水泥智能優化控制系統的應用研究

王靖，艾軍，魏燦，朱金波

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水泥智能優化控制系統的應用研究

王靖，艾軍，魏燦，朱金波

本文介紹了天津水泥工業設計研究院有限公司最新開發成功的水泥智能優化控制系統。主要內容包含該系統的工作原理、軟硬件配置以及主要功能等，并重點介紹了該系統的實際控制效果。

智能控制；優化控制；模塊控制；節能降耗

1水泥智能優化控制系統簡介

水泥智能優化控制系統（TCOCS）（Cement Optimization Control System）是由天津水泥工業設計研究院有限公司電氣自動化設計研究所開發，專門針對水泥廠復雜的生產過程而研發的一款新型智能控制系統。該系統采用多變量預測控制、模糊控制、魯棒控制、最優控制和自適應控制等多種先進控制技術，可實現原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨車間所有關鍵生產環節的過程優化控制，并能夠及時檢測及自動處理經常發生的特殊工況，達到安全、穩定、優化的自動控制效果。

采用TCOCS系統，預計能使水泥生產增產1%～12%，過程變動性減少40%～80%，從而減少廢料和原料，單位能耗減少1%～10%，使達到環境排放法規所需的成本降低約50%，在不超過環境限制的前提下最大限度地提高產質量，同時維持安全穩定生產；能極大降低操作員的工作強度，大大提升企業的自動化、信息化管理水平，能給企業帶來可觀的經濟和社會效益，增強企業的綜合競爭力。

2水泥智能優化控制系統的主要特點和工作原理

TCOCS系統采用了多變量預測控制、模糊控制、魯棒控制、最優控制和自適應控制等先進控制理論，實現了水泥生產各個主要車間關鍵環節的智能優化控制。TCOCS系統以天津水泥工業設計研究院有限公司雄厚的技術支持為基礎，集合了大量水泥生產工藝知識及操作經驗，更加貼合水泥生產過程的實際工況。由于該TCOCS系統采用了預測控制理論，能夠預測過程變量的變化趨勢，因此控制效果更加精確，不僅能夠穩定控制過程變量，還能夠確保過程變量在最優狀況下運行。

圖1　TCOCS系統工作原理圖

TCOCS系統分為原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨四個子系統，每個子系統中都有若干控制模塊，可以按照用戶需求靈活定制子系統和控制模塊，也可以根據用戶要求增加其他控制模塊和控制要求。

TCOCS系統通過OPC服務器采集DCS數據。采集到的數據通過信號處理模塊的濾波、軟儀表、失效數據檢測、噪聲檢測等方式進行處理。處理完成的數據部分用于生產工況監視模塊，用來及時發現特殊工況并進行相應的自動控制；部分用于先進控制算法模塊，用來計算目標控制變量的變化幅度，從而進行智能優化控制；部分用于監視設備和軟件的運行情況，從而及時發現異常現象并自動處理，處理不了的情況可語音報警提醒操作員手動干預（見圖1）。

3水泥智能優化控制系統的主要功能

TCOCS系統按照生產工藝劃分為原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨四個子系統，每個子系統中包含的具體控制模塊如下：

3.1原料粉磨系統

控制點有原料磨喂料量、選粉機轉速、研磨壓力、噴水量、循環風閥、V型選粉機風機轉速、原料磨入磨冷熱風閥等。

測量點有原料質量參數、原料磨差壓、磨主電機電流、循環斗式提升機電流、原料磨出口溫度、緩沖倉倉重等。

擾動變量測點有磨機震動、比表面積、篩余。

控制目標：在保證原料質量的前提下盡量提高產量，降低粉磨質量的波動，降低電耗，減少操作員的工作量，可對輥磨和輥壓機進行控制。

實現的控制模塊有：

（1）輥壓機倉重自動控制模塊。只需預先給定倉重的目標值，該模塊即可通過控制原料調配的喂料量、選粉機轉速等變量來自動控制輥壓機的倉重。

TCOCS系統原料粉磨子系統（輥壓機）控制界面見圖2。

圖2　TCOCS系統原料粉磨子系統（輥壓機）控制界面

（2）原料輥磨差壓自動控制模塊。對于原料輥磨，只需預先給定原料輥磨差壓的目標值，該模塊通過參考輥磨外排量，同時考慮磨機震動值，控制輥磨喂料量和選粉機轉速來自動控制輥磨的差壓。

（3）原料輥磨出口溫度自動控制模塊。只需預先給定原料輥磨出口溫度的目標值，該模塊通過參考輥磨入口溫度，控制輥磨入口冷風閥或熱風閥來自動控制輥磨的出口溫度。

3.2燒成窯尾系統

控制點有分解爐喂煤量、窯喂料量、窯轉速、窯頭喂煤、高溫風機轉速、煤磨進料量、煤磨入口冷熱風閥、高溫風機轉速等。

測量點有分解爐出口溫度、C5下料溫度、窯喂料量、窯電流、游離鈣含量、二次風溫、三次風溫、煙室溫度、預熱器各級壓力、預熱器各級溫度、煤磨差壓、煤磨選粉機轉速、煤磨外排量、煤磨出口溫度、煤磨入口溫度、窯內O2、CO和NOx含量等。

控制目標：穩定并最優化燒成工況，確保良好的燒成條件，穩定產品質量，提高產量，降低煤耗和電耗，穩定O2、CO和NOx含量，減少操作員的工作量等。

實現的控制模塊有：

（1）窯尾喂煤自動控制模塊。只需預先給定分解爐出口溫度的目標值，該模塊通過控制窯尾喂煤量，同時參考生料喂料量、三次風溫、煙室溫度等變量來自動控制分解爐出口溫度。

（2）窯頭喂煤自動控制模塊。根據窯電流、二次風溫、三次風溫、煙室溫度、窯內NOx含量、游離氧化鈣含量等變量預估出窯內的燒成帶溫度，進而根據燒成帶溫度情況調整窯頭喂煤量、窯喂料量、窯轉速、高溫風機轉速等變量來自動調節燒成帶的溫度。

（3）煤磨差壓自動控制模塊。對于煤輥磨，只需預先給定煤磨差壓的目標值，該模塊通過參考煤磨外排量，控制煤磨喂煤量和選粉機轉速來自動控制煤磨的差壓；對于煤管磨，只需預先給定煤磨差壓的目標值，該模塊通過參考煤磨外排量，控制煤磨喂煤量及V型選粉機風機轉速來自動控制煤磨的差壓。

（4）煤磨出口溫度自動控制模塊。只需預先給定煤磨出口溫度的目標值，該模塊通過參考煤磨入口溫度，控制煤磨入口冷風閥或熱風閥來自動控制煤磨的出口溫度。

TCOCS系統燒成窯尾子系統控制界面見圖3、圖4。

圖3　TCOCS系統燒成窯尾子系統分解爐溫度控制界面

圖4　TCOCS系統燒成窯尾子系統煤磨控制界面

3.3燒成窯頭系統

控制點有篦冷機篦速、窯喂料量、篦冷機各室風機轉速/閥門開度、窯頭排風機轉速等。

測量點有篦冷機篦下壓力、篦冷機各風室壓力、窯頭負壓、收塵器入口溫度、熟料溫度、二次風溫、三次風溫等。

控制目標：穩定并最優化燒成工況，確保良好的冷卻條件，穩定產品質量，提高產量，降低電耗，穩定O2、CO和NOx含量，減少操作員的工作量等。

實現的控制模塊有：

（1）篦冷機篦速自動控制模塊。只需預先給定窯喂料量，該模塊通過控制篦冷機的篦速來自動控制篦下壓力到一個合理的范圍內。

（2）窯頭負壓自動控制模塊。只需預先給定窯頭負壓的設定值，該模塊通過控制窯頭排風機的頻率來自動控制窯頭的負壓。

（3）各室風機自動控制模塊。只需預先給定篦冷機各室壓力的設定值，該模塊通過控制各室風機的頻率（變頻風機）或風門的開度（定頻風機）來自動控制各室的壓力。

TCOCS系統燒成窯頭子系統控制界面見圖5。

圖5　TCOCS系統燒成窯頭子系統控制界面

3.4水泥粉磨系統

控制點有水泥磨喂料量、選粉機轉速、研磨壓力、噴水量、循環風閥、V型選粉機風機轉速、石膏量、水泥磨入口冷熱風閥等。

測量點有水泥磨差壓、水泥磨外排量、水泥磨主電機電流、循環斗式提升機電流、水泥磨出口溫度、水泥磨入口溫度、水泥磨緩沖倉倉重等。

控制目標：在保證水泥質量的前提下盡量提高產量，降低粉磨質量的波動，降低電耗，減少操作員的工作量，可對球磨、輥磨和輥壓機進行控制。

實現的控制模塊有：

（1）水泥磨差壓自動控制模塊。對于水泥輥磨，只需預先給定水泥磨差壓的目標值，該模塊通過參考輥磨外排量、磨主電機電流、循環斗式提升機電流等，控制水泥磨喂煤量和選粉機轉速來自動控制水泥磨的差壓；而對于水泥管磨，只需預先給定水泥磨差壓的目標值，該模塊通過參考水泥磨外排量及循環斗式提升機電流，控制水泥磨喂料量及V型選粉機風機轉速來自動控制水泥磨的差壓。

（2）水泥磨出口溫度自動控制模塊。只需預先給定水泥磨出口溫度的目標值，該模塊通過參考水泥磨入口溫度，控制水泥磨入口冷風閥或熱風閥來自動控制水泥磨的出口溫度。

4水泥智能優化控制系統的軟硬件配置

TCOCS系統一般安裝在TCOCS操作站中，通過OPC服務器與DCS系統進行數據讀寫操作（見圖6），進而達到控制現場設備的目的。TCOCS系統所需要的安裝環境非常簡單。軟件環境只需要操作系統使用Windows XP以上（推薦Windows7），并安裝Microsoft SQL Server 2008數據庫即可。硬件環境要求CPU采用Pentium IV處理器或更好，雙CPU處理器，2GHz或更高；內存需要1GB以上（推薦4GB）；硬盤需要80GB以上（推薦160GB）；顯示器需要顯示性能至少256色，分辨率至少1024 768或以上；配備TCP/IP協議，搭建局域網用于連接到DCS系統（推薦雙網卡，另一個連接到Internet網絡，用于遠程登錄調試）。

圖6　帶TCOCS服務器的DCS架構圖

5水泥智能優化控制系統的控制效果

TCOCS系統已經成功在山東莒州水泥和大連天瑞水泥投入使用，取得了出色的控制效果。該系統投用之后，分解爐溫度波動范圍迅速收斂，能在正常工況條件下i 5℃以內波動，甚至能長期保持在i 2℃范圍之內，全工況在i 10℃之內波動。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了75%，大幅提高了分解爐溫度的穩定程度，大大改善了燒成系統的工況，穩定了產品質量（見圖7）。此外，該系統安全可靠，在正常工況下能夠長期安全穩定運行，最大限度減少生產過程的波動。系統投運率能夠達到99%以上，極大降低了操作員的勞動強度。

圖7　分解爐喂煤智能優化控制模塊投運與手動控制效果對比

投用TCOCS系統之后，篦冷機一室篦下壓力波動范圍迅速收斂，能在正常工況條件下i 200Pa以內波動，甚至能長期保持在i 150Pa范圍之內，全工況在i 300Pa之內波動（見圖8）。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了70%，大幅提高了篦冷機篦下壓力的穩定程度。投用TCOCS系統之后，窯頭負壓波動范圍迅速收斂，能夠在正常工況條件下i 20Pa以內波動，甚至能長期保持在i 15Pa的范圍之內，全工況在i 25Pa之內波動（見圖9）。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了80%，大幅提高了窯頭負壓的穩定程度。

圖8　一室篦下壓力智能優化控制模塊投運效果圖

6　結語

TCOCS系統在水泥生產線上的成功應用表明，該系統能夠大大改善水泥生產過程的穩定性，提升產品質量。當生產變量發生變化時，該系統反應靈敏、跟蹤迅速，控制效果明顯。采用該系統，能夠極大降低操作員的工作強度，解決不同水平操作員操作效果懸殊這一難題，最大限度減少人為因素對水泥生產過程的影響。此外，經短期推算，該系統能夠降低燒成過程的煤耗，提高篦冷機的冷卻效率，能夠達到節能降耗減排的控制效果，給投用企業帶來可觀的經濟效益和社會效益，大大提升企業的自動化、信息化管理水平，增強企業的綜合競爭力。

Application Research of Intelligent Optimization Control System in Cement Plant

圖9　窯頭負壓智能優化控制模塊投運效果圖

TP273.5

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1001-6171（2016）02-0031-04

通訊地址：天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；2015-11-06；編輯：呂光