摘要：本文從粉體的特性、粉體的工藝流程入手，結合測量技術和控制理論的發展，講述了在水泥行業粉體物料計量技術的應用和發展，并介紹了粉體物料計量系統的組成和幾種典型
應用。
關鍵詞：粉狀物料、定量控制、計量技術
0 引言
現代水泥工業，以其特有的原料、產品和生產方式，使其與計量控制特別是粉狀物料的計量控制有著密不可分的聯系。水泥工業中粉體物料的計量控制涵蓋了現代電子稱重計量、現代控制系統工程理論和現代工藝流程設計等全方位的理論和知識。在現代新型干法水泥生產中，回轉窯窯尾生料粉輸送計量控制、窯頭和分解爐的煤粉輸送計量控制、PS、PF等水泥中粉煤灰添加的計量控制，以及在現代新型建材超細粉和添加劑的計量控制等等，對這些粉體物料的計量控制，無一不對水泥工業產品的產量、質量起著至關重要的作用。因此如何保證粉狀物料在計量控制過程中的穩定性、快速的響應能力和長短期精度，是水泥行業發展至今一直所必須面對和解決的問題。
1、 粉體特性、工藝流程與計量控制
由于通過研磨后的粉體物料與它在塊狀或散粒狀態下的物理特性有著很大的不同，因此了解粉體物料粉態下的基本物理特性以及了解現代水泥工藝過程對粉體物料倉儲、輸送的形式和特點，是粉體物料計量控制的一個重要的基礎。
在生產中，粉體物料常是貯存在料倉或料庫中，粉體物料在料倉中的貯存和卸出，都會導致粒子與粒子之間、粒子與倉壁材料之間的摩擦行為，從而構成力學現象。對于倉內整個粉體層而言，我們希望在卸出時能夠均勻地整體向下移動。這種流動形式稱為整體流，其特點是符合物料“先進先出”的原則。
但是，大多數粉狀物料的流動性受到水分和充氣的影響。通常由于物料囤積吸附水分使得粉體物料的流動性變差，表現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，流動性越差，使得倉內粉體層的流動區域常常呈現漏斗狀，即只有料倉中央部分形成料流，而其他區域的粉體或料流順序紊亂或停滯不動，產生先加入的物料后流出的“先進后出”的現象，這種流動形式稱為漏斗流。漏斗流會引起偏析、沖料、結塊、下料容重變化等不良現象，這些現象均會造成計量精度的極大誤差。另一方面，干燥或伴有氣流的粉狀物料的流動性極強，表現為物料趨于自溢（自流性），含氣量越大，其流動性越強。
水泥工業中粉體物料的過程倉儲作為整個工藝流程的一個過渡環節，對粉體物料的計量控制往往直接串級在這個過渡環節之后。因此不僅從計量控制上而且從工藝流程的要求上，都要求保證過程倉內粉體物料能夠順利卸料。過程倉內粉體物料的流動性指標是物料能否流經過渡倉順利卸料的一個重要參數。通常經過干燥的煤粉或粉煤灰基本不具有附著性，一個設計合理的過程卸料倉，間或輔以少量的倉側充氣進行“破拱”，一般倉內料拱無法形成，物料在倉內的流動通常表現為整體流，這類物料的卸料可以由物料的重力通過倉底自然卸料。然而經過研磨后的生料粉體，在常態下帶由一定的附著性，加之生料倉儲庫容較大，表現為過程倉儲時間較長，也就是實壓時間常數較大，一般來說其流動性能較差，對于這類流動性較差的粉體物料的卸料，在實際中經常采用庫側充氣破拱和庫底充氣助卸結合的方式，來保證倉內物料的順利卸料。
由于粉體物料卸料方式的不同，造成了實際粉體物料在出倉時的流動性的巨大差異，也就是計量控制設備在受料時物料的流動性差異。對于需要充氣助卸的粉體物料，充氣量的大小和氣流的速度對粉體物料的流動性影響都是非常之大的。在一些氣源變化頻繁的場合，有些傳統的粉體計量控制設備通常會產生波動，嚴重時會出現振蕩以至于無法工作。
為此，粉體計量控制的發展，也是我們從系統的角度對粉狀物料的特性及其倉儲、輸送、工藝過程充分理解和認識的發展。
2、 測量技術的發展與粉體物料的計量控制
計量控制的一個重要任務就是在單位時間內對物料質量進行測量。然而眾所周知，質量是一個特征量，它無法直接測量，以往對質量的測量往往是通過物體在重力場下的重力測量而間接求得的。
物料的計量控制如翻斗秤、失重秤、調速定量秤等絕大部分的計量設備（衡器）的測量模型多建立于杠桿原理，然而其模型，都是建立在靜力平衡的基礎之上。也有采用射線測量技術，其實際上只能測量物料流的載荷密度。在實際工業生產中，我們遇到的大多數的過程計量都是在物料運動過程中實現的，對此通常我們只能通過其他手段來降低運動過程對靜力平衡的影響或者用定性方法給予一定的補償。采用這種以靜代動的測量方法雖然可以解決大多工業過程計量問題，但從根本上說它無法解決動摩擦、本機諧振及其它振動問題對于測量的影響，因此嚴格意義上說就是沒有從根本上解決動態測量的問題。
近年來國外的一些學者為從根本上解決動態測量這一問題，開展了大量的研究工作。其基本思想就是解決用工程動力學來代替工程靜力學建立測量模型。因為動是絕對的，靜只是動的一個特例。根據牛頓第二定律F=ma如果能夠測得力F和加速度a，即可求得物體的質量m的大小，這是一個不受被測物體是靜態還是動態而且是一個不受重力場g大小影響的質量測量方法，這種測量方法被稱為動態質量測量方法。盡管動態質量測量尚處于研究階段，但其測量理論已然確立，隨著研究的深入和發展，未來的動態測量衡器將會給稱重測量帶來一場革命。德國申克公司、美國EI公司CentriFlow Meter都有基于動態質量測量原理而建模的相關產品。
目前也有用于氣固兩相混合物的流量計量設備的產品開發，所有新型計量設備的研發都給我們提供一個新的平臺，從而使粉體控制系統不斷向前發展。
3、 控制理論的發展與粉體物料的計量控制
PID回路控制著大部分工業裝置的自動化過程，水泥工業也是如此。PID（比例-積分-微分）控制作為最早的實用化的控制方法已有50多年的歷史，由于其控制方法簡單易懂，使用中不需精確的系統模型而成為工業控制中應用最為廣泛的一種控制方法。但是并不是所有的工業過程都可以用PID回路來控制。對于多變量、非線性、大滯后、強耦合、時變等復雜過程都需要或者說更適合采用其它更為先進的控制技術。大多數粉體計量控制都在不同程度上表現出非線性、滯后、時變等特性，因此對于粉體物料的計量控制僅采用常規的PID回路控制已不能滿足現代水泥工業的要求。除了對傳統的計量控制設備進行改進外，研究和應用先進的控制技術也是粉體物料計量控制的一項迫切的任務。自適應控制、魯棒控制、預測控制、智能控制等都是為解決以上復雜或特定過程而逐漸發展起來的一些控制方法。
自適應控制可以看作是一個能夠根據過程特性的變化自動調整自身特性或參數的反饋控制系統。自適應控制的形式較多，最常見有基于參數的自適應控制與基于模型的自適應。所謂基于參數的自適應就是系統根據不同的過程特性調整適合自己當前工作狀態的PID參數。而基于模型的自適應控制提供了更為精確的控制算法，其控制決策建立在對過程的經驗模型上，把輸入輸出的關系量化為一個微分方程，在連續控制過程的同時，它可以根據新的輸入輸出的數據優化和提煉模型，一個較好的經驗模型能夠產生滿意的控制效果。需要注意的是過程模型的建立需要有相當的實踐經驗，一個與實際過程相差較大時會導致系統振蕩嚴重時會失控。
魯棒控制是一個著重控制算法可靠性研究的設計方法。它適用于以穩定性和可靠性為首要目標的系統，一般要求對動態過程已知且不確定因素的變化范圍可以預估。
預測控制是一種根據預測的過程模型的控制算法，它根據過程的歷史信息判斷將來的輸入和輸出。它注重的是模型函數對于如狀態方程、傳遞函數、階躍響應等都可作為預測模型，預測控制是一種最優控制算法，它根據性能函數計算將來的控制動作。預測控制是一種反饋控制的算法，它可以補償控制誤差和在線校正系統模型參數。
智能控制是現代控制技術的一個主要研究方向，目前在過程控制領域中最為常見的當屬模糊控制和神經網絡控制。
模糊控制是基于模糊數學理論的一種控制方法，它能夠對一些無法建立精確數學模型的復雜過程進行有效的控制。模糊控制主要包括模糊化處理、模糊推理和精確控制三個環節，通常過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響應域，把這些連續的精確量離散化為適當的模糊集合語言。模糊推理就是根據一定的規則推理出模糊量。精確控制就是將模糊推理出的模糊量轉化為精確量輸出控制，轉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合組成復合控制，如模糊自適應控制、專家模糊控制、神經模糊控制等。
神經網絡控制是模擬人腦控制的一種方法，其模型是以神經元的數學模型為基礎來描述的，能夠以任意精度逼近任意連續的非線性函數，它對復雜不確定問題具有自適應和自學習能力。
控制理論的發展為我們在現有硬件平臺上提供一個廣闊的拓展空間，它極大地豐富改善了控制系統本身，使得系統精度、穩定性、響應特性等調節品質有很大的提高。
4、 粉體計量控制系統的構成
粉體計量控制系統發展至今其系統組成主要由過程（稱重）倉、（預）給料單元、計量單元、輸送及電氣控制單元組成。當然也有將給料、計量結合在一起新型測控裝置面世。
4.1 （預）給料單元
現階段（預）給料單元的設備有閥門、鋼性（或彈性）葉輪機、管式螺旋給料機、膠帶給料機、溢流螺旋給料機、轉子式給料機等。
閥門裝置簡單，在大流量的條件下，它的設備重量和動力配置較其它裝置小得多。但是閥門適于控制的線性范圍比較小，它的控制要求與液體流量計量的要求類似，因此，倉內粉體物料必須處理為“類液體”，其“粘度”必須保持恒定，從而工藝上要求最好有一個較好的流態化倉作為儲存環節。由于閥門自身的對于儲料單元的料壓變化十分敏感，它的截面選擇應合適，其工作段就維持在閥門截面面積與流量線性關系較好的一段。同時，由于閥門的開度往往是非線性的，因此必須使計量與控制之間的時間滯后盡可能地短，從而閥門利用它可以快速開啟的特點，隨著計量裝置的反饋信號快速調整閥門的開度，通過有效地控制閥門的截面積，達到穩定流量的目的。
葉輪給料機作為給料設備時，軸承的游隙，殼體與葉片之間的間隙，往往造成大量的空氣泄漏導致計量系統正常狀態的破壞。如果不能采用特殊的密封材料或特殊的結構設計使葉片與殼體間的磨損得到補償，將導致控制品質的惡化。則在實際使用中又會受到很大限制。
實際應用中為了提高管式螺旋給料機的鎖料性，管式螺旋給料機的長徑比應大于8:1，最好為10:1，其螺旋葉與管壁的間隙應小于1.5mm，在工藝設計時，可視條件，將管式螺旋給料機的軸線沿料流運動方向上仰，最大可達25°。為了控制管式螺旋給料機的長度并加大進料口的面積，相比之下，雙管螺旋給料機有著明顯的技術優勢。為了有效抑制竄料，管式螺旋給料機的進料螺旋應為變徑或變距螺旋，使其進料口處呈現整體截面下料，增加其可控性。
由于粉料與膠帶間的相對運動對計量造成的影響及防塵對環境的影響，因此膠帶給料機通常需要采用計量倉作為儲料單元，秤體密封或給料面密封，且應用于自然休止角大于25°的粉體物料，如白生料的流量控制，但通常不能應用于黑生料和煤粉的流量控制。有部分廠家采用了寬膠帶和裙邊膠帶，在一定程度上擴展了膠帶給料機的應用范圍。
溢流螺旋給料機是管式螺旋給料機的變型，其出料口向上開并有一定高度的溢流斗，依靠出料口處旋向相反的螺旋葉片的擠壓，溢流出溢流斗。但其動力消耗較大，對塊狀物料和結露比較敏感，因而只有在特殊條件下才考慮它的應用。
轉子式給料機是一些工業國家應用于煤粉給料的設備，其原理如同幾個上下疊加、進出口相接的盤式給料機。其流量的變化主要依據給料機的轉速的變化而改變，消除了倉壓及竄料的影響，流量非常穩定。但是這種給料機功耗較高，磨耗較大，維修費用高。近年來國內外部分廠家從改變結構和耐磨材質入手，降低了功耗和磨耗，大大延長了維修周期，在水泥工廠的煤粉流量計量上取得了很大的成功。
4.2 計量單元
近年來計量設備的發展很快，主要有以下幾 種：①減量式計量倉；②間歇式斗式秤；③板式流量計、科里奧利流量計；④螺旋電子秤；⑤電子膠帶秤；⑥核子秤；⑦轉子秤；⑧用于氣固兩相混合物的流量計量設備。
以上幾種計量設備除間歇式斗式秤控制比較困難，氣固兩相流量計量國內應用較少外，其余的在我國的水泥廠都有應用。
減量式計量倉：減量式計量倉采用靜態計量的方法連續計量倉重的減少量，其精度高，但設備較大，而且在進出料同時進行時無法計算，在小型工廠中很少應用，在大中型工廠多用它與其它計量設備配合使用，作為高精度的穩壓倉或其它計量設備的標定倉。
間歇式斗式秤：間歇式斗式倉實際上是雙列的小容量計量倉，由于雙列間的切換在自動化控制上可靠性較差，在我國的水泥廠應用很少。
板式流量計（沖板式、溜板式）：其體積較小，價格較低，故障率較低，使用較可靠，在計量上基本不存在時間滯后，但其精度稍差，受物料的條件（如水分、充氣狀態等）的影響，計量會出現漂移。因此多用于定值控制、控制值變化不太頻繁的場合，以及大流量的計量控制系統。在大流量控制系統通常設置計量倉，以加強沖板式流量計在運轉條件下的標定。
科里奧利流量計：其測量的效應是由物料經過旋轉著的測輪被輸送時出現的科式力而引起的，所以它必須解決兩個關鍵問題：力矩的精確測量和獲得恒定轉速的方法。隨著現代科技水平的發展，特別是傳感器技術和計算機應用技術迅猛發展，這些問題得到很好地解決，使得科式測量裝置在水泥工業中獲得廣泛的應用。與其他力學方法（如沖板系統，溜槽系統）相比，它有不受物料性質影響等獨特的優點。
螺旋電子秤：在計量物料比較穩定的條件下，精度較高，線性度較好，但其是在物料流速恒定或與荷重呈較好的線性關系的條件下設計出來的，因此當不滿足上述條件時，其精度就受到影響。另外，自身皮重較大隨震動會造成零點的漂移，粉塵的沉積和物料在葉片上的粘結也會造成零點的漂移，因此在管理上也有較高的要求。
膠帶電子秤：對于荷重的計量精度高。但其在荷重計量過程中對于膠帶和物料之間的相對運動毫無限制，為了控制粉體物料與膠帶之間的運動，要求物料的自然堆積角不小于25°，要求儲料單元料壓非常穩定，對其儲倉排氣也有較高的要求。
核子秤：該種秤通過射線穿透物料時的強度衰減，間接測量物料流的載荷密度，由于屬于無接觸計量，安裝簡單。但其實際上只能計量物料流的載荷密度，而對物料流速則無計量手段，因此只能使用在流速恒定或流速呈一定規律，流速與控制參數呈線性關系，或流速與載荷密度呈線性關系的物料流的流量計量系統中。
轉子秤：該種秤采用盤內的格式葉片推動或限制物料流的流動，因此物料流的流速與其控制參數（轉子的轉速）呈現良好的線性關系；它采用環狀天平的原理，計量精度高。而且轉子盤對于支點軸是對稱的，葉片旋轉過程中對于支點軸也是對稱的，因此盤上物料沉積，葉片上物料粘附均不會影響其計量精度。進出料口與支點在同一軸承線上，故進出料口的正負壓差也不會對計量產生太大的影響。德國的PFISTER公司的轉子秤將通常的計量與控制分由兩個設備承擔的方式，改為將計量和控制設備置于一體，變通常的控制于計量之后的時間滯后控制為流量的前置控制，不但提高了計量精度，更是大大提高了粉體流量的控制精度。
用于氣固兩相混合物的流量計量設備：其計量原理是在粉體物料的氣力輸送過程中，通過氣體流量計量和輸送含塵氣體的濃度計量來實現粉體物料流量的計量。德國的Endress+ Hauser公司曾進行過工業性試驗，但由于計量精度尚存在一些問題，至今少有應用。
4.3 幾種典型應用
初期的粉體物料系統只有給料環節，談不上計量，更談不上回路控制，一路發展而來，系統組態越來越成熟，控制越來越豐富，以下是幾種典型應用。
4.3.1帶位置控制預給料單元（V型）
位置控制預給料單元為：電動流量調節閥，氣動流量截止閥。此種方式在我國的水泥工業中應用廣泛，其大多的控制方式是根據計量單元檢測出粉體物料的瞬時（或平均）流量與設定流量的偏差通過PID或其變種算法來調節電動流量閥，使物料的流量與設定值保持一致。然而由于此類調節裝置對倉壓及粉體流動性敏感，往往導致調節時嚴重的非線性，甚至可能出現調節失控現象。從計量控制的角度上看由于調節裝置與計量裝置的分離，造成流量計測量出的偏差在調節時物理上的時滯，并且如果物料流動性由于外部因素的干擾而產生變化時，其滯后時間往往亦將發生變化，使得系統在調節時除了考慮調節裝置非線性，還將考慮它的時變性。
4.3.2帶速度控制預給料單元（S型）
速度控制預給料單元主要指螺旋喂料機、葉輪給料機等。前面已經提過，設備本身的加工精度及運轉中的磨損造成它的線性度不是很好，這種情況下，預給料單元最好僅作為粗調環節，通過計量單元的反饋來及時抑制它的非線性和時滯特性，使系統的精度指標和快速響應等指標能得到一定的改善，但它無法抑制倉內生料存儲的多少、倉充氣量的大小和氣流的速度對其的流動性影響等諸多外界因素的影響。
4.3.3帶線性控制預給料單元（L型）
線性控制預給料單元主要指轉子式給料機等。它采用多層多分格式結構，密封性能好，能有效的抑制倉內變化對其的流動性的影響，一般分為四層，第一層是承壓部，在受料的同時減少倉壓對下級的影響；第二層是打散部，使物料通過這部分后不受倉壓變化的影響，同時抑制粉狀物體的自流動；第三層是均壓部，使物料在這一層保持密度相對穩定；第四層是計量部，粉體物料的運動由這層密封的分隔轉子的轉速來決定，通過調整分隔轉子的轉速來決定喂料量的大小（即容積式計量），由此可以看出在保證物料容重一定時，喂料量與這個轉子的轉速成線性關系。如果計量單元為轉子秤則該系統在粉體控制上具有很高的計量精度和相當穩定性；如果將轉子式給料機和轉子秤更換為一臺特制的轉子秤，轉子秤的出料口直接與粉體氣力輸送系統相連，用作粉體物料的流量計量與控制，這就是德國菲斯特（PFISTER）公司轉子秤系統。由于該系統一改通常的流量控制系統的時間滯后系統為計量于控制之前的前置（PRECONT）控制系統，消除了時間控制系統通常存在的流量周期性波動現象，大大提高了流量控制精度。這種方式在喂煤系統上有著廣泛的應用。
5、 結束語
隨著計量設備技術的發展，影響粉體計量精度的原因已不再集中在計量設備本身。粉狀物料的計量控制系統是有機的整體，儲料單元、計量單元、控制單元是三個密不可分的基本單元，是保證粉體物料的流量計量的充要條件。粉狀物料基本單元及輸送環節中的物料的變化都會對流量產生影響。所以，粉體計量控制是一個系統工程，它不僅要靠調節裝置的改善和控制軟件的優化來不斷提高系統的調節品質，同時它還跟系統工藝有密不可分的聯系，只有從系統工程的角度出發，才能把握好粉體計量控制的發展方向，滿足現代水泥工業自動化大生產的要求。
