水泥生料配料過程優(yōu)化控制系統(tǒng)

摘要:介紹以基于生料率值控制為目的的非線性水泥生料優(yōu)化配料過程控制，運(yùn)用智能機(jī)理建模的方法，建立配料過程的非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型#65377;針對模型中的多目標(biāo)函數(shù)以及非線性約束特點(diǎn)，提出一種采用優(yōu)化軟件LINGO編制算法程序并通過應(yīng)用程序接口(API)嵌入到ABB France2000的DCS系統(tǒng)中#65377;工業(yè)實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能有效地對配料過程進(jìn)行優(yōu)化控制，是解決非線性多目標(biāo)優(yōu)化問題的一種可行方法#65377;

關(guān)鍵詞:生料率值;非線性規(guī)劃;配料;過程優(yōu)化

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1引言

生料配料工藝就是將石灰石#65380;頁巖#65380;砂巖#65380;鐵粉等原料通過中控操作人員按按一定比例搭配，通過指令喂料系統(tǒng)將各種原料喂入生料磨中，再粉磨至細(xì)度合格的生料#65377;生料必須根據(jù)煅燒時(shí)的要求滿足一定的化學(xué)成分和物理性能要求，生料的化學(xué)成分一般用生料中的主要氧化物CaO#65380;SiO2#65380;Al2O3#65380;Fe2O3的百分含量表示#65377;生料在高溫煅燒后發(fā)生一系列物理化學(xué)變化得到水泥熟料，熟料的礦物組成和晶體形態(tài)決定了熟料質(zhì)量的好壞#65377;在一定煅燒溫度下，熟料的礦物組成主要決定于生料中幾種主要氧化物之間的比例關(guān)系，即生料的率值#65377;所以生料質(zhì)量的好壞，并不取決于生料中某一化學(xué)成分的多少，而取決于率值，目前我國大部分水泥廠都使用三個(gè)率值來表征生料的化學(xué)特性#65377;[1]

各水泥廠結(jié)合自身的工藝條件和原材料情況，制定出適合自己的生料率值指標(biāo)作為生料化學(xué)成分的控制目標(biāo)，以便在熟料煅燒時(shí)獲得所預(yù)期的礦物組成，保證熟料質(zhì)量#65377;在實(shí)際生產(chǎn)中，為了使生料的率值與設(shè)計(jì)值相符合，每小時(shí)對生料取樣并且測定其化學(xué)成分，然后再根據(jù)測定的結(jié)果對各種原料配比進(jìn)行調(diào)整，如此反復(fù)形成控制回路，這個(gè)過程就是生料配料控制過程#65377;[1，2]

2水泥配料過程優(yōu)化模型

隨著過程優(yōu)化技術(shù)的不斷推廣和計(jì)算機(jī)的廣泛使用，國內(nèi)建材行業(yè)一直在嘗試運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)來解決水泥生料的配料問題，最初應(yīng)用最小二乘法和廣義最小二乘法，后來發(fā)展到應(yīng)用線性和非線性規(guī)劃方法來進(jìn)行水泥生料配料#65377;[2]

對于非線性規(guī)劃的問題，我們要建立基本的數(shù)學(xué)模型， 衡量生料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是水泥熟料的三個(gè)率值，即石灰石飽和系數(shù)KH#65380;硅酸率SM#65380;鋁氧率AM，在出磨生料中，諸氧化物的百分比含量必須滿足以下三式:[1]

式中:C——生料中氧化鈣的百分含量#65377;即CaOF——生料中氧化鐵的百分含量#65377;即Fe2O3A——生料中氧化鋁的百分含量#65377;即Al2O3S——生料中二氧化硅的百分含量#65377;即SiO2ε——生料中三氧化硫的百分含量#65377;即SiO3ε影響很小，可忽略不計(jì)#65377; 經(jīng)矩陣變換，解得

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2007年3月第26卷第1期張志剛等:水泥生料配料過程優(yōu)化控制系統(tǒng)2.1數(shù)學(xué)模型的建立[4-6](1)熟料的化學(xué)成分Wj用如下形式表示:

則熟料中的5種化學(xué)成分WJ(j=1，2，…，5)的計(jì)算通式可以表示為如下形式:式中:xɑsh表示燃料煤灰摻加的百分含量#65377;

(2)目標(biāo)函數(shù):

問題的目標(biāo)是通過尋求手段找出一組配方，使得三個(gè)實(shí)際率值對理想率值KH0#65380;SM0#65380;AM0，各自對應(yīng)的差值最小，即:

(3)引入約束條件:

總平衡關(guān)系條件l1(x)為

①熟料中有害成分含量限制條件

②② 變量非負(fù)條件:上面三個(gè)參數(shù):KH值愈大，C3S含量愈高，C2S含量就少，水泥強(qiáng)度較高，但要求煅燒溫度較高，煅燒不充分時(shí)，熟料中將含由較多的游離氧化鈣，影響水泥的安定性#65377;KH值過低時(shí)，水泥熟料強(qiáng)度變化緩慢#65377;早期強(qiáng)度低#65377;對于預(yù)分解窯要求KH=0.88-0.91#65377;硅酸率SM過高，燒成時(shí)液相少，燒成困難;過低則硅酸鹽礦物少而影響水泥強(qiáng)度，且易結(jié)大塊和結(jié)圈而影響操作#65377;鋁氧率AM關(guān)系著熟料水化速度的塊慢，又關(guān)系著液相粘度而影響燒成操作#65377;[1]

③為了既使熟料順利形成，又要保證熟料的質(zhì)量，保持組成的穩(wěn)定，應(yīng)該同時(shí)控制三個(gè)率值，并要互相配合適當(dāng)，不能單獨(dú)強(qiáng)調(diào)某個(gè)率值#65377;

從上面的影響水泥配料的數(shù)學(xué)參數(shù)可以看出，我們可采用非線性規(guī)劃數(shù)值方法來進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其實(shí)質(zhì)是參數(shù)優(yōu)化問題#65377;參數(shù)優(yōu)化就是求出一組參數(shù)，以滿足在某種意義上的最優(yōu)#65377;

3基于LINGO的非線性規(guī)劃算法和實(shí)現(xiàn)

3.1基于LINGO的方程求解

非線性規(guī)劃的求解方法針對不同的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生了很多典型的方法，如常用的經(jīng)典方法:Zoutendijk的可行方向法，罰函數(shù)法(包括內(nèi)點(diǎn)法#65380;外點(diǎn)法和混合法)，逐次線性規(guī)劃法和逐次二次規(guī)劃法#65377;許多模型函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的求解變的越來越難，有的甚至無法求出#65377;人們在探索中不斷尋求新的解決方法—智能化優(yōu)化方法#65377;其中最具有代表性的幾種算法是，禁忌搜索(TS， Tabu Search)，遺傳算法(GA，Genetic Algorithms)，進(jìn)化規(guī)劃(EP， Evolutionary Programming)和進(jìn)化策略(ES，Evolution Strategies)#65377;這四種算法中禁忌搜索是一種確定性的迭代優(yōu)化算法，這里我們可以采用這種迭代法通過LINGO來計(jì)算#65377;[7]

LINDO/LINGO是美國Chicago大學(xué)LinusSchrage教授開發(fā)的一種專門用于求解數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的軟件包，主要用于解線性規(guī)劃#65380;非線性規(guī)劃#65380;二次規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃等問題#65377;也可以用于一些非線性和線性方程組的求解以及代數(shù)方程求根等#65377;LINGO 中包含了一種建模語言和許多常用的數(shù)學(xué)函數(shù)(包括大量概論函數(shù))，可供使用者建立規(guī)劃問題時(shí)調(diào)用，能方便地與Excel，數(shù)據(jù)庫等其他軟件交換數(shù)據(jù)#65377;經(jīng)過商業(yè)的運(yùn)作和不斷的發(fā)展完善，在數(shù)學(xué)#65380;科研和工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用#65377;

用LINGO建模語言來建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，其程序體大體分為四個(gè)部分(SECTION)，即:集合段(SET)#65380;數(shù)據(jù)段(DATA)#65380;初始段(INIT)和目標(biāo)與約束段#65377;集合段包含:集合的名稱，集合所包含的元素(或稱成員，即組成集合的個(gè)體)，集合的屬性(與該集合有關(guān)的變量及常量，相當(dāng)于數(shù)組);數(shù)據(jù)段的作用在于對集合段的屬性輸入必要的常數(shù)數(shù)據(jù);初始段在于對集合段中的屬性定義迭代初值;目標(biāo)與約束段則定義了目標(biāo)函數(shù)和約束條件等#65377;[3] 圖1是某水泥廠生產(chǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)通過LINGO計(jì)算后得出的各生料成分的數(shù)值#65377; 圖1通過LINGO得出的生料組成成分[JZ)]

3.2在DCS系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)

通過LINGO編制的算法程序可以利用France2000系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口(API)嵌入到DCS系統(tǒng)中，也可以利用LINGO/LINDO API軟件來連接DCS系統(tǒng)#65377;所謂API是指ABB France2000提供的一個(gè)應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface)，用戶能夠編寫C或Fortran的應(yīng)用程序，與系統(tǒng)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換#65377;這樣用戶可以通過自己編寫的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)過程控制中的高級(jí)策略#65377;

水泥生料配料系統(tǒng)由工控機(jī)主機(jī)(可作為DCS系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立子機(jī))#65380;自動(dòng)取樣裝置#65380;多元素分析裝置#65380;電子皮帶秤等構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)#65377;該系統(tǒng)可通過自動(dòng)取樣裝置和多元素分析裝置配合使用，直接檢測出磨生料的率值，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，有利于生料成分的穩(wěn)定，從而提高生料的易燒性和熟料的質(zhì)量#65377;同時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)控制和人工控制兩種控制方式，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可十分方便地切換到人工控制方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制優(yōu)先，可避免因?yàn)橄到y(tǒng)故障影響生產(chǎn)而造成的重大損失#65377;控制系統(tǒng)框圖如圖2示#65377;

圖2水泥生料配料控制系統(tǒng)框圖[JZ)]

4結(jié)束語

本文針對國內(nèi)水泥生料配料的特征提出一種新的水泥配料過程優(yōu)化控制方法#65377;通過實(shí)驗(yàn)表明該方法能很快地完成生料率指的最優(yōu)值，迅速尋找到最佳配料方案#65377;同時(shí)，通過與水泥廠現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)連接，能使操作人員從很繁雜的計(jì)算中解脫出來，表明這種方案是解決這類復(fù)雜非線性多目標(biāo)優(yōu)化的一種切實(shí)可行的方法#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。