水泥助磨剂定量控制系统的设计、安装与调试

　　前 言
　　由于使用水泥助磨剂有助于 1.显著改善和稳定粉磨工艺；2.改善水泥性能、实施细磨和超细磨、满足新标准的要求；3.改善物料的易磨性、提高粉磨效率、增加磨机台产、提高水泥实际产量、节省电耗从而降低水泥生产成本；4.提高熟料利用率从而提高混合材掺量等而被大量用于现代水泥生产的过程中。水泥助磨剂分粉体助磨剂和液体助磨剂，液体助磨剂由于其配比少（一般在0.01%～0.2%范围内）、对单位水泥生产成本影响小、效果持续稳定、其掺量易于控制等特点而得到越来越广泛的应用。正是基于此考虑，我公司于2006年3月初计划使用格雷斯的液体水泥助磨剂。

　　1 对水泥助磨剂定量控制系统的技术要求
　　为用好水泥助磨剂，水泥助磨剂掺入物料的工艺过程必须采用定量控制系统。在安装使用水泥助磨剂定量控制系统之前，公司工艺方面提出以下要求：① 我公司有两条水泥生产线，每条水泥生产线的42.5水泥品种的设计台时产量为110t/h，实际台时产量已可达到150t/h，为保证生产32.5水泥品种台时产量在160t/h时仍然能满足要求，考虑到所选用水泥助磨剂的配比在0.17%以内，故所选计量器具的量程范围必须至少达到272kg/h；② 由于水泥生产线的配料系统的每台定量给料机的动态计量精度为1.5%，故要求水泥助磨剂定量控制系统用计量器具的动态计量精度也必须优于1.5%；③ 要求水泥助磨剂的配比可以在中控室的DCS操作界面上随意修改；④ 当水泥配料系统稳定配料时水泥助磨剂的实际掺入量也应该确保稳定；⑤ 当水泥配料系统的总流量给定值由于实际需要而修改时，水泥助磨剂的掺量也应自动的随之改变；⑥ 水泥助磨剂的流量实际值必须在中控室的DCS操作界面上准确显示，显示值精确到小数点后一位；⑦ 水泥助磨剂的每班的累计值必须在中控室的DCS操作界面上显示出来；⑧ 水泥助磨剂的掺入设备的启停可以在中控室的DCS操作界面上进行操作，并与有关设备联锁，确保由于故障等原因有关设备停机时水泥助磨剂的掺入设备也必须联锁停机；⑨ 盛放水泥助磨剂的容器内助磨剂的液位须在中控室的DCS操作界面上显示出来。

　　2 水泥助磨剂定量控制系统的解决方案
　　2.1、水泥助磨剂定量控制系统的结构组成
　　根据前面工艺方面提出的要求，所设计的系统里应该包含 ① 盛放水泥助磨剂的容器、把水泥助磨剂导向确定地点的管道和使液体稳定流动的液泵，使得水泥助磨剂能按要求流动到确定的地点；② 液泵电机的转速控制装置，使得系统能按要求控制水泥助磨剂的流量大小；③ 能计量管道中的水泥助磨剂流量大小的液体流量计；④ 对管道中的助磨剂的流量大小进行稳定控制的调节器；⑤ 测量容器内水泥助磨剂液位高低的液位计；⑥ 用于消除管道内的液体发生流量脉动的管道阻尼器。

图1 水泥助磨剂计量控制系统结构组成示意图

　　如图1即是水泥助磨剂定量控制系统的总体方案示意图。即由中控室的磨操按化验室提供的配比单设定配比表中水泥助磨剂的配比，水泥助磨剂的配比与物料总流量给定值的乘积即为水泥助磨剂的流量给定值，水泥助磨剂的流量给定值经PLC中的D/A转换程序转化为模拟量并通过模拟量输出模块及调节器加到液泵变频器的外给定端子，相应的液泵变频器就有一个特定频率的交流电压加到液泵电机的定子线圈，液泵电机驱动液泵按特定的速度旋转，这时容器内的水泥助磨剂通过管道进入液泵的进口，液泵的出口便有确定流量的水泥助磨剂排出；从液泵的出口排出的助磨剂流过管路中的流量计时助磨剂的流量大小被流量计测得，流量计把这一模拟量信号送入PLC的模拟量输入模块，再经PLC的A/D转换程序把这一流量信号转换为16进制数，一方面对助磨剂的实际用量进行累计，另一方面与助磨剂的流量给定值相比较；若实际测得的流量值大于流量给定值，则PLC输出一下调信号给调节器，这时调节器的输出信号令变频器的输出频率降低，从而液泵电机的转速下降，从液泵排出的助磨剂流量也随之降低；反之，若实际测得的流量值小于流量给定值，则PLC输出一上调信号给调节器，最终使得液泵电机的转速上升，从液泵排出的助磨剂流量也随之上升。上述调节过程可用如下的图2来表示。可见如此建构的水泥助磨剂定量控制系统的结构组成完全可以满足前面工艺方面提出的所有技术要求。

图2 水泥助磨剂流量计量闭环控制系统方框图

　　2.2、液泵、液体流量计及液位计的选型及安装
　　2.2.1液泵的选型、原理及安装：
　　根据上面的要求，系统的液泵可选用齿轮泵或隔膜泵。由于液泵一般按体积流量选型，根据上面的要求，每台磨的台时产量按160t/h算，水泥助磨剂的相应的配比为0.17%，则相应的水泥助磨剂的流量为272kg/h。根据供应商提供的数据，水泥助磨剂比重γ助=1.2±0.015kg/L，平均值为1.2kg/L。当台时产量为160t/h时水泥助磨剂的体积流量为226.67L/h。这样，为留足余量，液泵的额定流量选型为240L/h。另外，考虑到当定量控制系统有故障时液泵能继续使用，液泵最好能采用定量泵，这种泵在单独使用时自身的流量可以进行机械调节，并且其对流量的计量能达到相当的稳态精度。我公司的水泥助磨剂计量控制系统选用的GM系列隔膜计量液泵由水泥助磨剂供应商提供（与之配套提供的还有变频器），生产厂家为汉胜工业设备（上海）有限公司，其型号为GM024SP4MNN、流量为240L/h、工作压力为0.7MPa、稳态精度为±2%额定流量，并具有可锁定调节旋钮，可对泵自身的流量进行0-100%的调节。GM系列隔膜计量泵为隔膜式计量泵，由两部分组成：驱动端和泵头。其输出流量由驱动端的冲程速度、泵头尺寸和冲程长度决定，驱动端根据可变偏心机构原理工作。电机驱动与偏心机构相连的涡轮、蜗杆，偏心机构将涡轮的旋转运动转换成连杆的往复直线运动。隔膜组件和连杆采用机械方式连接，与连杆同时进行往复直线运动。在吸入冲程时，隔膜向后运动，泵头内压力降低，当其压力低于吸液管路压力时，吸入口单向阀球被向上推开，进口管路中的介质进入泵头强室内；在排出冲程时，隔膜向前运动，泵头内压力升高，当其压力高于出口管路压力时，排出口单向球阀被向上推开，泵头内的介质进入出液管路。为能够很好的使用隔膜计量泵，安装时应注意：首先在泵的进口前必须加装过滤器，以防止管道中的杂物进入隔膜计量泵的腔体内进而损坏隔膜泵；其次由于进入隔膜泵的液体是被一腔一腔送出的，故管道中的液体的流量会产生脉动，这种脉动会严重影响流量计的计量及流量的控制，为减少管道内液体流动过程中产生的流量脉动现象，在距泵的出口一定距离必须加装管道阻尼器。管道阻尼器的结构较简单，为减少资金投入完全可以自制，在我公司，管道阻尼器就是由工艺人员提出制作方案进行自制的；另外为防止当泵的出口发生堵塞时造成事故，应在泵的出口管道上加装安全阀。

　　2.2.2液体流量计的选型、原理及安装：
　　流量计的选型。流量计种类繁多，根据流量的定义划分，流量计可分为体积流量计与质量流量计；体积流量计又包括容积式流量计、差压式流量计、速度式流量计；质量流量计又包括直接式质量流量计与推导式质量流量计等等。根据流量计的测量原理划分可分为基于力学原理的流量计、基于电磁学原理的流量计、基于热力学原理的流量计、基于光学原理的流量计、基于原子物理原理的流量计等等；另外还有其他划分方法。可见流量计的种类非常之多，可供选择的范围很大。面对如此庞大的流量计家族，要想选择一款经济实用的流量计，的确不是一件很容易的事，在具体选择时要考虑的因素很多。首先要考虑流量计本身的情况，如测量原理、性能、精确度、可用性、测量流量的量程范围、价格等；其次要考虑被测介质的情况，如流体的物理特性：流体的粘度、比重、压力、透明度、导电性、介电常数、温度、是否有沉淀等；化学特性：流体的腐蚀性、有无毒性、长期的化学稳定性等；除了上面要考虑的因素外当然还要考虑其它一些因素。根据笔者的经验，大致可从以下几方面考虑：(1)流量计的性能；(2)流量计的价格；(3)流体的理化特性；(4)现场环境（如设备的振动）及安装条件（如是否有安装空间）等。

　　根据上面提出的要求，由于选用的水泥助磨剂是液体助磨剂，所以要测量所配水泥助磨剂的流量，需选用测液体流量计。由于液体流量计分为体积流量计和质量流量计，而质量流量计虽然可直接显示出被测介质的流量且测量精度也较高，但其单价通常很高，所以我们在此选用单价较低的体积式流量计。考虑到水泥助磨剂是醇胺类、糖醚类等的水溶液，具有导电性；另外考虑到安装的简单方便，我们选用了电磁流量计。根据上面的计算，为留有余量，并考虑现场的管道尺寸及PLC所接受的信号，为满足前面工艺方面提出的技术要求，我们选用的电磁流量计为上海一家仪表公司生产的型号为WYLDA-20-103-0.6E-000-00EN240的产品，其量程范围为240L/h，最大工作压力为0.6MPa，4-20mA信号输出，计量精度等级为0.5%。电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成，流量计的内壁构成测量管，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁并与液体相接触，引出感应电势，送到转换器，激磁电流则由转换器提供；电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中做切割磁力线运动时在其两端会产生感应电动势，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向由“弗来明右手规则”决定。在安装电磁流量计时应该注意保证液体在流过流量计时其测量管内必须充满液体，为满足这一要求，流量计可以有两种安装方式，即测量管与地面水平的方式或垂直的方式安装，一般情况下垂直安装完全可保证有液体流过流量计时测量管内是充满液体的；另外，为确保电磁流量计能及时准确的反映管道中水泥助磨剂的流量，流量计的安装位置应尽可能的靠近液泵安装。

　　2.2.3液位计的选型：
　　由于在技术要求中提出盛放水泥助磨剂的容器内的助磨剂液位必须能进行远程显示，故所选液位计必须有电信号输出。这样可供选择的液位计有投入式液位变送器、浮球式液位变送器、磁翻柱液位计等等可供选择。由于投入式液位变送器安装简单方便（只要投入水泥助磨剂的容器内即可）、单价较低，我们选择了投入式液位变送器。投入式液位变送器的原理非常简单，其测量原理是基于任何液体内部向各个方向都有压强，液体的压强随深度的增加而增大这样一个物理事实。投入式液位变送器其实就是一种压力变送器，它是利用所测得液体的压强反映出所测液体的深度。在选择投入式液位变送器的量程时可以直接利用所测容器的最大深度Hmax=6m作为变送器的量程，或者也可以把这一最大深度值Hmax=6m换算为压强值Pmax，即利用公式：Pmax=Hmaxγ助（单位kPa,其中γ助为水泥助磨剂的比重）算得的压强值Pmax=72kPa作为液位变送器的最大量程。另外要求变送器有4-20mA信号输出。

　　2.3、定量控制系统软件的编制及DCS操作界面的组态
　　2.3.2定量控制系统软件的编制：
　　水泥助磨剂定量控制系统软件的编制包括以下几个方面：PLC流量输入信号处理程序；PLC液位输入信号处理程序；水泥助磨剂用量累计程序；软件调节器程序；PLC流量给定输出信号处理程序；液泵电机-变频器的启停及联锁程序。

　　PLC流量输入信号处理程序：流量计输入到PLC的模拟量输入模块上的4-20mA信号是模拟量信号，模拟量输入模块将这种信号进行A/D转化，转化为可以被PLC的CPU进行处理的数字量信号。由于正常情况下模拟量输入模块将各种模拟量输入信号均不加区分的统一转化为0～27648之间没有任何物理意义的纯粹的数字量，而实际的生产工艺过程所涉及到的数据都有具体的物理意义，故这种值不能作为实际值直接使用。要赋予经A/D转换所获得的数字量以实际的物理意义，必须考虑相应的数字量所对应的仪表测得的物理量的计量单位及仪表的量程范围。假定对于流量计的一个流量信号Q经PLC的模拟量输入模块进行A/D转换后变换为数字量N，则根据简单的比例关系可得Q=N/27648×240（kg/h），即经过此运算就可以把纯粹的数字量N转化为以数字量形式表达的流量信号供CPU处理，在此处理程序中数N的信号类型应为输入信号。具体PLC程序框图如图3所示。

图3 流量信号的数字量形式转化为流量的程序框图

　　PLC液位输入信号处理程序：假定对于液位计的一个压力信号P经PLC的模拟量输入模块进行A/D转换后变换为数字量N，则根据简单的比例关系可得P=N/27648×72（kPa），即经过此运算就可以把纯粹的数字量N转化为以数字量形式表达的液位信号供CPU处理。其处理程序与流量信号的处理程序完全相同，在此就不做过多陈述。

　　水泥助磨剂用量累计程序：由于水泥助磨剂的瞬时流量随时可能发生变化，故要对水泥助磨剂的用量进行累计必须使用微分、积分的方法，而由于CPU只能对数字量进行处理，所以积分则只能采用近似方法，即对水泥助磨剂的用量累积就是把一定采样周期Ts（在此为1s）中对水泥助磨剂的瞬时流量的采样值进行不间断的累计。其中当清零按钮Reset=1时对流量数据存储器M2的数据进行清零，而当流量信号超过上限值或低于下限值时其瞬时流量Q为坏值不进入累积。其程序框图如图4所示。

图4 水泥助磨剂用量累计程序框图

图5 软件调节器程序框图

　　软件调节器程序：调节器按组成结构可分为仪表型调节器和软件调节器；按其数学模型又可分为PID调节器和非PID调节器。由于可利用PLC 的存储器中固化的PID软件调节器模块或自行编制调节器模块，从而可以节省购买仪表型调节器的资金，为此我们采用了软件调节器；另外由于PID调节器与调节过程相关的参数整定过程较复杂，为此我们自己编制了一个简单实用的调节器程序，其程序框图如图5所示。从图中可见，此软件调节器是一个负反馈调节器。当助磨剂流量测量值与流量给定值之差是负值且差值的绝对值大于一定值时调节器就通过一定方式增大变频器的流量给定值，从而增大液泵电机的转速进而增大液泵出口管道的助磨剂流量；反之，当助磨剂流量测量值与流量给定值之差是正值且差值的绝对值大于一定值时就通过一定方式减小变频器的流量给定值，从而减小液泵电机的转速进而减小液泵出口管道的助磨剂流量；而当助磨剂流量测量值与流量给定值差值的绝对值在一定范围之内时对流量输出值（变频器的给定值）则只做微小的调整。从图中可见此调节器的调节过程非常简单而且没有参数需要整定，但从后来的使用效果看系统的控制精度可以达到1.5%之内，调节过程完全可以满足上面工艺上提出的要求。

　　PLC流量给定输出信号处理程序:PLC的流量给定输出信号是模拟量输出信号，其过程恰好与模拟量输入信号相反、信号处理过程也恰好相反，即把水泥助磨剂的流量给定值Q这种具有一定物理意义及计量单位的数字量信号不加区分的统一转化为没有任何物理意义的纯粹的、0～27648之间的数字量N，根据简单的比例关系可知其计算公式为N=Q/240×27648，其中240kg/h为流量计的最大量程。从计算公式可见，把流量给定值Q转化为数字量N的程序与流量输入信号处理程序基本相同，只不过在程序中N的数据类型必须设定为输出信号。数字量N经模拟量输出模块进行D/A转换从而把流量给定输出转换为模拟量信号加到变频器的给定输入端。

　　液泵电机-变频器的启停及联锁程序：液泵电机-变频器的启停及联锁程序其实就是把这些设备的启停及连锁电路用程序表达出来，即把实际的启动停止按钮及连锁触点用程序中的常开常闭触点及线圈组成的梯形图，由于其结构简单，我们就不做过多的叙述。

　　2.3.3 DCS操作界面的组态：要把水泥助磨剂定量控制系统组态到DCS操作界面上，需要做以下两方面的工作：组态WinCC变量及创建WinCC过程画面。所要组态的WinCC变量有助磨剂的配比-数据类型为32位浮点数、助磨剂的流量给定值-数据类型为32位浮点数、助磨剂的流量测量值-数据类型为32位浮点数、助磨剂的用量累计值-数据类型为32位浮点数、助磨剂的容器液位值-数据类型为32位浮点数、液泵电机-变频器的启动开关-数据类型为二进制变量、液泵电机-变频器的停机开关-数据类型为二进制变量、液泵电机-变频器的运行状态-数据类型为二进制变量、液泵电机-变频器的故障-数据类型为二进制变量等。创建过程变量其实就是定义过程变量的属性，其内容包括定义变量的名称、规定过程变量的数据类型、定义此变量的地址使之与PLC中相应的变量关联起来。创建了WinCC过程画面就可以使上述变量的显示动态化，从而使操作员可以在计算机显示屏上对水泥助磨剂定量控制系统的各参数及运行情况进行全面的监控。由于涉及到非常具体的内容，在此我们就不做过多的叙述。

　　3 水泥助磨剂定量控制系统的调试
　　水泥助磨剂定量控制系统的调试主要包括电磁流量计内部参数的整定及电磁流量计的标定、变频器的内部参数的整定等内容。电磁流量计内部参数的整定主要包括测量管道口径设置、仪表量程设置、流量零点修正、滤波参数设置、流量方向选择、流量积算单位、信号输出类型等参数调整；变频器的内部参数的整定则主要包括电动机的磁极对数、额定功率、额定电流、额定电压、上限频率、下限频率、加速时间、减速时间、控制方式（远程或面板控制）、输入信号类型等参数的调整。系统安装完成后必须对这些参数进行全面系统的整定，具体调整内容就不做过多叙述。流量计的标定是确保水泥助磨剂定量控制系统的计量精度的重要工作内容，为此我们在2006年4月18日系统安装完成后我们对流量计进行了系统的标定，标定用工具有盛放助磨剂的塑料桶及称量助磨剂重量的磅秤（磅秤的量程为100kg，最小刻度为10g），标定共做了四次，标定结果如表1所示。

表1 水泥助磨剂定量控制系统用电磁流量计的标定（标定时间：2006年4月18日）

　　第二次以后的标定是在经过第一次标定修正过相关参数后进行的，从标定结果看电磁流量计的计量误差在±1.5%以内，完全可以满足工艺方面提出的要求。

　　4 系统运行效果
　　系统自2006年4月19日安装调试完成投入使用后的一个多月的时间里化验室每天都对助磨剂的流量进行一次标定，标定结果与电磁流量计的计量显示之间的误差均在±1.5%以内。另外通过对助磨剂流量趋势图的长期观察发现在正常情况下（过滤器没有被杂物堵塞时）水泥助磨剂定量控制系统的控制精度均在±1.5%以内，证明水泥助磨剂定量控制系统完全能满足工艺方面提出的所有技术要求，经过近两年半的运行证明系统的设计是合理、实用的。