自动化实验室下水泥质量控制系统

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摘要：水泥厂的质量控制离不开取样化验与配料控制，如何实现取样、化验过程的自动化，实现智能配料控制，是水泥质量控制工作的重点。目前水泥厂逐渐取代了传统的人工取样、定时化验及传统配料的方式，逐渐向自动取样、送样和智能配料等集成控制的工艺流程发展。本文中设计了基于自动化实验室的水泥质量控制系统，实现了自动取样、送样及化验的过程，通过水泥质量控制系统对配料过程进行优化控制，整个过程自动化、智能化，提升了水泥厂的质量管理水平，为打造智能水泥工厂提供了科学、有力的保障。

关键词：水泥；配料；自动化实验室；质量控制

0引言

智能制造已成为全球工业发展的趋势，智能制造装备产业受到了国家高度重视。在水泥行业中，智能质量控制建设是国内外各大水泥厂发展建设的趋势，其中生产过程自动化是非常重要的部分。水泥厂的质量控制离不开配料控制与取样化验，如何实现取样、化验过程的自动化，实现智能配料控制，是水泥质量控制工作的重点。目前水泥厂逐渐取代了传统的人工取样、定时化验及传统配料的方式，逐渐向自动取样、送样和智能配料的方向发展，传统制造逐渐向智能制造转型，为打造智能水泥工厂提供了科学、有力的保障。

1传统生产方式

水泥的生产工艺流程主要为“两磨一烧”，即把水泥配料过程中的各种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转窑烧至熔融状态的熟料，再将石膏加入熟料中磨成最终的成品水泥[1]。这个工艺流程的工序之间连续性很强，各环节之间环环相扣，无论哪个环节都会影响最终成品的质量，并且生产情况也是瞬息万变，生产所需的原材料含量可能存在误差，所以在生产出现波动时，如果不及时调整可能造成无法挽回的影响。在我国水泥生产企业中，多数采用传统的生产控制方式，工艺流程是人工到生产现场定时取样，再送至厂区化验室，化验后将结果反馈至生产管理者，如果化验结果与生产指标不区匹配，需要对生产设定指标及原料配比进行调整。原则上是取样化验周期尽量小，但现实生产中化验室工作任务较重，时常无法按时完成化验任务，所以不得不减少化验频次。对于取样过程存在很多误差，物料自身质量的差异分布是随机的，为保证所取样品有足够的代表性，必须遵循多点、随机、等量的取样原则进行取样，实际生产工作中很难按检验要求标准实施[2]。所以选择合理的、实时性强的自动化质量控制方法非常重要，尽量减少人工参与，实现自动取样、送样及化验势在必行。

2发展过程

上世纪50年代开始，在一些发达国家中，水泥在线质量检测技术已逐渐开始应用。目前国外一些领先的企业除了应用较先进的生产设备，另外在自动控制方面也应用了先进的方法，自动化程度较高。我国一些研究机构和自动化公司将水泥质量控制作为一个课题进行了研究，目标是实现水泥生产过程的自动取样、输送与化验，尽量减少人工参与，实现工艺流程的自动化与智能化，加快生产过程中的检测与反馈，在生产出现波动时能够快速作出调整。对于生产配料环节，大多数水泥厂已引进DCS控制系统，对生产进行集中控制，在一定程度上提高了生产效率，提升了水泥配料的自动化水平，但是大多数操作员仍依据人工经验调整生产，并且DCS控制系统配料的依据是化验室反馈的化验数据，低效率的化验环节仍是自动化配料的瓶颈。

3水泥质量控制系统的总体控制方案

影响水泥成品质量波动的因素很多，原材料成分的波动是最主要的因素。按常理来说，原料成分都是有一定标准的，应该非常稳定，但实际情况是原料成分长周期稳定，短周期内仍会出现波动。在进场时，水泥厂会对其进行采样检测，但采样有随机性、片面性，采样结果完全不能代表整个料堆，因此会出现混料后成分波动的情况。所以要提高水泥质量，加强取样、化验及配料管理很重要，对生产进行全面智能管控。（1）对入场、入堆的原料进行精准化管理，掌控仓内原料成分，建立堆场质量数据库。可采用中子活化多元素分析仪对入场的石灰石、煤质等进行成分检测，快速给出分析结果[3]，确保了原料成分的稳定性，也监督了质量监控等工作。（2）对出磨生料、入窑生料、出窑熟料、出磨水泥等生产环节进行自动取样，经过自动化实验室的自动取样、送样等一系列步骤，通过炮弹输送系统自动将样品输送到中央实验室进行检测。其中，“炮弹”为取样、送样过程中的存放样品装置。（3）中央实验室接收到样品后，对样品进行制样和化验，可采用高精度的仪器仪表进行化验分析。（4）根据样品检测结果，自动将结果反馈到水泥质量控制系统，重新计算质量指标及优化配比，实现自动配料调整。水泥质量控制系统的总体控制方案流程见图1。

4自动化实验室的工作流程

自动化实验室包括生料、熟料和水泥的自动取样及发送站，中央实验室等，含破碎和缩分系统。首先，采用自动取样器取样，装入样品罐；其次，通过气力输送管道将样品罐自动输送到中央实验室；再次，在中央实验室中，实现自动制样、分析；最后，生成化验数据后上传至水泥质量控制系统中，为生产监控、调整配方提供了数据基础，其工作流程见图2。

4.1生料自动取样及发送站

发送站具备接收和发送炮弹的功能，同时对来自取样器的样品物料进行均化处理。根据设定的取样时间间隔，定时为炮弹装填定量的样品物料，然后密封，再经炮弹管道系统发送至化验室的自动接收装置。

4.2水泥自动取样及发送站

水泥自动取样器在取到具有代表性的物料后，经过发送站内自动搅拌缩分装置装入“炮弹”中，经由压缩空气管路输送至中央实验室，再由中央实验室完成对样品的自动制样和检测等工作。

4.3熟料自动取样器及发送站

熟料自动取样器将取到的具有代表性的物料，通过振动给料机输送至发送站上方的破碎机进行破碎，破碎后的熟料经过发送站内自动搅拌缩分装置装入“炮弹”中，经由压缩空气管路输送至中央实验室，再由中央实验室完成对样品的自动制样和自动检测等工作。

4.4中央实验室

为实现全自动样品处理检测，保证检测结果的稳定可靠，除配套的自动取样输送系统，另配置智能化的中央实验室，用于生料、熟料、水泥样品的制备、分析检测。中央实验室内主要包含制样系统、机械手、研磨压片一体机、样品检测系统等设备。（1）制样系统是一套集成的制样系统，可满足各类样品处理检测功能。（2）机械手主要负责样品的调度，它将样品送入研磨压片一体机，制成标准样，再由机器手把标准样片送入样品检测系统进行检测。（3）研磨压片一体机，具备样品接收、研磨、压制、输送、清洁等功能。（4）样品检测系统主要是荧光仪，主要用于检测生料、熟料和水泥的化学成份和含量。

5水泥质量控制系统

自动化实验室的应用缩短了检测物料成分环节的时间，而水泥质量控制系统是对整个生产过程进行管控，根据样品检测结果，重新计算指标及优化配比，实现自动配料调整。水泥质量控制系统与自动化实验室实现了无缝衔接，一般采用OPC技术接口。OPC规范是自动化控制系统经常使用的标准协议，要求各仪表厂商发布各自的OPC服务器，提供标准协议接口，这样任何符合OPC规范的客户端应用程序都根据接口规范进行访问，具有接口透明度高、集成度高等优势[4]。水泥质量控制系统可分别对出磨生料、出窑熟料及水泥磨进行配料控制，根据控制目标值，可以自动调整配料比例中各原料的掺入比例，使混合料指标符合质量指标设定值。优化的原料设定配比是水泥质量控制系统中最重要的输出项，计算过程复杂，影响因素多，计算优化配比时不仅要依据短周期内的质量指标，还需考虑长周期的原料成分、热耗及成分等因素，不仅要监测各原料秤的设备运行状态及反馈配比，还需参考混合料的化验结果。水泥质量控制系统不仅对生产过程的各环节的监测，并且重点在于在生产出现波动时，系统及时进行反应控制，调整优化配比。控制过程见图3。图3水泥质量控制系统的控制条件与方法反馈调整是水泥质量控制的重要一环，反馈数据是原料秤提供的实时流量和配比数据。随着工业需求和技术发展，仪表系统不再是独立运行的系统，可实现将数据远程传输到管理控制数据中心，实现数据整合[5]。由于水泥生产过程中生产情况是实时变化的，仅依据化验数据计算的优化配比是远远不够的，所以水泥质量控制系统要实时监控原料秤的运行情况，在供料条件、混合料成分变化等异常情况出现时，系统将会进行及时调整。比如在原料秤出现断料、反馈配比与设定配比出现较大差距时，系统将会向操作员提示报警，并及时进行配比补偿。

6系统优势

与传统的以人工经验为主的生产模式相比，基于自动化实验室的水泥质量控制系统大幅度提升了自动化水平，保证了生产指标的稳定，提高了质量管理水平，具体有如下优势：（1）减员增效：自动化实验室是基于“有人巡视、无人值守”的原则，在取样点、化验室、集控系统均可实现无人值守或减人值守，减少了人力成本，创造了经济效益。并且实现自动化后，提高了采样频率和化验频率，为配料系统调整配方提供了更多的数据支持。（2）化验准确及时：自动化实验室的自动取样环节与传统的人工取样相比，更快捷，无滞后，不受天气、环境等外界因素干扰，无人工操作误差，全系统无人参与，避免了瞒报、漏报等意外情况。（3）提升安全性：工业生产现场条件艰苦，工作环境恶劣，采样点灰尘大、噪音大，工人长期在此环境中工作可能对身体造成伤害，通过自动化实验室系统的实施，将会提升工人工作的体验感，减少安全事故的风险。（4）误差小：人工取样化验需要大量的人工参与，影响因素多误差大，自动化实验室需要人工参与的工作很少，大大减少了化验结果的误差。（5）质量管控到位：由于自动化实验室反馈的化验数据及时准确，生产现场的设备数据实时接入系统，在生产出现波动时系统在第一时间作出调整与管控，保证了水泥质量的稳定，实时性强，提高了水泥质量控制的精细化水平。

7结束语

自动化实验室的应用有效地解决了人工取样、送样和制样的难题，实现了取样化验自动化，为水泥质量管控提供了可靠的数据依据，通过水泥质量控制系统优化计算，使供料稳定、精准，整个工艺过程更加合理、完善，实现了降低成本，节约能源消耗，提升了水泥厂的质量管理水平。

参考文献

[1]刘志勇.水泥生料配料过程优化控制系统的设计及开发[D].辽宁工业大学,2016.

[2]胡洁.谈谈水泥生产检验取样代表性问题[J].中国水泥,2018(08):114-117.

[3]于海明,张伟,尚庆敏等，远程升级技术在中子活化多元素分析仪中的应用：2015（第六届）中国矿业科技大会，中国四川成都，2015[C].

[4]张伟,陈月红.基于OPC技术的工业仪表与组态软件的实时通讯[J].山东工业技术,2018(19):137+140.

[5]张伟,陈月红,杨振龙.基于远程数据采集技术的工业仪表系统[J].现代矿业,2018,34(6):220-221+223.

作者:陈月红 张伟 单位:丹东东方测控技术股份有限公司