浅析水泥的微机配料自控系统

浅析水泥的微机配料自控系统

周向宇

（平远县裕兴万年水泥实业有限公司514600）

摘要：介绍以基于熟料率值控制为目的的非线性水泥熟料优化配料过程控制，运用智能机理建模的方法，建立配料过程的非线性规划数学模型｡针对模型中的多目标函数以及非线性约束特点，提出一种采用优化软件LINGO编制算法程序并通过应用程序接口（API）嵌入到ABBFrance2000的DCS系统中｡工业实验表明该系统能有效地对配料过程进行优化控制，是解决非线性多目标优化问题的一种可行方法｡

关键词：熟料率值；非线性规划；配料；过程优化

引言

少熟料水泥一般是指以较少水泥熟料、适量石膏和一定比例的混合材料组成的水硬性胶凝材料。在水泥生产中通过优化工艺掺加大量工业废渣作混合材料，既可以达到资源再利用，保护环境，还可以很好地调节优化水泥的性能，丰富水泥品种。煤矸石由于含有大量黏土类矿物，具有潜在的胶凝活性，且与胶凝材料之间有组分近似和数量相近的双重近似性，因此可用来制备煤矸石质胶凝材料。但是，对于黏土矿物含量较少的砂质煤矸石，单纯的煅烧活化只能促进黏土矿物的分解，而其中含量较大的石英和长石类矿物性质基本不变，煤矸石的活性提高不大。为提高煤矸石的活化程度，使其可以大掺量用于制备胶凝材料，需要对性质稳定的石英和长石类矿物进行蚀变活化。

一、微机配料自控系统概述

我公司原料配料采用的是滁州中天的KBG-L108系统，主要由工控机、放大器、变频器、皮带秤等几部分组成。具体工作原理如下：开机后，工控机根据微机工给定的喂料总量和各物料配比，自动计算每种物料每分钟的喂料量，在整个系统备妥的前提下，微机工发出开始喂料信号后，工控机发信号给变频器启动变频器，变频器启动，电机在变频器的控制下加速旋转，带动皮带前行，皮带后端的物料在重力作用下向前运动经过称量段，物料的重量经过压力传感器变成电信号，此信号经过放大器送入工控机与变频器的频率信号计算算出瞬时流量，再以此瞬时流量和设定流量比较运算，得出差值，以此差值工控机给变频器发出相应的控制信号以调整变频器的频率，改变皮带速度从而改变瞬时流量，如此反复，直到瞬时流量达到给定流量的误差范围内为止。当有给定改变或者物料变化时，上述调整随之发生，从而达到严格按给定值自动配料的目的。微机配料系统必须准确且正常运行，否则将严重影响熟料甚至熟料质量，更严重的导致停机，造成整条生产线的停产。而由于各种原因，它的故障在所难免，所以如何快速准确的判断处理故障就显得尤为重要。下面以我厂为例讲诉微机配料系统的常见故障及排除方法。我厂的配料系统是一台微机同时控制两个磨机的喂料。两个磨机系统的放大器是独立的，分别用两个A/D板，但是共用一块D/A板。

二、煤矸石少熟料水泥耐久性

在本文煤矸石少熟料水泥的研制中，采用了许多不同类型的外加剂来激发煤矸石的活性，促进各组分水化硬化的协调发展。这些外加组分会不会对少熟料水泥体系带来不利的影响?为此，我们对煤矸石少熟料水泥进行了耐久性（抗碳化性、抗硫酸盐侵蚀、护筋性能等）试验和研究。

2.1抗碳化性

碳化是影响水泥混凝土耐久性的主要因素之一。碳化速度随CO2浓度提高而加快，此外还和混凝土的致密度、抗渗性以及大气的相对湿度有关，一般在相对湿度50%～60%时碳化速度最快。在试验中选择40mm×40mm×160mm的砂浆试块，胶砂比为1∶3，水灰比为0.5，成型后在20℃，90%湿度的湿空气中养护24h后脱模，然后放于20℃水中养护140d，取出试块，在60℃±5℃烘箱中烘干24h，冷却至室温，置于100%CO2浓度、相对湿度52%的碳化箱中快速碳化7d和14d，取出试件，测碳化深度和抗压、抗折强度，并与水中养护同样时间的试块的抗压和抗折强度进行比较。实验结果见表4。分析表4试验结果可得，煤矸石少熟料水泥碳化深度均大于普通硅酸盐水泥，这是由煤矸石的多孔疏松结构所致。CaO与化学外加剂的加入对此有一定的抑制作用；随着碳化的深入，两种水泥的强度均会降低，碳化对煤矸石少熟料水泥的抗折强度的损失较大。但是从表4中可以看出，碳化条件下，水泥的抗压强度比均大于1，因此碳化对其抗压强度发展有一定的益处。

2.2抗硫酸盐侵蚀

测试煤矸石少熟料水泥抗硫酸盐侵蚀性能时，将煤矸石少熟料水泥和42.5级普通硅酸盐水泥制成400mm×400mm×1600mm的砂浆试体，胶砂比为1∶3，水灰比为0.50；成型后放入20℃+3℃、相对湿度大于90%的养护室中养护，脱模后将水泥砂浆分为三组，分别在20℃+3℃淡水和4.4%MgSO4，4.4%NaSO4溶液中养护至140d和28d，分别测定它们的强度，并据此计算抗蚀系数M，测试结果见表5。

表5结果表明：普通水泥试样在侵蚀液中的抗蚀系数均小于1.0，而煤矸石少熟料水泥的抗蚀系数均有不同程度的提高，尤其是抗折抗蚀系数提高较多，即煤矸石少熟料水泥受硫酸盐侵蚀后的强度反而提高，具有优良的抗硫酸盐侵蚀性能。2.3护筋性能水泥仅仅是人们用于建筑工程的中间产品，它只有形成混凝土制品，才能发挥其功效。因而，水泥生产应符合混凝土的最终性能要求，实现水泥生产与使用有机统一。作为一种使用广泛的脆性材料，80%的水泥混凝土均与钢筋复合使用。钢筋混凝土所用水泥，除与钢筋应有良好的粘结力外，还必须有良好的保护钢筋不锈蚀的能力。因此，胶凝材料的护筋性能必须引起人们的高度重视，它是钢筋混凝土一项很重要的耐久性指标。资料表明[5]：当混凝土pH≥11.8时就能使钢筋保持钝化状态。在密实的水泥混凝土中，这个条件是可以满足的。一般情况下，硬化混凝土的pH值为12.0～12.5或12.5～13.0；当混凝土受大气侵蚀而碳化时完全碳化层没有Ca（OH）2只有CaCO3，这时的pH值大约是10～8.5，因此也可以说pH=10就是判断钢筋是否生锈的界限。在煤矸石少熟料水泥护筋性能测试过程中，首先测定新拌水泥净浆与硬化净浆的pH值，并与矿渣水泥和普通硅酸盐水泥的pH值进行比较，可在一定程度上判断少熟料水泥的护筋性能。因为没有标准的测定硬化水泥混凝土pH值的方法，作者参考有关资料，采用如下方法测试：

（1）新拌水泥净浆pH值测定。称取水泥试样50g置于250ml的锥形瓶中，加水100ml，振荡2min，静置24h，用酸度计、滴定法或者精密试纸测定澄清溶液的pH值作为水泥净浆的pH值。

（2）硬化水泥净浆的pH值。按标准稠度用水量成型水泥净浆试件，标准养护28d后破碎、烘干研磨至水泥细度。澄清液制备与测定方法同上。众所周知，矿渣水泥是可以满足钢筋混凝土使用要求的，从表6中三种水泥的新拌浆体和硬化浆体的pH值测定结果可以判断，煤矸石少熟料水泥的碱度是可以满足钢筋钝化需求的。

三、基于LINGO的非线性规划算法和实现

3.1基于LINGO的方程求解

非线性规划的求解方法针对不同的数学模型产生了很多典型的方法，如常用的经典方法：Zoutendijk的可行方向法，罚函数法（包括内点法、外点法和混合法），逐次线性规划法和逐次二次规划法｡许多模型函数的导数的求解变的越来越难，有的甚至无法求出｡人们在探索中不断寻求新的解决方法―智能化优化方法｡其中最具有代表性的几种算法是，禁忌搜索，遗传算法，进化规划和进化策略｡这四种算法中禁忌搜索是一种确定性的迭代优化算法，这里我们可以采用这种迭代法通过LINGO来计算｡LINDO/LINGO是美国Chicago大学LinusSchrage教授开发的一种专门用于求解数学规划问题的软件包，主要用于解线性规划、非线性规划、二次规划和整数规划等问题｡也可以用于一些非线性和线性方程组的求解以及代数方程求根等｡LINGO中包含了一种建模语言和许多常用的数学函数（包括大量概论函数），可供使用者建立规划问题时调用，能方便地与Excel，数据库等其他软件交换数据｡经过商业的运作和不断的发展完善，在数学、科研和工业界得到广泛应用｡

用LINGO建模语言来建立优化数学模型，其程序体大体分为四个部分，即：集合段、数据段、初始段和目标与约束段｡集合段包含：集合的名称，集合所包含的元素（或称成员，即组成集合的个体），集合的属性（与该集合有关的变量及常量，相当于数组）；数据段的作用在于对集合段的属性输入必要的常数数据；初始段在于对集合段中的属性定义迭代初值；目标与约束段则定义了目标函数和约束条件等｡

3.2在DCS系统上的实现

通过LINGO编制的算法程序可以利用France2000系统的应用程序接口（API）嵌入到DCS系统中，也可以利用LINGO/LINDOAPI软件来连接DCS系统｡所谓API是指ABBFrance2000提供的一个应用程序接口，用户能够编写C或Fortran的应用程序，与系统服务器中的数据库进行数据交换｡这样用户可以通过自己编写的应用程序实现过程控制中的高级策略｡

水泥熟料配料系统由工控机主机（可作为DCS系统的一个独立子机）、自动取样装置、多元素分析装置、电子皮带秤等构成闭环控制系统｡该系统可通过自动取样装置和多元素分析装置配合使用，直接检测出磨熟料的率值，实现在线调整，有利于熟料成分的稳定，从而提高熟料的易烧性和熟料的质量｡同时，该系统设有自动控制和人工控制两种控制方式，如果系统出现故障时，可十分方便地切换到人工控制方式，实现现场控制优先，可避免因为系统故障影响生产而造成的重大损失｡

结束语

本文针对国内水泥熟料配料的特征提出一种新的水泥配料过程优化控制方法｡通过实验表明该方法能很快地完成熟料率指的最优值，迅速寻找到最佳配料方案｡同时，通过与水泥厂现有的DCS系统连接，能使操作人员从很繁杂的计算中解脱出来，表明这种方案是解决这类复杂非线性多目标优化的一种切实可行的方法｡

参考文献：

[1]维特鲁威著，高复泰译.《建筑十书》.2014.7

[2]孔祥胜.《化学分析检验工作的质量控制》.职业与健康.2008.5

[3]石锦服.浅谈化学分析检验工作的质量控制.化学工程与装备.20014.10

[4]石锦服.浅谈化学分析检验工作的质量控制.化学工程与装备.2013.4