水泥閉路預粉磨系統與終粉磨系統的協調控制研究

任志鵬

（同煤集團建材公司， 山西 大同 037000）

水泥閉路預粉磨系統與終粉磨系統的協調控制研究

任志鵬

（同煤集團建材公司， 山西 大同 037000）

中圖分類號：TQ172

文獻標識碼：A

文章編號1007-6344（2020）09-0002-02

摘要：針對水泥閉路粉磨的預粉磨系統與終粉磨系統難以維持動態平衡的問題，本文基于水泥閉路粉磨系統工藝流程，通過分析相應的參數，建立系統模型，設計出水泥閉路粉磨系統協調控制器，并提出預粉磨系統與終粉磨系統協調控制的方案。結果表明水泥閉路預粉磨系統與終粉磨系統的協調控制能夠有效調節預粉磨系統與終粉磨系統之間的動態平衡問題，提高水泥粉磨的效率，增加水泥產量。

關鍵詞：預粉磨系統；終粉磨系統；協調控制

作者簡介：任志鵬（1992.1-），男，本科，2016年7月畢業于太原理工大學，助理工程師，研究方向：水泥相關設備研究。

0 緒論

水泥作為我國傳統型支柱產業，其產量直接影響經濟的發展，而水泥粉磨是水泥生產最后的工序，對水泥產量有決定性的影響力。根據目前國內外的研究現狀發現，水泥粉磨基于大數據的發展模式較為落后，在工藝流程中磨物料粗、穩流倉料位頻繁波動等對生產效率有干擾作用的問題[1]，大多解決方案都是單因素控制[2]，因此基于水泥閉路粉磨系統工藝流程，通過分析相應的參數，建立系統模型，設計出水泥閉路粉磨系統協調控制器，并提出預粉磨系統與終粉磨系統協調控制的方案，能夠有效地進行多因素協同控制，為提高水泥粉磨的效率提供科學途徑。

1 水泥閉路粉磨系統工藝分析

水泥閉路粉磨工藝流程主要包括：出入磨斗式提升機、選粉機、穩流倉、輥壓機、循環風機、球磨機、后主排風機以及收塵器，不同設備相互連接、相互配合形成一個閉路系統[3]。喂料量首先是經皮帶秤和穩流倉，在輥壓機的作用下破碎，通過選粉機的篩選，較小破碎顆粒直接進入循環風機，較大破碎顆粒再回穩流倉[4]。循環風機將小顆粒送入球磨機進行粉磨，然后由出磨斗式提升機送入選粉機重復篩選，粉磨合格的由后主排風機送入成品庫，粉磨不達標的重回球磨機循環粉磨[5]。為了避免整體研究的繁雜，本文將粉磨系統劃分為預粉磨系統與終粉磨系統，進行局部分析，以達到部分見整體的研究效果。預粉磨系統流程從喂料量到輥壓機再到穩流倉，終粉磨系統由循環風機到球磨機再到回粉，其中球磨機到回粉進行循環。預粉磨系統和預粉磨系統在穩流倉與循環風機和球磨機的部分緊密聯系。

2 水泥閉路粉磨系統參數的選取

喂料量是水泥閉路粉磨系統的始端，喂料量的變化關系到整個系統的運行，最先導致穩流倉料位值波動，而穩流倉料位值就是預粉磨系統所處的狀態，因此可將喂料量設置為輸入量，穩流倉料位值設置為輸出量。與之對應的就是回粉量，能夠體現出終粉磨系統的一個輸出狀態，而回粉量是受循環風機轉速影響的，是終粉磨系統輸入端，因此循環風機轉速設置為終粉磨系統的輸入量，回粉量設置為終粉磨系統的輸出量。

參數設置好以后就需要確定數據，可以將工業現場作為數據來源，為了排除輥壓機跳停等干擾因素的影響，保障數據分析的可行性，可以采取均值濾波。具體操作方法如下：以10 為單位，對數據分組，求均值；數據采集周期T=1s；采樣點1 萬個；選取穩定時間段的采樣點數據5000 個。根據均值濾波獲取以下曲線：喂料量濾波前后對比曲線、穩流倉料位值濾波前后對比曲線、回粉量濾波前后對比曲線、循環風機轉速值濾波前后對比曲線。對比發現，喂料量、穩流倉料位值、循環風機轉速、回粉量的數據更加穩定，基本可以確定不受其他外部因素的影響，能夠做下一步研究。

3 水泥閉路粉磨系統模型建立流程

3.1 預粉磨系統模型建立流程

預粉磨系統模型建立是根據其工藝流程，結合了BP 神經網絡算法，通過一系列的修正最終確定了權值矩陣和閾值矩陣。模型總共分為三層：輸入層（2 個節點）、隱含層以及輸出層（1 個節點）。輸入層設置的是喂料量n時刻的狀態，穩流倉料位值n 時刻的狀態。隱含層設置的是神經元輸出。輸出層設置的是穩流倉料位值n+1 時刻的狀態。然后根據輸入層與隱含層的節點個數建立兩層之間的權值矩陣和閾值矩陣。為了使得誤差縮小到一定的范圍，便于研究，因此要將兩個矩陣進行一系列的修正，最終得到預粉磨系統的數學模型。最后在對輸入層的兩個節點進行滾動濾波的處理，即上文對于參數的處理，使得模型內部的關系更加清晰。

3.2 終粉磨系統模型建立流程

終粉磨系統模型建立是根據其工藝流程，結合最小二乘支持向量的方法，根據上文所確定的四個變量，得到終粉磨循環風機轉速與回粉量n 時刻狀態下的樣本集，最終構建拉格朗日方程組，尋找最優解，經過計算得到各個參數的數值，獲得終粉磨系統模型。

4 水泥閉路粉磨系統協調控制器的設計

水泥閉路粉磨工藝較為復雜，除了過程情況復雜，除了輥壓機跳停等設備故障造成的干擾，還有人為因素的干擾。為了使得水泥閉路粉磨系統的運行更穩定，需要設計協調控制器，使得系統具備強抗干擾能力。

4.1 預粉磨系統控制器設計

對水泥閉路粉磨預粉磨系統模型進行變形,建立預粉磨系統線性函數：等式左邊為穩流倉料位值在n+1 時刻的狀態，等式右邊為穩流倉料位值在n 時刻的狀態，再加上干擾項。其中變量為喂料量在n 時刻的狀態。根據工業現場的實際情況，首先確定輸出參數穩流倉料位值的誤差區間及其誤差變化率區間，其次對區間進行均分，建立三角隸屬度函數，最后計算隸屬度，得到穩流倉料位值的誤差、穩流倉料位值誤差的變化速率、穩流倉料位值的穩定值的模糊規則表，最終得到比例參數、積分參數、積分參數n 時刻的值。再設定周期T，就可以得到預粉磨系統控制器。利用模糊PID 算法調節比例參數、積分參數、積分參數n 時刻的值，調節輸入量，達到預定目的。

4.2 終粉磨系統控制器設計

對水泥閉路粉磨終粉磨系統模型進行變形，建立終粉磨系統線性函數：等式左邊為終粉磨系統中回粉量在n+1 時刻的狀態，等式右邊為回粉量在n 時刻的狀態，其中變量為循環風機轉速在n 時刻的狀態。將等式右邊根據泰勒級數展開式進行變形，再通過非奇異變換，可以得到新的終粉磨系統方程。再通過將不確定因素以及干擾因素轉化為復合干擾項，化解上述方程式可得終粉磨系統設計滑模面，最終設計出基于干擾的終粉磨系統控制器。終粉磨系統所設計的滑模控制器為了實現回粉量的輸出值多次發生變化，首先調節循環風機轉速，抑制干擾因素，然后使得輸出值與目標值匹配，實現了終粉磨系統控制器的有效運行。

5 預粉磨系統與終粉磨系統協調控制的方案

水泥廠目前的控制方案主要通過人工控制來協調，基于不同層次操作員的調控，可能造成水泥的質與量在較大范圍內波動，一方面給水泥廠帶來輸出偏差，另一方面給水泥需求方帶來不穩定原料供應狀況。因此建立預粉磨系統與終粉磨系統協調控制的方案能夠避免人工控制造成的內部影響，降低干擾度，對于水泥粉磨系統有著助推力。協調控制方案是根據預粉磨系統控制器和終粉磨系統控制器的運行模式提出的，具體來說要根據不同工況的現實狀況進行實際調整，主要分為磨機協調控制與粒度控制，前者控制的預粉磨系統與終粉磨系統，后者控制的水泥質量。具體方案如下：

終粉磨系統優先控制：當終粉磨系統波動較大，需要首先控制回粉量，以確保水泥質量，因此需要優先控制循環風機轉速值，在保障輸入與輸出穩定的情況下使得終粉磨系統得以控制；當粉磨系統本身較為穩定，預粉磨系統穩流倉料位值會根據終粉磨系統循環風機轉速的變化而動態變化，因此通過回粉量的控制來反作用于循環風機轉速，依次使得喂料量根據目標產量得以控制，從而實現預粉磨與終粉磨系統的動態平衡。

終粉磨系統與預粉磨系統協同控制：當終粉磨系統與預粉磨系統都處于較大波動狀態，沒有平穩運行，如果不加以控制，這種不平穩狀態會逐步增加，導致極端情況發生。這種兩個系統都不平穩時，采取終粉磨系統優先控制無法在短時間內形成動態平衡。因此需要對喂料量和回粉量同時進行控制，通過控制模型對參數進行微調，分階段逐步達到粉磨系統的動態平衡。

預粉磨系統優先控制：當表面上預粉磨系統與終粉磨系統都處于穩定狀態，喂料量和回粉量都呈現一定的平衡，系統整體運行順暢。但如果適當的從控制模型中調整喂料量的輸入情況，回粉量的輸出情況也有明顯改善，這說明粉磨系統未能達到最優動態平衡。為了進一步提升粉磨效率，需要對預粉磨系統進行優先控制。通過調整喂料量的輸入量，改變循環風機轉速的狀態，從而影響下一時刻回粉量的輸出情況，經過一系列模型參數的調整，最終形成新的穩定狀態，再次達到動態平衡。

6 結束語

本文根據粉磨系統的控制模型，提供了三種不同的協調控制方案。綜上所述，結合不同的工況問題，水泥閉路預粉磨系統與終粉磨系統的協調控制能夠有效調節預粉磨系統與終粉磨系統之間的動態平衡問題，提高水泥粉磨的效率，增加水泥產量。