系统结构是影响集散控制系统性能的关键所在。因此，在设计系统结构时，应充分考虑水泥厂机电设备集散性管理的基本需求。本研究将水泥厂机电设备的整体系统结构设置为由现场控制站、主控室等构成。系统结构的安装方式采用集中安装方式[1]。具体而言，每个现场控制站均由现场信号电缆、输入模块、输出模块及主控模块等构成，上述要素均被排列于相同的电气机柜内。而机柜数量的设置则需要结合水电厂整体规模及机电设备数量等信息完成。

（二）控制范围及分站处理方面

在引入集散控制系统之前，应对DCS系统的控制范围进行预先划定[2]。参照水泥厂机电设备的管控要求，可将其控制范围设定为：负责窑尾预热器、煤磨等生产工艺的监测；水泥厂原料堆场及水泥成品等车间各类用电设备的参数监测（包含顺序控制参数、顺序逻辑控制参数等）。

集散控制系统的分站是保障DCS系统管控功能发挥的基本因素[3]。参照水电厂机电设备的复杂性监管要求，本研究将其分站处理模式设置为：第一，原料控制分站。该分站的作用包含监控水泥厂相关水泥生产原料的传输、破碎化处理及分配等工序，并负责监控上述工序中涉及的相关工艺参数是否合理。第二，粉磨控制分站。DCS系统中，这一分站的功能主要包含水泥生产原料配比、生产废弃物处理等工序中所涉及各类参数、机电设备的全程监控。第三，窑头窑尾控制分站。在水泥厂生产过程中，原料烧成环节涉及的机电设备较多，主要包含预热器、篦冷机、分解设备等。该分站则负责完成上述相关设备及参数的监控、报警及纠正。第四，水泥粉磨控制分站。该分站的性能直接影响水泥厂所生产水泥产品的质量，其功能为：监控水泥配料、成品输送等生产工序所涉及的设备及各类参数。与传统管理方法相比，这种集散式分站处理方法的应用可有效满足水泥厂的高效、安全生产要求。

（三）煤磨设备控制方面

煤磨是水泥厂的主要设备之一。为了确保整个水泥厂的安全运行，在设计水泥厂几点设备DCS系统时，应充分结合以往生产经验，合理确定媒磨设备的整体控制需求。本研究将基于DCS系统的媒磨设备控制模式设计如下：

第一，原煤仓料位控制。于DCS系统中增设原煤仓料位控制模块，利用这一控制机制保证系统运行状态下，原煤仓料位可为实际生产提供稳定的原煤流量参数支持。第二，煤磨控制。在这项控制工作中，集散控制系统的作用主要体现在入口负压、给煤及出口压力 3方面。其中，监控煤磨设备的入口负压参数的意义在于：其入口负压能与反应风暴类似，可通过对该参数的测定实现对煤磨设备出口温度参数的评估。本研究将水泥厂机电设备集散控制系统的煤磨入口负压控制机制设定为：将煤磨设备的入口负压作为外环，并将出口温度作为内环，以被调参数作为煤磨设备入口冷热风门开度。此时，制粉系统的通风量、煤磨设备的出口温度（煤粉湿度）等均可得到良好控制。而DCS系统的给煤调控则采用定值调节机制，水泥厂分解炉、窑头的给煤生产均采用这种调节方法。二者的区别在于：前者的给煤生产任务执行主要通过出口温度这一要素完成。此外，水泥厂生产中，煤磨袋收尘出口压力调节的关键性体现为：通过对该参数的合理调节，使得煤磨袋收尘的进口、出口均维持相对恒定的压差参数。此时，煤磨袋的收尘效率、风量可得到良好保障，即保障煤磨袋运行的安全水平，有效避免水泥厂煤磨爆炸事故的发生。

（四）窑尾预热器设备控制方面

为了充分发挥DCS系统的控制优势，满足水泥厂机电设备的安全监管及生产要求，可将其窑尾预热器设备的控制模式设置如下：

第一，以自动控制回路满足窑尾的生料定量喂料需求。这一管控机制的原理为：根据水泥厂喂料预热器中的氧气含量、生料量配合比要求，建立自动控制回路，以便利用该工具动态控制二者间的关系，使得二者的比例基本维持于动态平衡水平。在实际生产中，当窑尾生料量增加时，DCS系统可通过自动控制回路，自动调节预热器中的氧气量，以此确保整个生产工作的顺利完成。第二，生料仓位报警机制。为了保障水泥厂机电设备的运行安全，同时提高其生产效率，可将DCS系统的生料仓位报警机制设置为：精确计算来源于水泥厂均化库的生料在提升输送过程中及被运送至下料仓时的真实生料体积参数。利用上述 2种参数合理确定生料仓位的相关报警下限及上限，最后将这两个限值作为生料仓位报警机制的阈值，以实现对生料料位的安全控制。第三，空气量监控。空气量对水泥厂回转窑运行安全的影响主要是通过料风比这一媒介实现的。为了保障水泥厂回转窑的安全运行，于DCS系统中设置空气量自动监控机制：结合以往生产要求，预设空气量阈值，以此作为回转窑内助燃空气是否短缺的参照依据。DCS系统在监控生料量参数合理的前提下，精准评估助燃空气是否短缺。如发现空气量接近或已达到最低阈值，可及时进行调节，以防电收尘内废气（窑尾）爆炸事故的发生。

3 结论

综上所述，集散控制系统的引入可为水泥厂日常生产及机电设备管控提供良好的保障。为了实现上述目的，水泥厂应结合自身机电设备种类、预期管理要求，合理实现机电设备与集散控制系统的整合，利用完善的集散管理系统提高机电设备运行安全水平，并为水泥生产行业的发展提供可靠的技术支持。