淺論粉體物料的計(jì)量控制

1、.薀羀芆莀螂螃節(jié)荿裊聿膈荿薄袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袁肅膅蒅薁袈肁蒄蚃肄羇蒃袆袆蒞蒃薅膂芁蒂蚈羅膇蒁螀膀肅蒀袂羃莂葿薂螆羋薈蚄羈膄薇螆螄肀薇蒆羀肆薆蚈袂莄薅螁肈芀薄袃?cè)h薃薃肆肂螞蚅衿莁螞螇肅芇蟻袀袇膃蝕蕿肅腿芆螂羆肅芅襖膁莃芅薄羄艿芄蚆腿膅芃螈羂肁莂袀螅莀莁薀羀芆莀螂螃節(jié)荿裊聿膈荿薄袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袁肅膅蒅薁袈肁蒄蚃肄羇蒃袆袆蒞蒃薅膂芁蒂蚈羅膇蒁螀膀肅蒀袂羃莂葿薂螆羋薈蚄羈膄薇螆螄肀薇蒆羀肆薆蚈袂莄薅螁肈芀薄袃?cè)h薃薃肆肂螞蚅衿莁螞螇肅芇蟻袀袇膃蝕蕿肅腿芆螂羆肅芅襖膁莃芅薄羄艿芄蚆腿膅芃螈羂肁莂袀螅莀莁薀羀芆莀螂螃節(jié)荿裊聿膈荿薄袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袁肅膅蒅薁袈肁蒄蚃肄羇蒃袆袆蒞蒃薅膂芁

2、蒂蚈羅膇蒁螀膀肅蒀袂羃莂葿薂螆羋薈蚄羈膄薇螆螄肀薇蒆羀肆薆蚈袂莄薅螁肈芀薄袃?cè)h薃薃肆肂螞蚅衿莁螞螇肅芇蟻袀袇膃蝕蕿肅腿芆螂羆肅芅襖膁莃芅薄羄艿芄蚆腿膅芃螈羂肁莂袀螅莀莁薀羀芆莀螂螃節(jié)荿裊聿膈荿薄袂肄莈蚇肇莃莇蝿袀艿莆袁肅膅蒅薁袈肁蒄蚃肄羇蒃袆袆蒞蒃薅膂芁蒂蚈羅膇蒁螀膀肅蒀袂羃莂葿薂螆羋薈蚄羈膄薇螆 淺論水泥工業(yè)中粉體物料的計(jì)量控制合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 雷仕慶:關(guān)鍵詞：預(yù)給料調(diào)節(jié)、定量控制、粉狀物料0 引言現(xiàn)代水泥工業(yè)，以其特有的原料、產(chǎn)品和生產(chǎn)方式，使其與計(jì)量控制特別是粉狀物料的計(jì)量控制有著密不可分的聯(lián)系。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，水泥工業(yè)中粉體物料

3、的計(jì)量控制技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。目前現(xiàn)代工藝流程設(shè)計(jì)的水泥廠中，一個(gè)先進(jìn)的粉體物料控制系統(tǒng)已涵蓋了現(xiàn)代電子稱(chēng)重計(jì)量、現(xiàn)代控制系統(tǒng)工程理論等多學(xué)科理論和交叉知識(shí)。在現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯窯尾生料粉輸送計(jì)量控制、窯頭和分解爐的煤粉輸送計(jì)量控制等一些粉體物料的計(jì)量控制，對(duì)水泥工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此如何保證粉狀物體在計(jì)量控制過(guò)程中的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)能力和長(zhǎng)短期精度，是目前每個(gè)水泥企業(yè)所必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。1、 粉體特性、工藝流程與計(jì)量控制由于通過(guò)研磨后的粉體物料與它在塊狀或散粒狀態(tài)下的物理特性有著很大的不同，因此了解粉體物料狀態(tài)下的基本物理特性以及了解現(xiàn)代水泥工藝過(guò)

4、程對(duì)粉體物料倉(cāng)儲(chǔ)、輸送的形式和特點(diǎn)，是粉體物料計(jì)量控制的一個(gè)重要的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)研磨的粉狀物料在物料的流動(dòng)性和自然堆積角這兩個(gè)方面，明顯的與塊狀或散粒狀物料不同。在水泥生產(chǎn)中使用的大多數(shù)粉狀物料的流動(dòng)性受到水分和氣壓的影響最為強(qiáng)烈。通常物料水分增加使得粉體物料的流動(dòng)性變差，表現(xiàn)在物料趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強(qiáng)，流動(dòng)性越差；而干燥或伴有氣流的粉狀物料的流動(dòng)性極強(qiáng)，表現(xiàn)為物料趨于自溢（自流性），含氣量越大，其流動(dòng)性越強(qiáng)。水泥工業(yè)中粉體物料的過(guò)程倉(cāng)儲(chǔ)作為整個(gè)工藝流程的一個(gè)過(guò)渡環(huán)節(jié)，對(duì)粉體物料的計(jì)量控制往往直接串級(jí)在這個(gè)過(guò)渡環(huán)節(jié)之后。因此不僅從計(jì)量控制上而且從工藝流程的要求上，都要求保

5、證過(guò)程倉(cāng)內(nèi)粉體物料的能夠順利卸料。過(guò)程倉(cāng)內(nèi)粉體物料的流動(dòng)性指標(biāo)是物料能否流經(jīng)過(guò)渡倉(cāng)順利卸料的一個(gè)重要參數(shù)。通常經(jīng)過(guò)干燥的煤粉或粉煤灰基本不具有附著性，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的過(guò)程卸料倉(cāng)，間或輔以少量的倉(cāng)側(cè)充氣進(jìn)行“破拱”，一般倉(cāng)內(nèi)料拱無(wú)法形成，物料在倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)通常表現(xiàn)為整體流（倉(cāng)內(nèi)物料整體流動(dòng)），這類(lèi)物料的卸料可以由物料的重力通過(guò)倉(cāng)底自然卸料。然而經(jīng)過(guò)研磨后的生料粉體，在常態(tài)下帶由一定的附著性，加之生料倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)容較大，表現(xiàn)為過(guò)程倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)，也就是實(shí)壓時(shí)間常數(shù)較大，一般來(lái)說(shuō)其流動(dòng)性能較差，對(duì)于這類(lèi)流動(dòng)性較差的粉體物料的卸料，在實(shí)際中經(jīng)常采用庫(kù)側(cè)充氣破拱和庫(kù)底充氣助卸結(jié)合的方式，來(lái)保證倉(cāng)內(nèi)物料的順利卸料。由

6、于粉體物料卸料方式的不同，造成了實(shí)際粉體物料在出倉(cāng)時(shí)的流動(dòng)性的巨大差異，也就是計(jì)量控制設(shè)備在受料時(shí)物料的流動(dòng)性差異。對(duì)于需要充氣助卸然的粉體物料，充氣量的大小和氣流的速度對(duì)粉體物料的流動(dòng)性影響都是非常之大的。在一些氣源變化頻繁的場(chǎng)合，有些傳統(tǒng)的粉體計(jì)量控制設(shè)備通常會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩以至于無(wú)法工作。因此從系統(tǒng)的角度去對(duì)待粉體物料的計(jì)量控制是現(xiàn)代粉體計(jì)量控制的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。2、 粉狀物料計(jì)量控制的發(fā)展和應(yīng)用傳統(tǒng)的帶有時(shí)滯特性的采用調(diào)速螺旋絞刀（或調(diào)速分格輪或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）加上固體流量計(jì)組成的簡(jiǎn)單單回路調(diào)節(jié)的粉體計(jì)量控制系統(tǒng)在我國(guó)的水泥工業(yè)中有許多。其主要的計(jì)量控制方法是根據(jù)流量計(jì)（沖板

7、、滑槽或沖板加滑槽方式）檢測(cè)出粉體物料的瞬時(shí)（或平均）流量，同時(shí)將測(cè)量出流量值與設(shè)定值比較，其偏差通過(guò)PID或其變種算法來(lái)調(diào)節(jié)螺旋絞刀的轉(zhuǎn)速，使物料的流量與設(shè)定值保持一致。從控制的角度上看，通常此類(lèi)調(diào)節(jié)裝置的穩(wěn)料性能一般較差，往往導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)的非線性；對(duì)于流態(tài)化較強(qiáng)的粉體物料甚至可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)失控現(xiàn)象。另外對(duì)于這樣一種具有時(shí)間滯后的追蹤控制系統(tǒng)由于調(diào)節(jié)裝置與計(jì)量裝置的分離，造成流量計(jì)測(cè)量出的偏差在調(diào)節(jié)時(shí)物理上的時(shí)滯，并且如果物料流動(dòng)性由于外部因素的干擾而產(chǎn)生變化時(shí)，其滯后時(shí)間往往亦將發(fā)生變化（尤其對(duì)電動(dòng)流量閥與流量計(jì)組成的系統(tǒng)），使得系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)除了考慮調(diào)節(jié)裝置非線性，還將考慮它的時(shí)變性。誠(chéng)然這一

8、切可以通過(guò)經(jīng)常性的人為改變其工況和過(guò)程調(diào)節(jié)參數(shù)得以修正，但明顯的作為現(xiàn)代工業(yè)計(jì)量控制系統(tǒng)它有著明顯的缺陷。由于以上出現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置的非線性和計(jì)量與控制的分離而產(chǎn)生時(shí)滯這兩個(gè)問(wèn)題，為了解決粉體物料的計(jì)量控制，人們開(kāi)始從兩個(gè)方面開(kāi)始著手研究，其一是改進(jìn)調(diào)節(jié)裝置使其能在各種工況下保證粉體物料在調(diào)節(jié)方面的線性化或準(zhǔn)線性化。其二是將計(jì)量裝置與調(diào)節(jié)控制裝置合二為一或保證在輸出“點(diǎn)”的合二為一。目前具有代表性的兩大改進(jìn)之一是采用密封式分隔轉(zhuǎn)子的粉體物料線性調(diào)節(jié)裝置。其基本原理是利用密封的水平分隔轉(zhuǎn)子抑制粉狀物體的自流動(dòng)，粉體物料的運(yùn)動(dòng)完全由這個(gè)密封的分隔轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來(lái)決定，通過(guò)調(diào)整分隔轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來(lái)決定喂料量的大

9、小。由此可以看出在保證物料容重（比重）一定時(shí)，喂料量與這個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。盡管在此類(lèi)喂料機(jī)的形式和結(jié)構(gòu)上一些生產(chǎn)廠家稍有差別，但究其根本還是力圖使粉體物料在調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)線性化；改進(jìn)之二是采用預(yù)給料的粗調(diào)環(huán)節(jié)，串級(jí)一個(gè)定量計(jì)量的精調(diào)環(huán)節(jié)，將計(jì)量與控制在輸出時(shí)合二為一的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于采用的預(yù)給料僅作為定性的粗調(diào)環(huán)節(jié)，因此對(duì)預(yù)給料機(jī)的要求就比較寬松，它可以是調(diào)速螺旋絞刀亦可以是電動(dòng)流量閥，當(dāng)粉體計(jì)量控制系統(tǒng)的精度指標(biāo)和快速響應(yīng)等指標(biāo)要求更加嚴(yán)格時(shí)它還可以采用前述的線性化轉(zhuǎn)子喂料機(jī)。由于針對(duì)粉體物料計(jì)量控制的這兩個(gè)改進(jìn)在實(shí)際應(yīng)用獲得了成功，因此目前亦由此針對(duì)水泥工業(yè)不同的場(chǎng)合而演變出眾多組合的

10、粉狀物料計(jì)量控制系統(tǒng)。3、 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與粉體物料的計(jì)量控制計(jì)量控制的一個(gè)重要任務(wù)就是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)物料質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)實(shí)用而準(zhǔn)確的測(cè)量模型不僅是粉體物料計(jì)量控制的基礎(chǔ)，也是所有與測(cè)量有關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而眾所周知，質(zhì)量是一個(gè)特征量，它無(wú)法直接測(cè)量，以往對(duì)質(zhì)量的測(cè)量往往是通過(guò)物體在重力場(chǎng)下的重力測(cè)量而間接求得的。目前我們所使用的絕大部分的計(jì)量設(shè)備（衡器）的測(cè)量模型多建立于杠桿原理或彈性原理。然而無(wú)論是由杠桿還是由彈性原理建立的模型，其平衡方程都是建立在靜力平衡的基礎(chǔ)之上。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，我們遇到的大多數(shù)的過(guò)程計(jì)量都在物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，對(duì)此通常我們只能通過(guò)其他手段來(lái)降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)

11、靜力平衡的影響或者用定性方法給予一定的補(bǔ)償。采用這種以靜代動(dòng)的測(cè)量方法雖然可以解決大多工業(yè)過(guò)程計(jì)量問(wèn)題，但從根本上說(shuō)它無(wú)法解決動(dòng)摩擦、本機(jī)諧振及其它振動(dòng)問(wèn)題對(duì)于測(cè)量的影響，因此嚴(yán)格意義上說(shuō)就是沒(méi)有從根本上解決動(dòng)態(tài)測(cè)量的問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)外的一些學(xué)者為從根本上解決動(dòng)態(tài)測(cè)量這一問(wèn)題，開(kāi)展了大量的研究工作。其基本思想就是解決用工程動(dòng)力學(xué)來(lái)代替工程靜力學(xué)建立測(cè)量模型。因?yàn)閯?dòng)是絕對(duì)的，靜只是動(dòng)的一個(gè)特例。根據(jù)牛頓第二定律F=ma如果能夠測(cè)得力F和加速度a，即可求得物體的質(zhì)量m的大小，這是一個(gè)不受被測(cè)物體是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)而且是一個(gè)不受重力場(chǎng)g大小影響的質(zhì)量測(cè)量方法，這種測(cè)量方法被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量方法。盡管動(dòng)態(tài)質(zhì)

12、量測(cè)量目前尚處于研究階段，但其測(cè)量理論已然確立，隨著研究的深入和發(fā)展，未來(lái)的動(dòng)態(tài)測(cè)量衡器必將會(huì)給稱(chēng)重測(cè)量帶來(lái)一場(chǎng)革命。4、 控制理論的發(fā)展與粉體物料的計(jì)量控制PID回路控制著大部分工業(yè)裝置的自動(dòng)化過(guò)程，水泥工業(yè)也是如此。PID（比例-積分-微分）控制作為最早的實(shí)用化的控制方法已有50年的歷史，由于其控制方法簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型而成為工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。但是并不是所有的工業(yè)過(guò)程都可以用PID回路來(lái)控制。對(duì)于多邊量、非線性、大滯后、強(qiáng)耦合、時(shí)變等復(fù)雜過(guò)程都需要或者說(shuō)更適合采用其它更為先進(jìn)的控制技術(shù)。大多數(shù)粉體計(jì)量控制都在不同程度上表現(xiàn)出非線性、滯后、時(shí)變等特性，對(duì)一

13、些特定的系統(tǒng)如前述的粗精串級(jí)雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還會(huì)出現(xiàn)粗精回路之間的耦合特性。因此對(duì)于粉體物料的計(jì)量控制僅采用常規(guī)的PID回路控制已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代水泥工業(yè)的要求。除了對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)量控制設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)外，研究和應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)也是粉體物料計(jì)量控制的一項(xiàng)迫切的任務(wù)。自適應(yīng)控制、魯棒控制、預(yù)測(cè)控制、智能控制等都是為解決以上復(fù)雜或特定過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的一些控制方法。自適應(yīng)控制可以看作是一個(gè)能夠根據(jù)過(guò)程特性的變化自動(dòng)調(diào)整自身特性或參數(shù)的反饋控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制的形式較多，最常見(jiàn)有基于參數(shù)的自適應(yīng)控制與基于模型的自適應(yīng)。所謂基于參數(shù)的自適應(yīng)就是系統(tǒng)根據(jù)不同的過(guò)程特性調(diào)整適合自己當(dāng)前工作狀態(tài)的PID參數(shù)。而基于模型

14、的自適應(yīng)控制提供了更為精確的控制算法。其控制決策建立在對(duì)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?，把輸入輸出的關(guān)系量化為一個(gè)微分方程。在連續(xù)控制過(guò)程的同時(shí)，它可以根據(jù)新的輸入輸出的數(shù)據(jù)優(yōu)化和提煉模型。一個(gè)較好的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌虍a(chǎn)生滿(mǎn)意的控制效果。需要注意的是過(guò)程模型的建立需要有相當(dāng)?shù)膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)與實(shí)際過(guò)程相差較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩嚴(yán)重時(shí)會(huì)失控。魯棒控制是一個(gè)著重控制算法可靠性研究的設(shè)計(jì)方法。魯棒控制適用于以穩(wěn)定性和可靠性為首要目標(biāo)的系統(tǒng)，一般要求對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估。預(yù)測(cè)控制是一種根據(jù)預(yù)測(cè)的過(guò)程模型的控制算法，它根據(jù)過(guò)程的歷史信息判斷將來(lái)的輸入和輸出。它注重的是模型函數(shù)對(duì)于如狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)、階

15、躍響應(yīng)等都可作為預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)控制是一種最優(yōu)控制算法。它根據(jù)性能函數(shù)計(jì)算將來(lái)的控制動(dòng)作。預(yù)測(cè)控制是一種反饋控制的算法。預(yù)測(cè)控制可以補(bǔ)償控制誤差和在線校正系統(tǒng)模型參數(shù)。智能控制是現(xiàn)代控制技術(shù)的一個(gè)主要研究方向。目前在過(guò)程控制領(lǐng)域中最為常見(jiàn)的當(dāng)屬模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)理論的一種控制方法。它能夠?qū)σ恍o(wú)法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行有效的控制。模糊控制主要包括模糊化處理、模糊推理和精確控制三個(gè)環(huán)節(jié)。通常過(guò)程控制的模糊化處理就是把誤差及其變化率等輸入變量映射到一個(gè)響應(yīng)論域，把這些連續(xù)的精確量離散化為適當(dāng)?shù)哪：险Z(yǔ)言。模糊推理就是根據(jù)一定的規(guī)則推理出模糊量。精確控制就是將模糊

16、推理出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量輸出控制，轉(zhuǎn)化方法有很多如最大隸屬度法、中心法、面積平均法等。模糊控制還可和其它控制方法結(jié)合組成復(fù)合控制，如模糊自適應(yīng)控制、專(zhuān)家模糊控制、神經(jīng)模糊控制等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦控制的一種方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是以神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其特有的高度并行分布處理能力、非線性映射能力、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)，目前在工業(yè)過(guò)程控制中被認(rèn)為是對(duì)有關(guān)多邊量、非線性、滯后和時(shí)變等復(fù)雜系統(tǒng)的最有效控制方法。5、 結(jié)束語(yǔ)隨著水泥工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)中粉體物料的計(jì)量控制的要求越來(lái)越高。如何系統(tǒng)地解決粉體物料的計(jì)量和控制問(wèn)題，以滿(mǎn)足現(xiàn)代水泥生產(chǎn)的要求顯得尤為迫切。 芀薆羃羂蒆蒂羂肄羋螀肁膇蒄蚆肀艿芇薂聿罿蒂蒈肈膁芅袇肇芃薀螃肇莆莃蠆肆肅蕿薅螞膇莂蒁蟻芀薇蝿螁罿莀蚅螀肂薅薁蝿芄莈薇螈莆芁袆螇肆蒆螂螆膈艿蚈螅芁蒅薄螅羀羋蒀襖肅蒃蝿袃膅芆蚄袂莇蒁蝕袁肇莄薆袀腿薀蒂衿節(jié)莂螁衿羈薈蚇袈肅莁薃羇膆薆葿羆羋荿螈羅肈膂螄羄膀蕆蝕羃節(jié)芀薆羃羂蒆蒂羂肄羋螀肁膇蒄蚆肀艿芇薂聿罿蒂蒈肈膁芅袇肇芃薀螃肇莆莃蠆肆肅蕿薅螞膇莂蒁蟻芀薇蝿螁罿莀蚅螀肂薅薁蝿芄莈薇螈