MXPA02004432A - Sistema de control para plantas de tratamiento en horno. - Google Patents

Abstract

Un regulador para una planta de tratamiento en horno, por lo regular una planta de cemento, tiene un regulador termodinamico que mide diversas variables que incluyen la temperatura de la campana del horno y una o mas concentraciones de los gases de descarga, y controla la entrada de combustible al horno para mantener la temperatura de la campana dentro de un intervalo deseado, y un propulsor principal del horno para mantener las concentraciones de gas medidas dentro de un intervalo predeterminado. La invencion incluye un regulador de la calidad que controle la cantidad de C3S presente en el clinker producido por la planta. El regulador consiste en un regulador interno que controla el contenido de cal libre en el clinker y un regulador termodinamico externo.

Description

SISTEMA DE CONTROL PARA. PLANTAS DE TRATAMIENTO EN HORNO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un método para controlar una planta de hornos y a un sistema para aplicar el método.

Durante la fabricación de cemento se utiliza una planta de hornos para convertir los polvos en estado natural en clinker que luego se tritura junto con otros materiales para producir cemento. Debido al gran número de variables que afectan el funcionamiento de la planta de hornos y la calidad del clinker, durante- muchos años se han propuesto algunos sistemas y métodos de control. No obstante, sigue siendo difícil optimizar el funcionamiento de estas plantas, particularmente debido a las variaciones en el material de alimentación, la calidad del combustible, las condiciones ambientales y otras variables.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con un primer aspecto de la invención se proporciona un controlador para una planta de hornos, el controlador comprende: un primer censor de temperatura arreglado para medir la temperatura en o cerca de la campana del horno y para generar una salida indicativa de esta temperatura; medios detectores de gases arreglados para medir la concentración en el horno de cuando menos un gas del grupo que comprende 02, NOX, SOX, y CO y para generar cuando menos una salida respectiva que indique la concentración de gas pertinente; y medios de control adaptados para recibir la salida del primer censor de temperatura y para' controlar la calidad de combustible alimentado al extremo quemador del horno para mantener la temperatura en o cerca de la campana del horno dentro de un intervalo predeterminado, el medio de control además estando adaptado para recibir cuando menos una salida del medio detector del gas y para controlar cuando menos un propulsor principal del horno para 'mantener la concentración de cuando menos un gas dentro de un intervalo predeterminado.

El controlador preferentemente además contiene un segundo censor de temperatura arreglado para medir la CD temperatura en o cerca del extremo posterior del horno y para generar una salida que indique esta temperatura, el medio de control además estando adaptado para recibir la salida del segundo censor de temperatura y para controlar la cantidad de combustible alimentada al extremo posterior del horno para mantener la temperatura en o cerca del extremo posterior del horno dentro de un intervalo predeterminado.

El medio de control además puede incluir una matriz de control que incluye valores determinativos de la relación entre una pluralidad de mediciones de la planta que incluyen la temperatura en o cerca de la campana del horno, la temperatura en o cerca del extremo' posterior del horno y las concentraciones de 02, NOX, SOX y CO, y una pluralidad de parámetros operantes que incluyen la cantidad de combustible alimentado al extremo de encendido del horno, · la cantidad de combustible alimentado al extremo posterior del horno, la velocidad del propulsor principal, la velocidad del horno, la corriente motriz principal del horno, la aumentación de polvos en estado natural, el flujo de aire enfriador y la velocidad de la parrilla del enfriador.

La invención también se extiende a un método para controlar una planta de hornos que utiliza el controlador antes descrito.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporcionan medios de control para una planta de hornos, los medios de control comprenden un controlador de la calidad exterior en cascada con cuando menos un controlador interno, en donde el controlador de calidad exterior comprende un primer controlador de realimentación estando adaptado para recibir una primera entrada de un valor establecido que indique una cantidad deseada de C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker que esté presente en el clinker producido por la planta de hornos, y una segunda entrada de realimentación que indique la cantidad real dé C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker presente en el clinker que se esté produciendo en la planta de hornos, el primer controlador de realimentación además estando adaptado para comparar la primera entrada del valor de referencia y la segunda entrada y, si difieren las entradas, para producir una salida para modificar una entrada del valor de referencia para ajustar directa o indirectamente el controlador interno a fin de ajustar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos de modo que la cantidad del C3S y/o C2S. y/o otra propiedad química del clinker en el clinker producido por la planta de hornos sea substancialmente igual a la cantidad deseada de C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker.

Preferentemente, el controlar interno es un controlador sin cal, en donde la segunda entrada del punto de referencia consiste en un punto de referencia dinámico para el contenido de cal libre del clinker hacia el controlador interno, y en donde el controlador interno esta adaptado para recibir una salida que indique la cantidad real de cal libre presente en el clinker que se esta produciendo en la planta de hornos, el controlador interno además estando adaptado para comparar el punto de referencia dinámico para el contenido de la cal libre y la cantidad real de la cal libre presente y, si estos difieren, producir una salida para modificar directa o indirectamente uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos de modo que la cantidad de cal libre presente en el clinker producido por la planta" de hornos sea substancialmente igual al punto de referencia dinámico para el contendido de cal libre.

En una primera modalidad del segundo aspecto de la invención, el medio de control todavía más puede- incluir un controlador termodinámico, en cascada con el controlador interno, en donde el controlador interno envía un punto de referencia para cuando menos una medición de la planta al controlador termodinámico, y en donde el controlador termodinámico se adapte para recibir una entrada desde la planta de hornos que indique el valor de la cuando menos una medición de la planta, el controlador termodinámico además estando adaptado para comparar el punto de referencia para la cuando menos una medición de la planta y el valor de la cuando menos una medición de la planta y, si estas difieren, producir una salida para modificar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos.

Preferentemente, el controlador interno se arregla para enviar una pluralidad de puntos de referencia dinámicos para una pluralidad de mediciones de la planta al controlador termodinámico, la pluralidad de mediciones de la planta constituyendo variables controladas y siendo seleccionadas desde el grupo que incluye la temperatura del extremo posterior, la temperatura de la campana, el nivel de CO, el nivel de NOX, el nivel de SOX y el' nivel de 02.

Los parámetros operantes de la planta de hornos pueden comprender uno o más del grupo que constituye las variables manipuladas que comprenden la alimentación de combustible total para la planta de hornos, el porcentaje de combustible alimentado a la parte posterior de la planta de hornos o cualquier otra medición obtenida o indicación del combustible que se esta alimentando a la planta, la velocidad del propulsor principal, la velocidad del horno, el flujo de aire del enfriador y la velocidad de la parrilla enfriadora. Estos parámetros se manipulan para modificar las mediciones de la planta para alcanzar los puntos de referencia respectivos, utilizando una matriz de control que incluye los valores que determinan las relaciones entre los parámetros operantes y las mediciones de la planta.

En una segunda modalidad del segundo aspecto de la invención, el medio de control todavía más puede incluir un controlador termodinámico conectado a la planta de hornos, en donde el controlador termodinámico" se adapta para recibir una entrada desde la planta de hornos que indique el valor de cuando menos una medición de la planta, el controlador además estando adaptado para comparar un punto de referencia para la" cuando menos una medición de la planta y el valor de la cuando menos una medición de la planta y, si estas difieren producir una salida para modificar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos, en donde el cuando menos uno de los parámetros operantes de la planta de hornos controlado por el controlador termodinámico es diferente de uno o más parámetros operantes controlador por el controlador de la cal libre.

El cuando menos uno o más parámetros operantes de la planta de hornos controlado por el controlador termodinámico consiste en cuando menos uno del grupo que comprende el carbón total alimentado al horno, la velocidad del propulsor principal, la velocidad del horno, la alimentación de los polvos en estado natural, el flujo de aire enfriador y la velocidad de la parrilla enfriadora y, en donde el parámetro operante de la planta de hornos controlado por el controlador de la cal libre es el porcentaje de combustible alimentado a la parte posterior del horno.

En una tercera modalidad del segundo aspecto de la invención, el controlador interno es un controlador termodinámico, en donde la segunda entrada del "punto de referencia desde el controlador de la calidad externo al controlador termodinámico es un punto de ' referencia para cuando menos una medición de la planta, y en donde el controlador termodinámico se adapta para recibir una entrada desde la planta de hornos que indique el valor de la cuando menos una medición de la planta, el controlador termodinámico además estando adaptado para comparar el punto de referencia para la cuando menos una medición de la planta y la entrada que indica el valor de la cuando menos una medición de la planta y, si estas difieren, producir una salida para modificar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos.

La cuando menos una medición de la planta puede ser una o más mediciones de la planta seleccionadas del grupo que incluye la temperatura del extremo posterior, la temperatura de la campana y el nivel de NOX.

Preferentemente, el medio de control también incluye un controlador de la cal libre arreglado para recibir una entrada del punto de referencia para el contenido de la cal libre del clinker y una entrada que indique la calidad real de la cal libre presente en el clinker que se esta produciendo en la planta de hornos, el controlador de la cal libre además estando adaptado para comparar el punto de referencia para el contenido de la cal libre y la entrada que indica la cantidad real de la cal libre presente y, si estas difieren, producir una salida para modificar directa o indirectamente uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos de modo que la cantidad de la cal libre presente en el clinker producido por la planta de hornos sea substancialmente igual al punto de referencia para el contenido de cal libre.

El punto de referencia para la cal libre puede ser recibido desde el controlador del C3S, o puede ser introducido manualmente por un operador del controlador.

El uno o más parámetros operantes controlador por el controlador de la cal libre son diferentes del uno o más parámetros operantes controlados por el controlador termodinámico .

Preferentemente, el parámetro operante controlado por el controlador de la cal libre es el porcentaje de combustible alimentado a la parte posterior del horno.

La invención también se extiende a un método para controlar una planta de hornos que utiliza el controlador antes descrito.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Figura 1 es un diagrama en bloque esquemático que muestra el arreglo básico de una planta de producción de cemento; Figura 2 es un diagrama en bloques esquemático más detallado de la planta de producción de cemento mostrando la planta de hornos de esta con mayor detalle; Figura 3 es un diagrama en bloques simplificado que ilustra los pasos básicos en la producción de cemento; Figura 4 es una gráfica que muestra un perfil de temperaturas "común a lo largo de la planta de hornos ; Figura 5 es un diagrama esquemático que ilustra la fuente de las diferentes variables verificadas utilizadas por el controlador; Figura 6 es una matriz que ilustra la relación entre las variables que utiliza el controlador; Figura 7 es un diagrama en bloque simplificado del sistema de control existente de la planta de cemento utilizada para probar el método y sistema de la invención; Figura 8 es un diagrama esquemático simplificado que ilustra la integración del controlador de la invención con el sistema de control de la Figura 7; Figura 9 es un diagrama en bloque esquemático que muestra una primera modalidad del arreglo del circuito de control del controlador de la invención; Figura 10 es un diagrama en bloques esquemático que muestra la relación entre C3S y la cal libre.

Figura 11 es un diagrama en bloques esquemático que muestra una segunda modalidad del arreglo del circuito de control del controlador de la invención; y Figura 12 es un diagrama en bloques esquemático que muestra una tercera modalidad del arreglo del circuito del control del controlador ' de la invención .

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES La Figura 1 muestra, en una forma de diagrama en bloques simplificado, el arreglo básico de una planta de producción de cemento.

El núcleo de la planta de cemento es la planta de hornos, la pieza primordial del equipo de la cual es el propio horno. El horno es la unidad de proceso principal en la cual se prepara el clinker. La planta de hornos consiste en el horno asi como otras diferentes unidades de proceso corriente arriba y corriente abajo. La cantidad de estas otras unidades que rodean' el horno depende del tipo, diseño y edad de la planta de cemento. La Figura 2 muestra una planta de hornos común 10 que incluye un horno 12 y el equipo asociado, descrito con mayor detalle más adelante.

El cemento se prepara principalmente a partir del clinker (>75%) y otros constituyentes, como greda y algunos otros extensores. La planta de cemento utiliza como sus insumos de materia prima, piedra caliza y algunos otros minerales como arcilla, pizarra y materiales que contienen óxido de hierro. Los materiales insumos se trocean, tamizan, trituran y mezclan para formar los polvos en estado natural que es la alimentación primaria de la planta de hornos. La planta de hornos produce clinker, el cual entonces se mezcla y tritura con yeso y otros extensores como escoria para formar el cemento. El proceso general se muestra en la Figura 1. El método y sistema de la invención controla solo la planta de hornos, es decir, la transformación de los polvos en estado natural en clinker, y no toda la planta de cemento.

El proceso que transforma los polvos en estado natural en clinker en la planta de hornos se denomina "combustión" o sinterización y es básicamente un proceso de múltiples etapas que utiliza principalmente aire caliente para efectuar las transformaciones químicas y metalúrgicas necesarias en los polvos en estado natural. La mayor parte de las transformaciones del proceso toma lugar en el horno 12 que por lo regular es un tubo de < acero lentamente rotatorio de 3 a 5 m de diámetro y con una longitud en el intervalo desde 50 hasta 250 m y por lo regular alrededor de 80 m. El tubo esta' inclinado en un ligero ángulo hacia horizontal. Los polvos en estado natural se mueven a través del horno en virtud de la rotación del tubo, con lo cual el material se , desplaza lentamente o se desliza hacia abajo del horno debido a su inclinación a la horizontal.

En hornos más viejos y sencillos todas las transformaciones toman lugar en el horno. En plantas más modernas, la primera parte del proceso por lo regular toma lugar en una unidad corriente arriba denominada precalentador o precalcinador 14, donde toma lugar el precalentamiento, secado y calcinación. Este proceso se muestra en la Figura 3. El proceso de 'formación de clinker real asi como algo de calcinación entonces toma lugar en el horno. El objetivo de dividir el proceso en la configuración precalentador/calcinador más horno es obtener mejores eficiencias térmicas y ventilar menos calor como desperdicio. La planta de cemento a la cual se aplican el método y sistema prototipo de la invención utiliza un precalentador.

La siguiente descripción se aplica a la planta de hornos prototipo y se apreciará que es posible establecer algunos cambios para llevar a cabo la invención en un horno que opere de modo diferente.

Con relación a la Figura 2, los polvos en estado natural que se utilizan como material de alimentación para el horno se obtienen mezclando las materias primas de pilas de almacenamiento 30 en una planta proporcionadora 32, desde donde estos son alimentados a un molino 34 que tritura los polvos en estado natural. Los polvos en estado natural se almacenan en un silo mezclador u homogeneizador de polvos en estado natural 36 y son alimentados por medio de un transportador alimentador de los polvos en estado natural 38 de la planta de hornos 10 al precalentador/precalcinador G4.

En general e independientemente del ordenamiento físico de la planta de hornos, el primer proceso es el secado y calentamiento de los polvos en estado natural a aproximadamente 800°C hasta 1000°C, donde se elimina toda la humedad, la libre e inherente en los polvos en estado natural. Además, ciertas reacciones químicas comienzan a tomar lugar donde, por ejemplo, el carbonato de calcio y cualquier carbonato de magnesio en los polvos en estado natural se separan en óxidos de calcio y magnesio y dióxido de carbono que sale con los gases (denominado "calcinación") . Las reacciones involucradas son endotérmicas. En el caso de una planta configurada con precalentador, estos materiales calcinados o parcialmente calcinados entonces se alimentan al horno en el "extremo de alimentación". Este material se desliza lentamente hacia abajo del horno hacia una flama ubicada en el otro extremo del horno denominado el "extremo de encendido". Este proceso también toma lugar en- un precalcinador colocado en paralelo a los precalentadores .

A medida que aumenta la temperatura la alúmina y los óxidos de hierro en el material comienzan a reaccionar con el óxido de calcio para formar aluminatos de calcio, principalmente C3A, y aluminoferritas de calcio, por lo regular C3AF. Estos materiales tienen un punto de fusión relativamente bajos y forman un fundido o liquido en la mezcla de material denominado fundente. La presencia de este fundido ayuda a reunir las partículas sólidas de óxido de calcio y las partículas de sílice y silicatos sólidos para reaccionar para formar silicatos de calcio. Inicialmente todo el sílice se convierte en silicato dicálcico (C2S), y en silicato tricálcico (C2S) . Este último proceso es principalmente un proceso exotérmico.

Las reacciones del silicato finales toma lugar en la zona de combustión del horno donde se ubica la flama y donde las temperaturas son de aproximadamente 1 00-1500°C. Las reacciones toman lugar con el material en una forma parcialmente fundida que en ocasiones se denomina aglomeración o sinterizacion.

El clinker que sale del horno esta muy caliente, aproximadamente a 1300°C, y necesita ser enfriado a la temperatura ambiente. Esto se hace en una ¦ unidad enfriadora 16 que utiliza uno o más ventiladores 18 y que esta corriente abajo del horno. El enfriador en la planta prototipo fue un enfriador emparrillado. Se pueden utilizar otros diferentes tipos de enfriadores, por ejemplo, enfriadores planetarios. Los enfriadores planetarios no tienen ventiladores separados como los enfriadores emparrillados.

El calentamiento del horno se realiza inyectando carbón u otros combustibles (por ejemplo, petróleo llantas, gas, materiales de desecho) n el horno y luego quemando este combustible para crear calor a partir de una flama grande. La combustión del combustible se hace autónoma una vez que el horno ha llegado a una temperatura suficientemente alta. La inyección de combustible puede hacerse en ambos extremos del horno, pero el principal punto de entrada de carbón (combustible) es en el "extremo de encendido" del horno. Para mantener constante el proceso de combustión, debe succionarse aire a través del horno para proporcionar oxígeno. Esto se realiza mediante un propulsor principal en forma de un ventilador extractor (ID ventilador) 20 que esta conectado al horno a través de conductos y tubos. Si se utiliza un precalentador o precalcinador, entonces estas unidades están situadas entre el ventilador ID y el horno, de modo que el aire es arrastrado a través del horno, después al precalentador/precalcinador y por último a través de propio ventilador ID. Después de salir del ventilador ID el aire pasa a través de un sistema desempolvadór como un precipitador estático 22 luego se ventila a la atmósfera ^ a través de una chimenea 24.

El aire arrastrado hacia el horno viene de dos fuentes principales, el aire principal siendo aire inyectado por un ventilador primario 26 con el carbón que esta siendo transportado neumáticamente ' desde una planta de carbón 28 y se inyecta al horno, y el aire secundario que es arrastrado desde el enfriador 16. El aire del enfriador es caliente debido al proceso de intercambio térmico que toma lugar entre el clinker caliente que se alimenta al enfriador, y el aire del enfriador (temperatura ambiente) que es arrastrado o soplado al enfriador.

El enfriador puede tomar diversas formas pero el enfriador que se utilizó para probar esta invención fue un enfriador emparrillado que tiene diferentes ventiladores bombeando aire ambiente hacia el enfriador.

Se entenderá desde la descripción anterior que hay un flujo a contracorriente de aire respecto al flujo de material en la planta de hornos. Este flujo de aire de este modo es como sigue: el aire entra al enfriador, el cual se calienta por el clinker caliente que sale del horno. Este aire calentado, denominado "aire secundario", entonces se alimenta al extremo de combustión del horno donde ayuda en el proceso de calentamiento y combustión en el horno. Este aire calentado se vuelve más caliente y luego sale del horno donde, si se utiliza un precalentador o precalcinador, se alimenta a estas unidades para efectuar el proceso de calcinación y secado en este.

El aire caliente que sale del horno .se utiliza en el precalentador y/o precalcinador para pr calcinar, calentar y secar los polvos en estado natural, donde a través del proceso de intercambio térmico en el precalentador el aire se vuelve cada vez más frío. El aire sale del precalentador a aproximadamente 300°C. Esta salida de aire entonces posiblemente se utiliza en cualquier parte de la planta para secar material en los polvos en estado natural o las plantas de carbón antes de finalmente ser alimentado a un sistema de desempolvado y luego ser ventilado a la atmósfera. Con plantas sin precalentadores ni precalcinadores, los intercambiadores de calor en la forma de cruces/cadenas/elevadores que normalmente están en forma de placas de acero o cadenas de acero adaptadas en el interior del extremo de alimentación" del horno, se utilizan para efectuar el intercambio de calor. Este aire que sale también sale a aproximadamente. 300°C antes de ser alimentado al sistema de desempolvado.

En general, los operadores controlan la planta de hornos ajustando el comportamiento de un número de unidades o piezas del tipo en la planta en respuesta a los estados de la planta. El conocimiento de los estados de la planta es inferido por los operadores a partir de la información que muestra el sistema de supervisión, control y adquisición de datos de la planta (SCADA) , el sistema de control distribuido (DCS), u otras formas de instrumentación eléctrica.

La información es alimentada al sistema SCADA por diferentes censores instalados a lo largo de la planta. Estos censores proporcionan información sobre el estado de diversas piezas del equipo, asi como el estado de los procesos que se llevan a cabo. Principalmente, el sistema SCADA proporciona un panorama o "ventana" a la planta de hornos, mostrando datos en la forma de iconos, tablas, gráficas o dibujos. El sistema SCADA también proporciona los medios con los cuales los operadores cambian o controlan los diversos equipos, encendido o apagando equipo, arrancado o interrumpiendo secuencias o proporcionando puntos de referencia a las diferentes piezas de equipo.

Los operadores tienen que realizar diversas tareas de control, siendo estas el control de la planta desde el punto de vista mecánico y de seguridad, ¿si como el control de la planta en términos de producción y calidad.

No obstante, se sabe que algunas fuentes de calor en el horno, a saber, desde la flama ubicada en la campana del horno, de las reacciones químicas exotérmicas y el calor recuperado del enfriador hacen muy difícil el control termodinámico de la planta de hornos es el control de la planta de hornos para tratar de mantener la producción eficiente y la calidad del clinker como antes se describió. De este modo, el objetivo primordial del control termodinámico es producir continuamente clinker que cumpla las especificaciones de calidad, y al mismo reducir los costos de producción a través de la reducción al mínimo del consumo de combustible y los esfuerzos mecánicos de la planta, en particular los refractarios del horno. Este propósito se consigue controlando el estado termodinámico de la planta de hornos. La planta de hornos incluye el enfriador, horno, precalentador y, si existe, el precalcinador . Cuando el controlador termodinámico esta controlando el estado termodinámico o el perfil de la planta de hornos, entonces pueden cumplirse otros objetivos de mayor nivel del controlador total, es decir, la calidad del clinker puede ser controlada.

Un primer aspecto de la presente invención, por tanto, es la disposición de medios de control para regular la termodinámica de la planta de hornos" El control termodinámico de la planta de hornos se consigue observando los estados de la planta a través de mediciones con censor, y luego ajusfando el comportamiento de las unidades de la planta para mantener las condiciones termodinámicas correctas para, a su vez efectuar el proceso de calcinación y formación del clinker correcto. Al mismo tiempo, debe mantenerse la máxima producción y reducirse al mínimo los diferentes costos.

La indicación más directa del estado termodinámico de la planta de hornos es el perfil de temperaturas a lo largo de la planta de hornos, la cual incluye el horno y unidades corriente arriba y corriente abajo del horno, es decir, el enfriador, precalentadores y precalcinadores . Este perfil de temperatura puede abarcar desde una indicación en un solo punto hasta una indicación en múltiples puntos del perfil. Un perfil de temperaturas más simple (no a escala) se ilustra en la Figura 4.

En general, hay demasiados factores que el operador debe tomar en cuenta en todo momento cuando intenta controlar manualmente la planta de hornos, y de este modo la optimización es prácticamente imposible de" lograr manualmente. En ocasiones se logra algún funcionamiento en estado estacionario aceptable, donde el horno funciona adecuadamente en términos de rendimiento y calidad. Esto es relativo para el estándar actual de la operación del horno, el cual se basa en el control manual y parcialmente automatizado.

La dificultad en el control manual se debe en parte a la dificultad para averiguar lo que sucede dentro del horno, desde el punto de vista del proceso y metalúrgico. Este es un problema general, el cual se acentúa especialmente en sistemas de temperatura alta donde no existe medición de temperatura industrial, continua, directa. Esto no solo incluye las condiciones termodinámicas reales, sino los estados metalúrgicos y físicos reales del material que se esta convirtiendo en clinker, así como el estado del recubrimiento que se adhiere a los ladrillos refractarios del horno. Actualmente se considera que la instrumentación ' alrededor del horno es suficiente para permitir suposiciones válidas y correctas acerca de la termodinámica y el proceso de producción del clinker en el horno.

Además, las mediciones de laborat.orio en general requieren intensa mano de obra y estas mediciones de la calidad solo están a la disposición aproximadamente una hora después de que se tomó la muestra. En la planta que se utilizó para probar la invención la' recolección de las muestras y la mayor parte de los análisis son automatizados, además del muestreo y análisis manual. El análisis de laboratorio también se realizó en los polvos en estado natural alimentados al horno, asi como en el carbón que se utiliza para el calentamiento. De nuevo estas mediciones solo están disponibles algún tiempo después de que se toman las muestras.

Además, el cambio en las condiciones termodinámicas en el horno para compensar la fuente del problema también toma tiempo. El hecho es que los resultados de algunas acciones de control tardan segundos en manifestarse, pero en otros casos tardan 20 minutos hasta una hora. En particular, los cambios al estado del gas o aire del horno se manifiestan en un tiempo relativamente rápido (del orden de segundos) , mientras que los cambios a la termodinámica o el estado de la temperatura se manifiestan en un tiempo relativamente lento (del orden de minutos) , y los cambios en la calidad o el estado metalúrgico, es decir, cal libre y C3S, se manifiestan todavía más lentamente (en el orden de una hora) .

Además de esto es el hecho que existe un retraso antes de un cambio de temperatura en una parte del sistema, por ejemplo, en el enfriador o el horno, tiene un efecto que se observa en el precalentador, y viceversa. Además hay retrasos intrínsecos causados por el flujo de material en el horno y el enfriador.

Los retrasos asi además complican el . control de la planta de hornos en cuanto a que los operadores tienen a tomar acción demasiado tarde para compensar disturbios .

El horno experimenta diversos trastornos importantes durante el funcionamiento. Estos trastornos incluyen: (1) atizamiento del "fuego" en el cual se abren las puertas de inspección en él tubo elevador en el extremo de alimentación en la base de los precalentadores, u otras partes de los precalentadores, y se utilizan chorros de aire y/o agua fría para introducir choque térmico y neumático a los depósitos y acumulación de materiales que tienen que ser limpiados para permitir el flujo continuo y libre del material parcialmente calcinado desde los precalentadores hacia el horno. (2) "caída del recubrimiento" donde parte del recubrimiento del clinker en el horno cae a los revestimientos internos o ladrillos 'refractarios en el horno provocando un aumento inesperado en el flujo de material muy caliente hacia el horno..

Estos tipos de trastornos causan grandes disturbios térmicos en la planta de hornos como un todo, y son muy difíciles para controlar manualmente. Por tanto, por lo regular se origina la producción de una gran cantidad de material fuera de especificaciones, así como trastornos termodinámicos que pueden durar hasta algunas horas.

Así pues, se apreciará que todos los factores anteriores tomados juntos hacen muy difícil el control eficiente del horno para conseguirlo manualmente o utilizando los controladores parcialmente automatizados disponibles en la actualidad.

En un primer aspecto de la presente invención", se ha implementando un nuevo tipo de controlador de horno que se enfoca en el control de la termodinámica del horno para controlar eficazmente la calidad y el rendimiento del horno.

Con relación nuevamente a la Figura 4, él perfil de temperatura a lo largo del horno es determináda a partir de los censores de temperatura que se arreglan idealmente en intervalos desde el enfriador hasta el precalentador a lo largo de la longitud física de la planta de hornos. Los censores por lo regular son termopares, pero pueden ser cualquier otro tipo de censor de temperatura, como los pirómetros.

Las temperaturas medidas también pueden obtenerse utilizando, por ejemplo, un promedio u otra clase de temperatura filtrada o derivada matemáticamente que indique el estado termodinámico del horno en las cercanías de la campana del horno o donde se hagan las mediciones.

Es preferible tener más censores disponibles para proporcionar un perfil de temperatura más preciso. No obstante, si no se conoce el perfil o la forma de la temperatura precisa, es posible que el control del horno se limite al número de controles termodinámicos disponibles .

Cuando solo se utiliza un censor, esté censor medirá la temperatura de la campana en el horno, que es la medición de temperatura más importante. No obstante, el número preferido de censores es cuando menos, dando dos grados de libertad en términos del control del perfil de la temperatura. Para un perfil de temperatura de dos puntos se requiere otra medición de temperatura en el extremo de alimentación de la planta de hornos, como puede ser en el extremo posterior o el extremo de alimentación del horno. Si existe un sistema precalentador, se puede colocar un detector en el mismo punto en el sistema precalentador, o en la parte superior del precalentador.

Para conseguir el control termodinámico de la planta, las fuentes y disipadores de energía dentro de la planta deben estar controlados de modo que exista un equilibrio térmico óptimo en el horno, lo cual a su vez requerirá la cantidad mínima de energía para efectuar la producción correcta del clinker que cumpla con los requisitos mínimos de calidad. Así pues, se reduce al mínimo la energía para la entrada de la alimentación del carbón, la recuperación del calor secundario de los enfriadores se aumenta al máximo y, con un enfriador emparrillado, se ventila una cantidad mínima de energía o calor del extremo posterior del enfriador a través del ventilador ID del enfriador a la atmósfera.

El calor y por tanto el perfil de la temperatura en la planta de hornos se controla, de acuerdo con la presente invención, utilizando un controlador termodinámico de múltiples variables, el cual tiene un número de variables controladas así como un número de variables manipuladas. Las variables controladas por lo regular son un número de variables de proceso que dan información y conocimiento del estado del horno.

En el sistema prototipo, el controlador termodinámico fue instrumentado como una matriz de control 6x5, es decir, pares de control de entrada única, salida única (SISO) de 6x5, donde cada par o elemento de la matriz consiste en una variable controlada (CV) 52, y una variable manipulada o perturbada (MV ó DV) 53. La Figura 5 muestra como un esquema la fuente de las variables pertinentes. La matriz de control se ilustra en la Figura 6.

Las variables controladas y manipuladas configuradas en la planta de prueba donde: Variables controladas (CV) 1. Temperatura de la campana (THood) . La temperatura de la campana se mide cerca del extremo " de encendido del horno, y es un indicio de la temperatura del aire, etcétera, cerca del extremo de encendido del horno. Esta temperatura puede ser el valor exacto como se mide, o puede ser un valor obtenido de diversos censores de temperatura que dan la misma información de temperatura o similar. Durante el funcionamiento normal esta temperatura seria entre 800°C a 1200°C, por lo regular 1120°C.

Una temperatura en el extremo posterior (Tback) . Esta temperatura se mide cerca del extremo de alimentación del horno, o en un punto en la planta de hornos que sea indicativo de la temperatura del aire de salida de la planta de hornos y que de este modo es un indicio de la calidad de la transferencia de calor que tiene lugar dentro de la planta de hornos. Para la planta en materia esta es óptimamente la temperatura superior del precalentador, en vista de que la selección de la medición cerca del extremo de alimentación del horno ignora la transferencia del calor que tomar lugar en el precalentador o precalcinador . Nuevamente esta medición puede ser una medición obtenida de otras diversas mediciones de temperatura. Durante el funcionamiento normal este valor es entre 250 °C a 350°C, por lo regular 305°C.

O2 (%) . Esta es la medición de la concentración de oxigeno en el horno, y es un indicio del proceso de combustión en el horno. Durante el funcionamiento normal, el valor es entre 2 a 5%, por lo regular 4%.

NOX (ppm) . Esta es la concentración de NOX en el aire que sale del horno y se produce en la flama, y por tanto es un indicio de la temperatura de la flama. Este valor de la medición podría ser entre 300 a 2,000 ppm, y es por lo regular 700 ppm. Debido a problemas con la calibración, el valor relativo de esta medición es más importante que su valor absoluto.

CO (%) . Esta es la concentración de monóxido de carbono o CO en el aire de salida del horno. Un valor normal es aproximadamente 0.03%. Esta variable controlada es muy importante en vista de "que si es demasiado alta puede haber peligro de explosiones en el precipitador, y así esta CV tiene que ser supervisada con mucho cuidado.

Se considera que la concentración de SOX también podría utilizarse como una variable controlada.

Variables manipuladas (MV) o variables perturbadas (DV) El flujo total de carbono (Ctot) . Este es el flujo de masa total del carbón que esta siendo bombeado hacia el horno desde el extremo de. encendido y el extremo de alimentación, por lo regular 10 a 12 toneladas por hora (tph) para la planta de hornos ob eto. % carbono a la parte posterior (% Cback) . Este es el porcentaje del carbono total que se bombea al extremo de alimentación o posterior de horno. El porcentaje abarca desde 5 hasta 15%, por lo regular 12%, y es dependiente del tipo de horno.

Velocidad del horno (Spd) . La velocidad rotacional del horno que es 1 a 3 rpm, por lo regular 1.6 rpm. La alimentación o alimentación de los polvos en estado natural al horno esta vinculada con la velocidad del horno y por lo regular es en el intervalo de 50 a 400 toneladas/h o más.

Velocidad del emparrillado (Grate) . La velocidad del emparrillado es la velocidad del primer motor del emparrillado en el enfriador emparrillado. Esta se expresa como porcentaje de la velocidad máxima de la parrilla .

Flujo de aire del enfriador (FanC) . Una cifra del flujo de aire obtenida medida en m /h que podría ser la suma o promedio de un número de sistemas de ventilación del flujo de aire bombeando aire hacia el enfriador. El valor para la planta objeto es el total de tres velocidades de flujo del ventilador de aire, los cuales todos están bajo el control PID. Si el control PID de alguno cae fuera, entonces el sistema puede adaptarse para no considerar este ventilador y utilizar cualquiera de los otros. Estos flujos de aire son tres de aproximadamente 20 ventiladores ubicados en el enfriador, y son aquellos considerados por el personal de a planta como los que tienen mayor influencia en términos de enfriamiento .

Velocidad del ventilador ID (ventilador ID) . Velocidad relativa del ventilador ID a su velocidad máxima. El ventilador ID normalmente es un ventilador de velocidad variable. Si el ventilador ID no es un ventilador de velocidad variable, entonces puede utilizarse Ta colocación de un regulador de tiro, es decir, está variable tiene que ser algo que proporcione control directo de la cantidad de aire que se arrastra hacia el horno.

Las MV y CV no están necesariamente limitadas a las anteriores y pueden ampliarse, o pueden ser más pequeñas. Por ejemplo, en algunos hornos no hay encendido en el extremo posterior, y algunas plantas tienen un ventilador ID de velocidad fija, de modo que se utiliza una disposición de regulador de tiro del ventilador ID. Otro ejemplo donde se utiliza un subconjunto es donde la planta no tiene todos los analizadores de gas disponibles. Cuando, por ejemplo, no esta disponible la lectura del NOX, las celdas del controlador relacionadas con esto pueden hacerse "inactivas" apagando estas celdas de modo que esta CV se elimina eficazmente de las diferentes ecuaciones optimizantes que están siendo solucionadas. Esto puede hacerse estableciendo los factores de ponderación para NOX a cero.

El contenido de cada matriz de celda en la Figura 6 es una descripción matemática de la interacción de cada CV con la MV ó DV adecuadas, por ejemplo, como responderá la temperatura de la campana a un cambio en la entrada de c3-5"-carbón total. Estas descripciones son descripciones actualmente basadas en el tiempo, y se obtienen mediante los primeros principios, o de manera automática utilizando el controlador u otro "equipo de herramientas fue de línea" donde la respuesta característica se c obtiene automáticamente de los datos capturados de la planta. Hay otros medios para especificar la respuesta característica de una variable particular a otra, y esto podría ser la "S" o dominios de frecuencia, por ejemplo. Estas descripciones de respuesta por lo regular son respuestas de primero o segundo orden, con retrasos de tiempo. Las ganancias de las respuestas se obtienen automáticamente utilizando el kit de herramientas del controlador o pueden especificarse manualmente. Cada celda tiene una curva de respuesta con el tiempo, la magnitud de la respuesta, es decir, el punto inicial y el valor en el estado estacionario final siendo la ganancia.

El valor de ganancia de cualquier celda podría ser constante, lineal o incluso una función de una o más de otras variables.

Cada una de las cinco variables controladas tiene una relación con cada una de las seis variables manipuladas, haciendo al controlador un controlador de múltiples variables. Si se mueve una variable manipulada, es decir, el carbón total, esto tendrá un efecto en cada una de las cinco CV. El objetivo del controlador es permitir una disposición de un valor deseado para una variable objetivo, y luego permitir al controlador manipular las variables manipuladas en tal forma que estas no se muevan desde sus objetivos y se mantengan dentro del intervalo permitido. Asi pues, tenemos un controlador termodinámico, conceptualizado como una matriz 6x5 de variables manipuladas y controladas interactuando .

Aunque la matriz anterior podría implementarse utilizando diversos paquetes de software, el controlador en la planta de prueba se implemento utilizando el software "Process Perfecter" (marca registrada) de Pavilion Technologies.

En términos del uso del Process Perfecter para el controlador no lineal de múltiples variables, la matriz de 30 relaciones tiene que ser definida, de modo que el controlador sabrá que si se mueve una variable manipulada en cierta forma, entonces las variables controladas responderán en un modo conocido y específico. Esta relación es la única respuesta de única salida, única entrada de la variable controlada a la variable manipulada.

Para hacer que funcione el controlador tiene que realizarse un procedimiento de identificación del sistema que identifique las 30 relaciones. Hay dos formas para hacer que esta identificación del sistema. Estas son realizar la identificación de modo automático utilizando el módulo "auto identificación" del Process Perfecter, o utilizar la experiencia y los primeros principios para obtener las relaciones. Estas relaciones entonces se especifican como una variedad de respuestas de primero o segundo orden. Si no hay relación entre una variable manipulada y controlada, entonces decimos que el modelo que representa este par es cero. El uso de pruebas de pasos en la planta puede utilizarse para crear datos de las pruebas de pasos para utilizarlos para obtener las relaciones mediante uno de los medios anteriores*.

Estas relaciones se dan como una serie de parámetros, los cuales pueden ser graficados como una respuesta de tiempo, donde el eje x es el tiempo y el eje y es la magnitud de la respuesta dé la variable controlada a un movimiento gradual en la variable controlada. El modelo para la respuesta del tiempo de cada par de variables manipulada/controlada esta representado por una respuesta de tiempo sobre un cierto intervalo de tiempo y con la planta realmente utilizada como intervalos de 110 tiempos, donde cada intervalo ha sido elegido como un minuto. El intervalo de tiempo de un minuto fue elegido como resultado de un estudio en el que se observaron las constantes de tiempo generales en los procesos de hornos, y los operadores y expertos observaron con qué frecuencia estos hacen cambios al horno, y que tan rápido reacciona el horno. Desde luego, el número de intervalos de tiempo y la duración del intervalo de tiempo podría variar de acuerdo con los requisitos de control y la caracterización del proceso del horno específico siendo automatizado.

Además, para los propósitos de simplificación, las variables asociadas con el controlador termodinámico pueden dividirse conceptualmente en variables "gas" y "termodinámica".

Los estados o variables del gas se" refieren ' a las presiones de gas, flujos de aire, velocidades de ventiladores y composición de gases. El estado termodinámico se refiere a las temperaturas, y los estados mecánicos al horno, que están indicados principalmente por temperaturas, flujos de masa, velocidades del horno y torque del horno' que están indicadas a su vez por la corriente motriz principal del horno. La razón de esta clasificación es que la dinámica de gas es más rápida que las otras respuestas termodinámicas y asi algunas de las dinámicas son más fáciles de comprender en este sentido.

Todas las variables son, en efecto, variables termodinámicas.

La corriente motriz principal del horno también es un indicador del estado termodinámico y el proceso de formación del clinker dentro del horno. La corriente motriz principal es proporcional al torque necesario para impulsar el horno, el cual es, a su vez, indicativo de la cantidad de material y revestimiento del clinker dentro del horno, también siendo indicativo de cómo se distribuye el recubrimiento y el revestimiento de ladrillo alrededor de la cubierta interna del horno. Asi pues, la corriente motriz principal del horno puede utilizarse como una variable de perturbación en el controlador termodinámico. En el sistema prototipo esto se tomó efectivamente en cuenta como un trastorno no medido, pero también puede tomarse en cuenta como un trastorno medido.

Las ganancias de las respuestas del controlador termodinámico prototipo se resumen en la matriz de ganancias.

Las celdas grises indican que, para esta versión particular del controlador, ningún modelo ha sido incluido por las siguientes razones posibles: a) Conocimiento y experiencia, -pruebas graduales, etcétera han mostrado que no hay relación entre la variable controlada y manipulada especifica, o que la relación es tan débil que, quitándola no se tiene un efecto apreciable en el funcionamiento del horno. b) La experiencia y las pruebas del controlador han mostrado que hay movimientos conflictivos que se hacen por parte del controlador cuando el modelo en esta área es activó, causando de este modo oscilación, o inestabilidades en el control del circuito cerrado de la planta de hornos. Un ejemplo es el uso del flujo de carbón total y el ventilador ID para controlar la temperatura de la campana.

Una vez que estas respuestas elementales de la matriz han sido especificadas estas pueden cambiarse o modificarse como surja más conocimiento o información, permitiendo asi mejoramientos en incrementos o cantidades al controlador conforme se obtiene experiencia. Además, el controlador puede ser extendido o contraído como surjan las circunstancias. Por ejemplo, . un controlador pequeño (5x4) puede obtenerse para una planta de hornos que utilice enfriadores planetarios sencillos. No obstante, si se modifica la planta para utilizar enfriadores emparrillados, entonces la matriz control puede extenderse para incluir más CV y MV según sea aplicable, por ejemplo a una matriz (6x4) .

Se debe señalar que los valores absolutos de las diferentes variables no son tan importantes 'como los valores relativos de las diferentes variables controladas y manipuladas entre sí. De este modo es importante que estas variables mantengan estas ganancias relativas.

En el controlador prototipo, la supervisión del perfil de temperatura se hizo utilizando una lectura de temperatura indicativa de las dinámicas de la temperatura en las cercanías de la campana, así como una lectura de temperatura que indica la temperatura en el extremo de la planta de hornos o en alguna parte de en medio. Como se puede observar a partir de la matriz control, el carbón o el combustible que se alimenta al horno es la "manija" principal que se utiliza para controlar el perfil de temperatura. Esto requiere control del flujo de masa del carbón que se alimenta al extremo de encendido del horno.

El control del proceso de combustión en el horno se realiza supervisando los estados de los gases <_½, CO y NOX del horno. Las concentraciones de O2 y CO dan un indicio de que también se esta llevando a cabo el proceso de combustión. Si el CO es demasiado alto significa que posiblemente no es suficiente O2, etcétera. El NOX es indicativo de la temperatura real de la flama, y esto también podría ser indicado por un pirómetro en el i-extremo de alimentación de horno, así como de la propia temperatura real de la campana. En algunos casos pueden no estar disponibles instrumentos censores, y el controlador de este modo se afina o configura en el momento de la corrida para ignorar la lectura particular y no tomar en cuenta la CV del gas particular.

El principal medio para controlar el proceso de combustión es controlar la cantidad de aire que se arrastra a través del horno. Esto se hace principalmente controlando el ventilador ID que, si es un ventilador de velocidad variable, se hace controlando su velocidad. Por lo regular hay válvulas de aire o reguladores de tiro corriente arriba o corriente abajo del ventilador ID, y estas también pueden utilizarse para controlar el flujo de aire del horno. Estos reguladores de tiro deben utilizarse si el ventilador ID no es un ventilador de velocidad variable sino un ventilador de velocidad fija.

La velocidad del emparrillado se ajusta para cambiar la profundidad del clinker caliente en la parrilla y asi la cantidad de aire y el grado de transferencia de calor que tomar lugar entre el aire, enfriador y el clinker caliente. Esto tendrá un efecto importante en el perfil de temperatura del horno.

Un enfriador emparrillado tiene cuando menos una (por lo regular dos) variables manipuladas (MV) asociadas, importantes que se utilizan para controlar el flujo de aire secundario desde" el enfriador al horno. Esta MV se utiliza principalmente como una manija de enfriamiento en el horno, contrario al carbón que se utiliza como una manija de calentamiento.

El flujo de aire también puede ser controlado variando la alimentación del aire primario en el horno, lo cual puede ser parte del sistema de encendido del horno, en vista de que el carbón por lo regular se alimenta al horno en forma neumática. De otro modo, esta alimentación de aire primario puede ser separada del propio sistema neumático del horno. No obstante, este flujo de aire, en general, no se utiliza realmente en vista de que su contribución al flujo de aire total puede ser casi insignificante.

El control anterior del enfriador cambia dependiendo del enfriador particular y el controlador que puede ser suministrado con el enfriador. De este modo el control esta por encima y sobre otros circuitos de control independientes que estén activos en el enfriador de modo que estos efectúan control de presión y trabajan para crear diversas zonas o sacos de aire dentro del propio enfriador .

La velocidad del horno esta directamente acoplada a la velocidad de alimentación de los polvos en estado natural a través del sistema de control de la planta. Este acoplamiento es un controlador de la relación directa que permite al operador seleccionar una velocidad de producción, y el sistema de control entonces seleccionará automáticamente la velocidad del horno correcta para la relación de la velocidad de alimentación de los polvos en estado natural, para permitir el control de la profundidad correcta del lecho en el horno. Esta profundidad del lecho o el nivel de material en el horno tienen un nivel óptimo para la producción del clinker correcta y óptima.

En el sitio de pruebas, la velocidad del horno fue configurado como una variable de disturbio (DV) que se establece independientemente por el operador para cumplir ciertos objetivos de producción, y que el controlador del horno toma en cuenta automáticamente debido al hecho de que existe acoplamientos cruzados en la matriz de control que vinculan la velocidad del horno con algunas otras variables controladas y manipuladas. Esto permite al operador acelerar la producción y el sistema toma en cuenta automáticamente los desequilibrios termodinámicos resultantes que 'se originen debido al aumento o disminución de la velocidad del horno.

En una variación del esquema dé control, la velocidad del horno y la velocidad de ' alimentación podrían desacoplarse y ser tratadas como MV separadas.

Como se puede observar de lo anterior, el principal medio de control termodinámico del horno es a través del ajuste del siguiente equipo y disposiciones: velocidad del ventilador ID, la velocidad del horno, la velocidad de flujo del carbón que se alimenta al horno en ambos extremos, y en el caso de solo ciertos enfriadores la velocidad de los enfriadores, y la velocidad de flujo de masas de aire hacia el enfriador. Hay otros elementos del equipo que pueden utilizarse, pero estos dependen del diseño físico real de la planta, y generalmente se establecen en un cierto estado fijo y se dejan operar en un modo constante.

La mayor parte de las plantas de hornos actuales tienen diferentes controladores a nivel base que realizan alguna forma de control automático. Estos controladores de la capa base se basan en controladores fuera de gaveta estándares de la industria que implementan controladores PID (Proporcional, Integral y Derivada) . En la planta objeto en particular estos controladores garantizan que, en general: Los alimentadores de peso alimentan de acuerdo con puntos de referencia deseados; El horno y los ventiladores ID mantienen una velocidad deseada; Los ventiladores enfriadores envían la cantidad correcta de aire a un punto de referencia 'dado. (Hay aproximadamente 20 PID en el enfriador en la planta objeto) ; La presión en la campana del horno se obtiene en un valor determinado. Esto se efectúa ajustando la velocidad del ventilador de escape del enfriador; y La velocidad del enfriador permanece en el objetivo. t-.

Todos los puntos de referencia para ' estos controladores PID por lo regular los establece el operador, y se ajustan en forma continua de acuerdo con los objetivos de la producción.

Para que el controlador termodinámico sea integrado en la planta y opere deben ser alimentadas todas las variables importantes en la planta, y también debe ser capaz de enviar instrucciones de control variables de regreso a la planta. El controlador asi esta conectado a la planta por los sistemas de control de la planta que en el presente caso se basan en un producto de control denominado "KICS" (Knowledge, Sistema de Control Inteligente y Basado en Conocimiento) producido por Business Execution Systems and Technology (SA) que a su vez se basa en el sistema experto en tiempo real "G2" de Gensym Corporation. El sistema de control KICS proporciona eficazmente toda la funcionalidad SCADA a la planta de cemento total.

El controlador termodinámico de la invención no necesariamente necesita los sistemas KICS ó G2, sino puede en principio estar unido a cualquier planta de cemento a través de cualquier sistema de control instalado en esta planta. Estos sistemas de control pueden ser de cualquier tipo o forma pero deben cumplir una especificación mínima en términos de control, conectividad, comunicación y posibles pre. y post procesamiento de datos, de modo que el procesamiento de los datos sea más fácil de configurar y establecer.

El sistema prototipo también utiliza otra capa con el sistema G2 para proporcionar una capa de control del proceso personalizado especial alrededor del controlador Perfecter. Esta capa es un sistema experto en tiempo real ¦ inteligente que tiene ciertas reglas y heurísticas programadas que permiten operaciones correctas del controlador termodinámico. El sistema experto proporciona diferentes capacidades de filtraje, rechazo de picos y otras capacidades de acondicionamiento y procesamiento de señales desarrolladas específicamente para hacer frente a las peculiaridades de la planta prototipo, así como los requisitos especiales del controlador termodinámico .

En particular, el sistema experto proporciona el medio mediante el cual se pueden rechazar ..picos de purga y calibración en los analizadores de gases utilizados para proporcionar las mediciones de CO y 02. Esos filtros son filtros de movimiento mínimo, especiales que también son filtros de movimiento acoplado y exponenciales de primer orden.

El sistema experto también propone reglas por medio de las cuales se selecciona el analizador correcto o "mejor". Además, el sistema experto también proporciona el medio mediante el cual es posible cambiar diversas velocidades dura, difusa y/o máxima de las limitaciones de cambio en el controlador del Process Perfecter en tiempo real debido a las diferentes condiciones de la planta y requisitos de producción.

El sistema de control del proceso para la planta objeto consiste en un sistema Siemens S5 PLC que es la interfaz directa con la planta de cemento y de hornos. El sistema funciona todo analógico y digital 1/0, interbloqueos de seguridad, control PID .y ' algunos otros procesamientos de velocidad alta. Este sistema también proporciona control completo de todos los motores de la planta a través de centros de control de los motores (MCC) ubicados en puntos pertinentes. La comunicación entre el PLC y ICS se realiza a través de la base de datos de tiempo real SETCIM. La estructura general del sistema de control de la planta se muestra en la Figura 7.

De la Figura 7 se puede observar que el sistema de control consiste en cuatro servidores de control KICS primarios que sirven las terminales o pantallas del operador. Tres de los servidores son capaces de accesar o controlar toda la planta, mientras que el cuarto se reserva específicamente para ' dar servicio a las instalaciones de carga, envasado y despacho del cemento. El sistema KICS esta conectado al PLC a través de dos bases de datos de ' tiempo real SETCIM, a través de los módulos controladotes Aspentech Hl así como los puentes de comunicación KBE G2/SETCIM.

Todos los sistemas KICS funcionan en computadoras Hewlett Packard HP 9000 RISC, donde los sistemas operativos son HP UNIX, 10.20 o superiores. Esto incluye las bases de datos en tiempos reales SETCIM y módulos de comunicaciones que ejecutan en HP UNIX.

El controlador se conecta al sistema de' control a través de uno de los tres servidores principales KICS de la planta. Debido a que cada servidor tiene un acceso total a la planta no importa que servidor se utilice, o que solo un servidor este conectado a un software Process Perfecter que corra en computadora. El propio Process Perfecter ejecuta en una computadora HP Pentium II PC corriendo con Microsoft Windows NT 4.0.

La arquitectura total del sistema de control combinado se muestra en la Figura 8, a partir de la cual se puede observar que el Software Process Perfecter se conecta a través de un sistema de comunicación denominado iDX para hablar con el servidor del control KICS. El iDX es un concentrador de múltiples protocolos proporcionados por Business Execution Systems and Technology (SA) (Pty) Ltd que permite al G2 habar con el Process Perfecter a través de un módulo de comunicaciones Process Perfecter OPC.

Así pues, el controlador termodinámico de la presente invención proporciona un controlador que se coloca en un circuito cerrado con la planta de hornos de cemento. El controlador utiliza el sistema de control de la planta existente, al cual esta conectado por una capa de comunicaciones y es un controlador predictivo basado en modelos, de múltiples variables implementado en el Software .

Un segundo aspecto de la invención se dirige al control más directo de la calidad del clinker.

La calidad del clinker se determina analizando su composición química. Esto se hace en el' laboratorio donde se analizan las muestras de clinker de mañera regular utilizando procedimientos y equipo manual y/o automatizado. Dependiendo de qué tan moderna es la planta y la inversión en los sistemas de laboratorio y muestreo, cada planta medirá una subserie de todas las mediciones de calidad posibles, disponibles.

En la planta utilizada para probar la invención, las mediciones de calidad primarias del clinker utilizado son la cal libre del clinker FCAO, el factor de saturación de cal LSF, y el C3S del clinker (es decir, la cantidad de silicato tricálcico en el clinker) .

Podrían utilizarse otros parámetros de control medirlos incluidos los pesos por litro C2S, A2F, etcétera.

La cifra de cal libre es importante en vista de que indica qué tan "duro" se ha quemado el clinker (es decir, el grado en el que se ha sobrequemado el clinker) , y cuanta cal libre se deja en el clinker después del ^ proceso de formación del mismo. Demasiado alto el contenido de cal libre donde la combustión ha sido "suave" (subquemado) , es no deseable, en vista de que la cal libre disminuye o degrada la calidad del cemento. C3S es uno de los constituyentes finales principales del clinker. Hay un intervalo óptimo de valores de C3S, y un valor máximo de la cal libre que' debe mantenerse en todo momento. El intervalo óptimo del C3S por lo regular es entre cerca de 55 y 75%.

Aunque sería ideal cal libre cero,' los costos de combustible asociados con el calentamiento del clinker hasta el grado en el que se consiga cal libre cero son c demasiado altos y de este modo el objetivo normal es llegar al equilibrio cal libre justo por debajo de 1.5%. Esto da la calidad mínima necesaria posiblemente al costo de producción más bajo, es decir, con inyección de carbón mínimo. El punto óptimo de cal libre de 1.5% no necesariamente es universal y puede variar de acuerdo con el diseño de la planta local y los requisitos de la producción del cemento.

La combustión demasiado "dura" para llevar la cifra de la cal libre muy baja tiene otro efecto perjudicial sobre el clinker, que lo vuelve extremadamente duro y difícil de triturar, aumentando los costos de trituración corriente abajo y así aumentando el costo de producción del cemento.

El objetivo de control primordial de cualquier sistema de control de hornos independientemente de si es automatizado o no, es controlar la calidad del clinker manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de la producción y la estabilidad del horno. El control de la calidad es el control del C3S del clinker y la cal libre del clinker. Este control involucra la obtención de un punto de referencia deseado para el C3S del clinker y la cal libre, así como la reducción al mínimo de las desviaciones de los parámetros de calidad. El control de la calidad del clinker debe hacerse al mismo tiempo que manteniendo la seguridad mecánica, rendimiento y reduciendo los costos. No obstante, actualmente no hay control automatizado del C3S ni .de la cal libre. Los operadores controlan manualmente los objetivos de cal libre u otros parámetros cercanos a la cal libre.

El control manual que existe con respecto al C3S o la cal libre es el rechazo del material que no es conforme a los estándares requeridos, asi como el ajuste posterior del estado termodinámico del horno en respuesta a este problema. Este rechazo de material ocurre si, por ejemplo, la cal libre es por encima de cerca de 2%. El ideal es tener cal libre entre 1.0 y 1.5%.

Debido a que el control automático o directo de la cal libre es manual, los operadores queman más duro o más suave para disminuir o aumentar la cantidad de cal libre en el clinker, respectivamente. También hay otros procedimientos manuales posteriores implementados por los operadores de la planta para compensar problemas de alimentación de los polvos en estado natural, etcétera, lo cual contribuye a altos niveles de cal libre para llevar la cal libre y el C3S de regreso al esquema donde sea aceptable en términos de control de calidad del clinker y el cemento.

La dificultad con este control manual de la cal libre o el C3S es que existen múltiples disturbios no ge medidos y medidos en el horno, por ejemplo, un disturbio medido es la calidad de los polvos en estado natural entrantes en términos de los valores reales y desviaciones.

Asi pues, el segundo aspecto de la presente invención intenta controlar la planta de hornos en una forma de múltiples capas donde se están evaluando siempre dos o más objetivos de control. La primera tarea de control o de nivel inferior es el" control termodinámico del horno, como ya se describió. El objetivo de esta tarea es mantener el horno en un estado termodinámico que permita la producción del clinker con la calidad correcta, y a velocidades de producción necesarias, dentro de las diferentes limitaciones de costos mecánicas y de proceso. La siguiente capa de control es el ajuste del estado termodinámico con base en el contenido de cal libre deseada del clinker. La siguiente capa de control es el ajuste del punto de referencia de la cal libre para garantizar que el contenido de C3S del clinker y por tanto del cemento esta dentro de especificación.

Se apreciará que el C2S también debe ser considerado como una medida importante de la calidad del clinker. Como tal, el contenido de C2S del clinker puede controlarse, como se podría con cualquier otra propiedad química importante.

La modalidad preferida del controlador así proporciona tres capas de control, a saber, un controlador termodinámico interno, un controlador de la cal libre en la capa intermedia y un controlador de C3S en la capa externa. La implementación del controlador de la cal libre es opcional y depende de si las mediciones de la cal libre están disponibles en el sistema de control de la planta. En algunos casos este controlador de segundo nivel puede ser un controlador "litro-peso" en lugar de un controlador de la cal libre.

El litro-peso es la medición manual de la masa del clinker llenando un recipiente de litros". El clinker utilizado en esta medición se pretamiza a una cierta fracción de tamaño. Así pues, esta medición da una medida de la reactividad del clinker, o el área superficial por masa unitaria del clinker. Esta es una alternativa manual para obtener un buen indicio de que también se esta fabricando el clinker, y sus propiedades químicas y metalúrgicas. El controlador de la cal libre puede ser sustituido con un controlador "litro-peso", donde la termodinámica del horno sea controlada en una forma similar al controlador de la cal libre para mantener una cierta especificación "litro-peso".

A la luz de lo anterior, el controlador puede ser generalizado como un controlador de dos capas con el nivel inferior siendo un controlador termodinámico, y el nivel superior siendo un controlador de calidad, con el control de calidad siendo capaz de ser dividido posteriormente en controladores de dos o más capas, a saber, el controlador de la cal libre intermedio y el controlador de C3S externo.

Una primera modalidad del controlador de tres capas prototipo se muestra esquemáticamente en la Figura 9. En vista de que no hay acciones de control directas que puedan tomarse en la planta para controlar el' C3S y la cal libre del clinker, el control de estos parámetros de calidad es indirecto, y se realiza ajustando el estado termodinámico y operante del horno en respuesta a las propiedades de los polvos en estado natural y el combustible que se alimenta al horno, asi como de las propiedades del clinker emergente.

Los controladores de nivel superior solo tratan mantener la calidad que se muestra como una dinámica movimiento muy lento, mientras que la optimización de producción y los demás aspectos se manejan en controlador termodinámico de nivel inferior 46.

En la estructura jerárquica del controlador, al controlador termodinámico 46 se le dan puntos de referencia para mantener el estado termodinámico como se determina por el controlador de nivel superior para mantener los niveles de calidad de la cal libre o C3S. En la primera modalidad que se ilustra de la invención, este controlador de nivel superior en primer lugar es el controlador del C3S, el cual luego alimenta al controlador de la cal libre con un objetivo de cal libre dinámico, que es la cal libre necesaria como lo ordena el controlador C3S para regresar al C3S objetivo. La relación entre C3S y cal libre se describirá más adelante.

El controlador del C3S 42 acepta un valor objetivo para C3S, asi como el C3S actual como medida de los laboratorios de la planta. El valor del C3S actual es alimentado nuevamente al controlador del C3S 42 utilizando un primer circuito de realimentación 48. El controlador entonces calcula un valor de cal libre que llevará el valor del proceso de C3S actual al valor objetivo, tomando en cuenta otros factores que afectan el C3S.

En este controlador, el C3S es la variable controlada, y la cal libre es la variable manipulada.

La relación fundamental entre C3S y la cal libre ha sido obtenida en diferentes formas que se utilizan para obtener la relación del controlador del C3S de nivel superior .

La primera es una relación matemática empírica, donde: C3S = /(FcaO, LSF, SR, ALM) y = /{FcaO, Si02, A1203, Ti02, Fe0203, Mn203S03} donde FCaO es la cal libre SR es la relación del sílice LSF es el factor de saturación de la cal ALM es el módulo de alúmina y los demás son algunos óxidos químicos tera .

Los diferentes análisis químicos, se calculan a partir de análisis por rayos X de las diferentes muestras tomadas en la planta en los polvos en estado natural y el clinker, y luego se utilizan para calcular los valores de SR, ALM, LSF, etcétera. SR y LSF, que se alimentan de nuevo al controlador del C3S junto con el contenido de C3S medido, como se muestra en 49.

La segunda relación es una relación de red neutra donde algunas variables de la planta y el C3S son las entradas y la salida C3S. Esta red neutra es opcional y se utiliza para proporcionar estimados para C3S durante los tiempos de muestreo de las mediciones de laboratorio de C3S real. Si la red neutra no es posible debido a la falta de las diferentes entradas, la red neutra puede sustituirse con una muestra y mantener o [sic] estimador de tipo predictivo de C3S.

La tercera relación utiliza una ecuación básica: dFCaO FCaOobjetivo— FCaOpimto de ref. dC3S CsSobjetivo — sSiabt Esta relación se muestra implementada en él diagrama de bloques de la Figura 10.

En el controlador de cal libre 44, la cal libre medida de la planta es alimentada nuevamente al controlador 44 utilizando un segundo bucle de realimentación 50, y se compara con el punto de referencia de la cal libre o cal libre objetivo. El controlador de la cal libre 44 entonces determina cuales deben ser los objetivos termodinámicos requeridos 52 para cumplir con la cal libre objetivo, es decir, para reducir el error de cal libre a cero.

Hay diferentes definiciones de error para las cuales opera el controlador del Process Pérfecter. El primer tipo y el más obvio es la desviación o diferencia entre las variables reales y controladas deseadas como puede ser la cal libre. Sin embargo, el error también puede ser la cantidad por la cual el valor de la cal libre entra fuera de un esquema permitido de funcionamiento en un área de limite difuso o duro de operación no deseable.

Los objetivos termodinámicos que se utilizan en el prototipo como la salida del controlador de la cal libre, y que constituyen las variables controladas, son como sigue: Temperatura de la campana Temperatura del extremo posterior Nivel de CO necesario • Nivel de NOX necesario • Nivel de O2 necesario El controlador de la cal libre. 44 obtiene su medición de la planta real o valor de proceso actual de la cal libre a partir de una de dos fuentes. 1) La primera es una red neutra basada en el predictor de la cal libre o analizador en linea virtual (VOA) 54, que predice el valor actual de la cal libre en el momento a partir de algunos parámetros de proceso de la planta, que incluyen los valores de laboratorio de calidad de la planta 40. 2) Si por alguna razón el predictor de la cal libre o el analizador virtual en línea (VOA) no funciona, entonces el controlador de la cal. libre recibe su valor de cal libre a partir del sistema de controlador de calidad del laboratorio de la planta real 40 y 56. Este se alimenta automáticamente desde los sistemas de control de calidad de las plantas a través del sistema de control de la planta o se alimenta a mano al sistema de control de la planta, si falla el enlace de comunicaciones entre el sistema de controlador de calidad dé la plantas y el sistema de control de la planta.

El controlador de la cal libre 44 es amina la cal libre objetivo y la cal libre real, y luego con base en este error produce cálculos de lo que serian los puntos de referencia requeridos para la variables termodinámicas .

El controlador de la cal libre calcula un perfil de movimientos hacia el futuro que realizará para las variables manipuladas a fin de reducir el error a cero, o cerca de cero. La forma de este perfil de movimiento depende de : a) Los modelos entre las variables manipuladas y controladas, y b) Los parámetros de afinamiento que se dan al controlador con respecto a cada par de variables controlada/variable manipulada.

El modelo de qué tanto influyen las variables manipuladas en la cal libre se almacena en una matriz de relaciones en el Software del controladoir. Estas relaciones por lo regular son respuestas de tiempo de primero o segundo orden, las cuales son las respuestas de la cal libre para efectuar cambios progresivos con el valor de las variables manipuladas termodinámicas. En otras palabras como: a) los cambios de la cal libre en las respuestas a un cambio progresivo en el porcentaje de carbono que ha de ser alimentado al extremo posterior del horno; b) Los cambios de la cal libre en respuesta a un cambio progresivo en la temperatura de la campana; c) cambios de la cal libre en respuesta a un cambio progresivo en la temperatura del extremo posterior; d) cambios de la cal libre en respuesta a un cambio progresivo en los niveles de CO; e) cambios de la cal libre en respuesta a un cambio progresivo en los niveles de NOX.

Los modelos de estas relaciones de respuesta gradual fueron establecidos por expertos y operadores de las plantas de cemento, así como examinando la relación entre los datos capturados de la cal libre y los cambios en estas variables. Estos datos fueron capturados a partir de operaciones de procesos normales fueron almacenados en una base de datos de tiempo real, así como de pruebas graduales explícitas que fueron tomadas durante el tiempo de la fase de pruebas progresivas del proyecto.

Las cinco respuestas para el controlador de la cal libre todas son respuestas de segundo orden" críticamente amortiguadas .

Por ejemplo, un cambio en Thood desde 1000 a 1500 grados, es decir, 500 °C induciría un cambio de aproximadamente 0.1% en el FCaO de la cal libre. Esto representa una ganancia de 0.0002 y debido al aumento en la caída de temperatura de la cal libre, lá ganancia es negativa. Los valores absolutos no son importantes, sino más bien los valores relativos. Para hacer que los valores absolutos se vean más reales cuando se simula, se ajusta un desplazamiento para llevar los valores absolutos en línea con los valores reales de la planta.

En la actualidad, el controlador de la cal libre supone que las ganancias de cada una de las cuatro respuestas son constantes, es decir, que las ganancias son lineales. No obstante estas ganancias pueden hacerse funciones de los propios estados de la planta, es decir, que no sean constantes. En este caso las ganancias cambiarán dependiendo de los estados de la planta. Esta situación (cuando las ganancias son una función del estado de la planta) es la no linealidad que generalmente se muestra en todos los procesos.

Asi pues, por ejemplo, suponiendo que un primer cambio en la temperatura de la campana da un cambio de 0.002% en la cal libre, si la temperatura de la campana aumenta de 1000°C a 1050°C, este valor puede cambiar en 0.1%.

Las ganancias de la cal libre utilizadas en el controlador de la cal libre prototipo fueron como sigue: Ganancia Tcampana: -0.002 Ganancia Tposterior: -0.001 Ganancia CO: 10 Ganancia NOX: -0.004 En vista de que el controlador termodinámico del sistema actual 46 tiene cinco variables controladas, existe el potencial para establecer o determinar todas las cinco de estas variables controladas utilizando el controlador de la calidad. Asi pues, el controlador para la cal libre solo es un controlador 1 x 5 ó 1 x N. Si una planta desea controlar la cal libre del clinker y él LSF del clinker, por ejemplo, en este nivel entonces este controlador se convertirá en un controlador 2 5.

En el horno prototipo, cuatro de los objetivos de las variables controladas salen del controlador de la cal libre, mientras que el objetivo del 02 fue introducido manualmente por un operador. Asi pues, es posible adicionar y quitar algunas variables del controlador y manipulador dependiendo de la determinación especifica del horno.

Otra modalidad posible del controlador de la cal libre o la calidad, es que el controlador puede ser implementado como una combinación de ' ' relaciones matemáticas como se da en lo anterior o por relaciones o reglas heurísticas. Esta es una alternativa posible que utiliza la capa del- sistema experto u otro software para establecer las relaciones entre la cal libre y las entradas para el controlador termodinámico .

Este uso de reglas con el controlador es una opción que se determina por el tipo de horno, la infraestructura de control y el grado de automatización necesario y la complejidad asociada que surge de grado de beneficio o valor agregado. Este modo de establecer el controlador de la calidad es solo una alternativa en términos de tecnología elegida, y se utiliza para ilustrar la independencia relativa del controlador a partir del tipo de tecnología.

La Figura 11 ilustra una modalidad alternativa del segundo aspecto de la invención. En esta modalidad, el controlador de la calidad es parcialmente paralelo a y parcialmente en cascada con el controlador termodinámico 46.

La salida de controlador de la cal libre 44 son las variables manipuladas de la planta real y posiblemente una o más variables termodinámicas. En un primer modo de operación, el controlador de la cal libre envía el punto de referencia del porcentaje de carbono al extremo posterior del horno, mientras que los otros puntos de referencia son controlador por el controlador termodinámico 44. Asi pues, el establecimiento es una configuración en cascada parcial en cuanto a que el controlador del C3S 42 esta en cascada con el controlador de la cal libre 44 y que estos dos operan juntos en paralelo con el controlador termodinámico 46.

Aunque la variable manipulada, el porcentaje de carbono a la parte posterior (%C back) , es controlado por el controlador de la cal libre, sus efectos como disturbio para el controlador termodinámico todavía se toman en cuenta y en cualquier momento pueden ser activados de modo que el controlador termodinámico pueda regular el porcentaje de carbón en el extremo posterior también.

Las líneas punteadas 58 de la figura ilustran la posibilidad de esta modalidad estando configurada en la misma distribución como la primera modalidad, en la cual la salida del controlador de la cal libre 44 será introducida al controlador termodinámico 46 solamente. Esto es para permitir que el controlador sea adaptado para uso en hornos, sin alimentación de carbono en el ? extremo posterior del horno. Así pues, el método indirecto para obtener una salida termodinámica del controlador de la cal libre es una configuración en cascada para controlar el controlador termodinámico será la configuración que se utiliza en este caso.

Cuando el controlador termodinámico y el controlador de la cal libre están funcionamiento en cascada, el objetivo es producir clinker de buena calidad mediante los controladores juntos creando un ambiente termodinámico estable y correcto en el que pueden tener lugar los diferentes procesos de formación del clinker. El perfil de temperaturas es controlado manipulando dos variables del perfil, es decir, el nivel del perfil o la altura y la pendiente del perfil de temperatura. Las dos manijas correspondientes son la temperatura de la campana y la alimentación de carbón en el extremo posterior, las cuales son controladas por el controlador termodinámico y de la cal libre respectivamente.

La Figura 12 ilustra una tercera modalidad del segundo aspecto de la invención.

Esta modalidad se enfoca en el hecho de que el parámetro de calidad primario del clinker es el componente C3S. Asi pues, esta modalidad intenta controlar el C3S permitiendo que el valor de la cal libre se encuentre libremente dentro de sus limitaciones, es decir, por debajo del nivel máximo de 1.5%, por ejemplo.

Los disturbios principales que tienen influencia en el contenido de C3S del clinker son las condiciones termodinámicas en el horno, las propiedades de las materias primas entrantes y las propiedades del carbón o combustible que se utiliza en el horno. Asi pues, el controlador de C3S 42 recibe un punto de referencia para el valor del C3S junto con las mediciones que indican las diferentes propiedades de la materia prima entrante y el combustible que se utiliza en el horno. El controlador del C3S 42 entonces envía un objetivo al controlador termodinámico 46. En la presente modalidad, este objetivo es la temperatura de la campana objetivo, Tcampana, pero igualmente se podrían utilizar otras lecturas de la temperatura, como puede ser la lectura del NOX o una o más lecturas de temperatura en el extremo posterior.

El controlador del C3S 42 también puede introducir la cal libre objetivo al controlador de la cal libre 44, como se indica en la línea punteada 60 de la figura.

El controlador total de la invención es corrido ejecutando el Software Process Perfecter y todos los módulos de comunicaciones pertinentes o ejecutables en la computadora designada. Cuando estas ejecutables corren, se establecen automáticamente las comunicaciones bidireccionales con el DCS de la planta de hornos, y el Process Perfecter así como los módulos de la red neural en línea comienzan a ejecutar inmediatamente. No obstante, inicialmente o menos que se especifique de otro modo, el consolador no arranca la planta, y los operadores todavía están en control. Esto es debido a que los puntos de referencia MV transmitidos desde el controlador al sistema de controlado no son transmitidos al campo, hasta que se cierran los interruptores del Software adecuados en el sistema DCS o SCADA. Se habilita el control del circuito cerrado completo cuando se encienden estos interruptores de los puntos de referencia en el sistema de control.

Cuando el controlador esta en control de la planta de hornos, el operador puede supervisar, ajustar, afinar y cambiar el comportamiento del controlador.' Esto también incluye habilitar o deshabilitar la inclusión de los controladores de nivel superior. Este control se realiza a través de los GUI del propio Process Perfecter o a través de los GUI manipulados en el sistema de control. La solución técnica final permite controlar y ajustar explícitamente los objetivos del sistema de control, los límites y parámetros de afinación desde los GUI del DCS/KICS y el GUI del Process Perfecter. El uso de GUI externos para realizar este control se facilita mediante la disponibilidad de los parámetros GUI del Process Perfecter a través del PDI para el sistema de control externo.

Las funciones del controlador están constituidas de la funcionalidad básica del Software Process Perfecter así como de otras funcionalidades manipuladas en el sistema de control externo. Los GUI del Process Perfecter proporcionan la siguiente funcionalidad del control con respecto al controlador: a) Control de cada celda del controlador SISO a partir de la matriz de control total, la cual puede ser encendida o apagada. Esto permite control completo o selectivo de la planta de hornos. Así pues, el controlador termodinámico 'puede utilizarse por ejemplo para controlar solo el enfriador, o solo las temperaturas del horno. b) El operador puede cambiar los objetivos o puntos de referencia para cualquiera de las variables controlada o manipulada en el controlador de cualquier nivel. Desde luego, si esta activo un controlador de nivel superior en el ; circuito, entonces los parámetros individuales de los objetivos en el controlador de nivel inferior serán sobre escritos por el controlador de nivel superior. Al establecer una variable manipulada a un cierto objetivo implica que la variable puede no ser utilizada para el control, y esto restringe lo que puede hacer el controlador para controlar el horno.

La velocidad del horno se há hecho una variable de disturbio, y de este modo es controlada por los operadores. La velocidad del horno e'sta directamente vinculada con la alimentación de los polvos en estado natural, cambiando asi la velocidad del horno, los cambios de la velocidad de alimentación de los polvos en estado natural hacia el horno y por tanto es un disturbio conocido importante hacia el horno. La filosofía de control a través de la velocidad del horno se utiliza debido a que la alimentación de los polvos en estado natural es un esclavo de la velocidad del horno, es decir, la alimentación de los polvos en estado natural esta en cascada lineal con la velocidad del horno. Así pues, en otros hornos el controlador puede utilizar la velocidad el horno o la alimentación de los polvos en estados natural o ambos.

Los operadores pueden establecer algunas restricciones duras en cada una de las V ó CV. Estas restricciones duras permiten que el intervalo operante de la planta sea establecido en términos de las excursiones mínimas o máximas que pueden tomar las variables manipuladas en términos de control. Al establecer restricciones duras en las variables controladas no significa que estas puedan ser violadas, sino significa que se puede incurrir en sanciones graves sino se toman en cuenta, y el controlador hará lo posible para reducir estas violaciones a las restricciones duras.

Restricciones suaves o difusas. Todas las variables en la matriz del controlador pueden ser determinadas restricciones suaves. La restricción de las restricciones suaves significa que la variable incurrirá en una sanción de costo cada vez mayor con respecto a su violación. Esto implica que si es necesario el controlador no tomará en cuenta las restricciones, sino finalmente se comportará para reducir al mínimo estas restricciones con base en las demás restricciones dentro del sistema, permitiendo asi optimizar la planta de hornos en términos de excursiones inestables o malas de las diferentes variables del proceso.

Prioridades y ponderaciones. Todas las restricciones, objetivos, etcétera pueden tener diferentes pesos, costos, que permiten sintonizar la planta de hornos de modo que algunas desviaciones del proceso tomen prioridad sobre otras, por tanto garantizando que se tomará la acción de control correcta en el horno. Debido a que las prioridades, etcétera pueden cambiar en el tiempo del proceso, esto implica que la afinación de la optimización de cada controlador puede ajustarse por el operador del sistema de control de la planta proporcionando optimización adaptable del controlador de acuerdo con algunos criterios.

Conos truncados. Los conos truncados son similares a las restricciones suaves o difusas, excepto que las sanciones incurridas se vuelven más severas con el tiempo. Esto significa que el controlador se comporta en todo momento para llevar cualquier objetivo dentro del cono truncado para reducir el mínimo desviaciones en el proceso con el tiempo hacia el futuro. h) Tasa de restricciones de cambio. Cada variable del proceso (en particular las variables manipuladas) tiene una tasa de cambio máxima que determina que se puede establecer para movimientos ascendentes o descendentes. Este proporciona un mecanismo de seguridad en cuanto a que las diferentes acciones de control con el tiempo pueden ser limitadas o restringidas para no introducir un cambio muy grave en el horno haciéndolo de este modo inestable.

Debido a las características de la interfaz gráfica del usuario del Software Process Perfecter, el controlador proporciona una vista multivariable completa de la planta y su estado. Estas listas consisten en gráficas en tiempo real y tendencias que muestran el presente y antecedentes de todas las variables utilizadas en el controlador. Estas vistas también incorporan predicciones del comportamiento futuro de la planta de hornos de cemento. Así pues, el operador puede observar cual será el efecto del controlador en la planta hacia el futuro para un horizonte de tiempo que puede establecerse por el usuario.

Algunos mecanismos de control y optimización pueden ser introducidos en el controlador que cumplan los objetivos de operación, seguridad y negocios de la planta de hornos. Por ejemplo, para optimizar el horno en términos de costos incurridos debido a la producción, los parámetros del carbón se establecerán de modo que demasiado uso del carbón incurrirá en una sanción alta. Asi pues, si el uso del ventilador ID y otras variables manipuladas se establece para un costo menor o prioridad ante el carbón, el controlador para más uso del aire secundario del enfriador en un intento por mantener la alta temperatura necesaria, en lugar de poner más carbón en el horno. Este tipo de estrategia dé control desde luego será desplazada o negociada contra la necesidad de mantener altas temperaturas, pero no demasiado altas, y asi el controlador evaluará estas necesidades contra el ejemplo de los objetivos del NOX, que son indicio de la temperatura de la flama.

Los beneficios del controlador ejecutado en la planta de prueba fueron numerosos.

Las variaciones en la temperatura de l campana fueron reducidas notablemente en comparación con el funcionamiento anterior del horno, en especial en presencia de disturbios importantes en el sistema de la planta de hornos, como "atizamiento" y "caldas del revestimiento". Además el controlador mantuvo el control a lo largo de estos periodos de disturbios, mientras que los controladores de la técnica anterior no han podido manejar estos disturbios y han cedido el control del horno a subrutinas especiales diseñadas solo para manejar estas situaciones.

Además, el controlador ha funcionado bien con material alimentado fuera de especificación qué tiene alto o bajo LSF en la alimentación de los' polvos en estado natural entrantes. Un LSF alto implica que se requiere más energía para realizar el proceso de calcinación. Este problema por lo regular es temporal y puede hacer que el contenido de cal libre en el clinker sea alto y por tanto de origen a clinker fuera de especificación .

Además, la temperatura en el extremo posterior del horno bajo el controlador ha sido observada constante a temperaturas óptimas, es decir, a niveles bajos designados que indican óptima absorción de energía en términos de la calcinación y la reducción del calor ventilado a la atmósfera.

Los niveles de CO se mantuvieron dentro de niveles de seguridad, y cuando ocurrieron máximos o excursiones el controlador reacciona de manera óptima y segura para llevar los niveles de CO del regreso al mismo intervalo.

El controlador mantuvo los niveles de O2 dentro del intervalo operante deseado.

El mayor rendimiento o tasas de producción sostenidas han sido obtenidas y son mucho mayores que las logradas con el controlador del operador.

El uso del controlador condujo a un mejoramiento importante en la eficacia del horno (es decir, la cantidad de energía consumida por tonelada de clinker) y por tanto originó ahorros de energía eléctrica importantes.

El uso del controlador también dio como resultado un ahorro importante en ladrillos refractarios debido a una mejor estabilidad en el horno.

Además, también se observaron ahorros en electricidad.

La cal libre del clinker se mantuvo durante periodos prolongados dentro de los valores objetivo y con desviaciones más pequeñas, y los niveles de clinker fuera de especificación fueron mucho menores que los anteriormente experimentados. Debido a esto, el silo del clinker fuera de especificaciones se vacio más rápido.

El controlador tuvo casi 100% del tiempo útil y aceptación por parte del operador y de administración. El sistema hizo menos demandas al operador haciendo necesarios menores operadores.

Todo lo anterior dio origen a un gran ahorro en costos .

Asi pues, se apreciará que la presente invención proporciona un sistema de control que no solo ofrece un controlador termodinámico avanzado, sino que integra el control de calidad y termodinámico de una planta de hornos . c

Claims (18)

REIVINDICACIONES
1. Un controlador para una planta de hornos, el controlador consiste en: un primer censor de temperatura ordenado para medir la temperatura en o cerca de la campana del horno y para generar una salida que indique esta temperatura; medios detectores de gas ordenados para medir la concentración en el horno de cuando menos un gas del grupo que consiste en 0?, OX, SOX y CO y para generar cuando menos una salida respectiva que indique la concentración del gas pertinente; y medios de control adaptados para recibir la salida del primer censor de temperatura y para controlar la calidad de combustible alimentado al extremo de encendido del horno para mantener la temperatura en o cerca de la campana del horno dentro de un intervalo predeterminado, el medio de control estando además adaptado para recibir cuando menos una salida del medio detector del gas y para controlar cuando menos un propulsor principal del horno para mantener la concentración del cuando menos un gas dentro de un intervalo predeterminado.
2. El controlador de acuerdo con la reivindicación 1, el cual además comprende un segundo censor de temperatura ordenado para medir la temperatura en o cerca del extremo posterior del horno y para generar una salida que indique esta temperatura, el medio de control además estando adaptado para recibir la salida del segundo censor de temperatura y para controlar la cantidad de combustible alimentado al extremo posterior del horno a fin de mantener la temperatura en o cerca del extremo posterior del horno dentro del intervalo predeterminado."
3. El controlador de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el medio de control además puede incluye una matriz de control que incluye valores que determinan las relaciones entre una pluralidad de mediciones de la planta que incluyen la temperatura en o cerca de la campana del horno, la temperatura en o cerca del extremo posterior "del horno y las concentraciones de 02, NOX, SOX y CO, y una pluralidad de parámetros operantes que incluyen la cantidad de combustible alimentado al extremo de encendido del horno, la cantidad de combustible alimentado al extremo posterior del horno, la velocidad del propulsor principal, la velocidad del horno, la corriente motriz principal del horno, la alimentación de los polvos en estado natural, el flujo de aire enfriador y la velocidad de la parrilla del enfriadora.
4. Medios de control para una planta de hornos, los medios de control comprenden un controlador de la calidad exterior en cascada con cuando menos un controlador interior, en donde el controlador de la calidad exterior consiste en un primer controlador de realimentación estando adaptado para recibir un primer punto de referencia introducido que indique una cantidad deseada de C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker que estará presente en el clinker producido por la planta de hornos, y una segunda entrada de realimentación que indique la cantidad real de C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker presente en el clinker qué esta produciéndose en la planta de hornos, el primer controlador de realimentación además estando adaptado para comparar la primera entrada del punto de referencia y la segunda entrada y, si las entradas difieren, producir una salida para modificar una entrada del punto de referencia al controlador interno directa o indirectamente para ajustar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos de modo que la cantidad de C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker en el clinker producido por la planta de hornos sea substancialmente igual a la cantidad deseada de C3S y/o C2S y/o otra propiedad química del clinker.
5. Los medios de control de acuerdo ¦" · con la reivindicación 4 , en donde el controlador interno es un controlador de la cal libre, en donde la segunda entrada del punto de referencia consiste en un punto de referencia dinámico para el contenido de la cal libre del clinker al controlador interno, y en donde el controlador interno esta adaptado para recibir una entrada que indique la cantidad real de la cal libre presente en el clinker que se esta produciendo en la planta de hornos, el controlador interno además estando adaptado para comparar el punto de referencia dinámico para el contenido de la cal libre y la cantidad real de la cal libre presente y, si estas difieren, producir una salida para modificar directa o indirectamente uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos de modo que la cantidad de la cal -libre presente en el clinker producido por la planta de hornos sea substancialmente igual al punto de referencia dinámico para el contendido de cal libre.
6. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el medio de control además incluye un controlador termodinámico, en cascada con el controlador interno, en donde el controlador interno envía un punto de referencia para cuando menos una medición de la planta al controlador termodinámico, y en donde el controlador termodinámico esta adaptado para recibir una entrada desde la 'planta de hornos que indique el valor de la cuando menos una medición de la planta, el controlador termodinámico estando además adaptado para comparar el punto de referencia para la cuando menos una" medición de la planta y el valor de la cuando menos una medición de la planta y, si estos difieren, producir una salida para modificar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos.
7. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en donde el controlador interno esta arreglado para enviar una pluralidad de puntos de referencia dinámicos para una pluralidad de mediciones de la planta al controlador termodinámico, la pluralidad de mediciones de la planta constituyendo variables controladas y siendo seleccionadas a partir del grupo que incluye la temperatura del extremo posterior, la temperatura de la campana, el nivel de CO, el nivel de NOX, el nivel de SÓX y el nivel del O2.
8. El medio de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde los. parámetros operantes de la planta de hornos comprenden uno o más del grupo que constituye las " variables manipuladas que comprenden la alimentación total del combustible a la planta de hornos, el porcentaje del combustible alimentado a la parte posterior de la planta de hornos, la velocidad del propulsor principal, la velocidad del horno, el flujo del aire enfriador y la velocidad de la parilla enfriadora.
9. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 8 el cual esta arreglado para manipular los parámetros a fin de modificar las mediciones de la planta para obtener puntos de vista respectivos, utilizando una matriz de control que incluye valores que determinan las relaciones entre los parámetros operantes y las mediciones de la planta.
10. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el medio de control además incluye un controlador termodinámico conectado a la planta de hornos, en donde el controlador termodinámico esta adaptado para recibir una entrada de la planta de hornos que indique el valor de cuando menos una medición de la planta, el controlador además estando adaptado para comparar el punto de referencia para la cuando menos una medición de la planta y el valor de la cuando menos una medición de la planta y, si estos difieren, producir una salida para modificar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos, en donde el cuando menos uno de los parámetros operantes de la planta de hornos controlado por el controlador' termodinámico es diferente del uno o más parámetros operantes controlados por el controlador de la cal libre.
11. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el cuando menos uno o más de los parámetros operantes de la ' planta de hornos controlados por el controlador termodinámico comprende cuando menos uno del grupo que consiste en la alimentación de carbón total al horno, la velocidad del propulsor principal, la velocidad del horno, la alimentación de los polvos en estado natural, el flujo de aire enfriador y la velocidad de la parrilla enfriadora, y en donde el parámetro operante de la planta de hornos controlado por el controlador de la cal libre es el porcentaje del combustible alimentado a la parte posterior del horno.
12. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el controlador interno es un controlador termodinámico, en donde la segunda entrada del punto de referencia desde el controlador de la calidad externo al controlador termodinámico es un punto de referencia para cuando menos una medición de la planta, y en donde el controlador termodinámico esta adaptado para recibir una entrada desde la planta de hornos que indique el valor de la cuando menos una medición de la planta, el controlador termodinámico estando además adaptado para comparar el punto de referencia para la cuando menos una medición de la planta y la entrada que indica el valor de la cuando menos una medición de la planta y, si estas difieren, producir una salida para modificar uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos .
13. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la cuando menos una medición de la planta es una o más de las mediciones de la planta seleccionadas del grupo que incluye la temperatura en el extremo posterior, la temperatura de la campana y el nivel de NOX.
14. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 13, en donde la medición de la planta seleccionada es la temperatura de la campana.
15. El medio de control de acuerdo con cualquiéra de las reivindicaciones 12 a 14, en donde el medio de control incluye un controlador de la cal libre arreglado para recibir una entrada de punto de referencia para el contenido de la cal libre del clinker y una entrada que indique la calidad real de la cal libre presente en el clinker que se esta produciendo en la planta de hornos, el controlador de la cal libre además estando adaptado para comparar el punto de referencia para el contenido de la cal libre y la entrada que indique la cantidad real de la cal libre presente y, si estas, difieren, para producir una salida para modificar directa o indirectamente uno o más de los parámetros operantes de la planta de hornos de modo que la cantidad de cal libre presente en el clinker producido en la planta de hornos sea prácticamente igual al punto de referencia para el contenido de la cal libre.
16. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el punto de referencia para la cal libre es recibido desde el controlador del C3S.
17. 17. El medio de control de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el punto de referencia para la cal libre se introduce manualmente por un operador del controlador .
18. 18. El medio de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en donde el uno o más parámetros operantes controlados por el controlador de la cal libre son diferentes del uno o más parámetros operantes controlados por el controlador termodinámico . El medio de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, en donde el parámetro operante controlado por el controlador de la cal libre es el porcentaje de combustible alimentado a la parte posterior del horno. Un controlador de una planta de hornos substancialmente como se describe e lustra en la presente .