先進(jìn)控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

孟圣坤 張耀 向啟令 李正旺 楊應(yīng)和

摘 要：科技的進(jìn)步，促進(jìn)工程建設(shè)事業(yè)得到快速發(fā)展。水泥作為當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的建筑材料，一直受到人們的廣泛關(guān)注。水泥的生產(chǎn)對于一個國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的迫切需要，水泥行業(yè)智能化生產(chǎn)成為水泥行業(yè)內(nèi)的前沿趨勢。本文就先進(jìn)控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制系統(tǒng);水泥;引言

由于先進(jìn)控制技術(shù)在水泥生產(chǎn)優(yōu)化控制方面具有明顯的優(yōu)勢，研發(fā)先進(jìn)控制軟件是當(dāng)前水泥工業(yè)研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。依靠水泥廠先進(jìn)控制軟件能夠優(yōu)化水泥生產(chǎn)過程控制，提高產(chǎn)量，降低能耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到環(huán)保要求，穩(wěn)定系統(tǒng)控制，最大程度地提高水泥生產(chǎn)企業(yè)的利潤，進(jìn)而增強(qiáng)水泥生產(chǎn)企業(yè)的核心競爭力。

1 生產(chǎn)流程及工藝要求

生產(chǎn)水泥熟料采用的主要原料是石灰石、粘土和鐵粉，將這些原料按一定比例配合粉磨后，制成生料，然后，以煤為燃料用水泥回轉(zhuǎn)窯對生料連續(xù)加熱，使其經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)變成熟料。整個熟料生產(chǎn)過程可以分為以下四個階段：①干燥、預(yù)熱：生料經(jīng)卸料、計量系統(tǒng)，再經(jīng)氣力輸送和高效斗提機(jī)喂入五級旋風(fēng)筒預(yù)熱器，由熱風(fēng)進(jìn)行干燥、加熱到一定溫度;②分解：經(jīng)干燥預(yù)熱后的物料進(jìn)入分解爐，從冷卻機(jī)抽來的熱風(fēng)送入分解爐旋渦室，使物料進(jìn)一步升溫，完成分解;③煅燒：經(jīng)預(yù)熱器、分解爐后大體完成了碳酸鹽分解的物料進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行煅燒;④冷卻：煅燒后的熟料進(jìn)入窯頭蓖冷機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行熟料冷卻，再經(jīng)盤式輸送機(jī)輸送到熟料儲庫。為保證窯系統(tǒng)的良好的燃料燃燒和熱傳遞條件，從而保證窯系統(tǒng)的最佳的穩(wěn)定的熱工制度，工藝要求模擬量輸入（AI）165點(diǎn)，模擬量輸出（AO）32點(diǎn)，數(shù)字量輸入（DI）282點(diǎn)，數(shù)字量輸出（DO）163點(diǎn)。模擬量輸入信號包括設(shè)備調(diào)速、擋板開度、溫度、壓力、流量、電機(jī)功率、電機(jī)電流等信號的輸出給定;模擬量輸出信號包括設(shè)備調(diào)速、擋板開度等信號的輸出給定;數(shù)字量輸入信號包括備妥、設(shè)備運(yùn)行、故障、各種限位開關(guān)、保護(hù)開關(guān)等發(fā)出的信號;數(shù)字量輸出信號包括各臺設(shè)備的驅(qū)動信號。

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)能套件

先進(jìn)控制系統(tǒng)集控制和優(yōu)化于一體，不僅能提高生產(chǎn)過程的控制品質(zhì)，減少過程變量的波動，同時利用優(yōu)化模塊，可以實時的優(yōu)化生產(chǎn)，使企業(yè)的生產(chǎn)效益最大化。先進(jìn)控制系統(tǒng)平臺提供了全套先進(jìn)控制系統(tǒng)控制的工具，以滿足各種系統(tǒng)設(shè)計的要求，主要包括以下幾個功能套件：①模型預(yù)測控制技術(shù)：模型預(yù)測控制是一種多變量高級控制技術(shù)，通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測控制程序的將來行為。模型預(yù)測能在實際的限制下計算出最佳作動，使實際和所希望的程序行為間的誤差減到最少從而達(dá)到精確控制;②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用包括非線性的限制管理和推論性的測量預(yù)測;③模糊邏輯控制技術(shù)：模糊邏輯控制器能夠應(yīng)付各式各樣的工業(yè)控制問題。模糊邏輯用語言變量而非分析的方程式來描述控制行動。模糊化界面用以將輸入轉(zhuǎn)成模糊化數(shù)據(jù);用推論引擎執(zhí)行所有模糊化輸出計算去模糊化界面用以將模糊化輸出轉(zhuǎn)成實際輸出數(shù)據(jù);④最優(yōu)化技術(shù)：通過制定經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)，利用線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃技術(shù)，得出裝置經(jīng)濟(jì)利益最大化的目標(biāo)。保證每一個控制周期，均將裝置向最優(yōu)操作點(diǎn)推進(jìn);⑤軟測量技術(shù)：主要針對工業(yè)過程中各種無法直接測量的變量。由于測量設(shè)備限制樣本測量周期過長的變量。通過軟測量技術(shù)，可以得到上述變量的實時值，為過程控制提供重要依據(jù);⑥自適應(yīng)功能技術(shù)：窯磨軟件的在線自適應(yīng)模塊，在MPC控制器對裝置實現(xiàn)控制的同時，可實時監(jiān)測當(dāng)前模型對于過程的偏差情況。

3 預(yù)測控制發(fā)展現(xiàn)狀

控制系統(tǒng)由控制對象（或者被控過程）和控制器組成。在控制對象和控制器之間要有執(zhí)行器來執(zhí)行控制器的決策，同時要有傳感器為控制器提供控制對象的信息。控制器如果是人，這個控制系統(tǒng)就是手動控制;如果控制器是電子或者機(jī)械的自動裝置，就組成了自動控制系統(tǒng)。而大多數(shù)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計過程都可以歸結(jié)為控制器的設(shè)計實現(xiàn)。過程控制中有兩種控制器的設(shè)計方法：一種是基于經(jīng)驗的方法，設(shè)計者根據(jù)控制對象的動態(tài)特性和以往的經(jīng)驗選擇控制器，通常是PID控制器，安裝好控制系統(tǒng)后再調(diào)整控制器的參數(shù);另一種方法是基于模型的方法，根據(jù)控制對象的模型設(shè)計控制器，通過計算機(jī)仿真和現(xiàn)場調(diào)試確定控制器參數(shù)。幾乎所有的高級控制技術(shù)都是基于模型的，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的嚴(yán)謹(jǐn)，因此，我們的問題才有可能更加明確，最后得到滿意的解決。先進(jìn)控制實質(zhì)就是設(shè)計一種基于模型的控制器。在先進(jìn)控制領(lǐng)域，預(yù)測控制是應(yīng)用最成功、最廣泛的策略之一。

預(yù)測控制是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測系統(tǒng)的未來輸出，并根據(jù)被控變量與設(shè)定值之間的誤差確定當(dāng)前時刻的控制作用，這比僅由當(dāng)前誤差確定控制作用的常規(guī)控制具有更好的控制效果。預(yù)測控制的主要算法包括模型算法控制（MAC）、動態(tài)矩陣控制（DMC）、廣義預(yù)測控制（GPC）、滾動時域控制（RHC）、二次動態(tài)矩陣控制（QDMC）以及預(yù)測函數(shù)控制（PFC）等。預(yù)測控制具有預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正三個基本特征。預(yù)測模型是根據(jù)被控對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測系統(tǒng)的未來輸出。預(yù)測模型形式可以是參數(shù)模型、非參數(shù)模型（例如脈沖響應(yīng)和階躍響應(yīng)等）、智能模型（例如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型、模糊邏輯模型和小波網(wǎng)絡(luò)模型等）。滾動優(yōu)化是指優(yōu)化過程隨時間推移在線優(yōu)化、反復(fù)進(jìn)行。在每一采樣時刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及從當(dāng)前時刻到未來有限的時間，而到下一采樣時刻，優(yōu)化區(qū)間隨之向前推移。因此，滾動優(yōu)化雖然在控制的每一步實現(xiàn)的都是靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化，但是實際上在控制的全過程則表現(xiàn)為動態(tài)優(yōu)化。反饋校正是指在每一采樣時刻，都要用實際的輸出對模型的預(yù)測輸出進(jìn)行校正，這樣就能有效地克服模型的不精確性和系統(tǒng)中存在的不確定性造成的不利影響。

4 先進(jìn)智能粉磨控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景

隨著現(xiàn)代建筑施工工程的逐步規(guī)范，用戶對水泥質(zhì)量的要求越來越高。顆粒級配分布合理、質(zhì)量穩(wěn)定的水泥受到用戶的青睞。提高水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法是提高水泥粉磨細(xì)度，將細(xì)度控制在80μm方孔篩篩余1%～3%左右、比表面積控制在350～380m2/kg左右。但是這種做法會在一定程度上導(dǎo)致過粉磨，使得小于3μm的顆粒含量過多，不利于水泥后期強(qiáng)度的增長，且對混凝土的外加劑適應(yīng)性影響較大。同時，由于磨機(jī)操作人員無法實時得知水泥的粒度情況，為了達(dá)到質(zhì)量要求，不得不故意研磨得細(xì)一些，這樣就必然導(dǎo)致過粉磨現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致能耗居高不下。因此，采用傳統(tǒng)方法無法解決水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的波動問題。采用智能粉磨控制系統(tǒng)結(jié)合在線粒度分析儀可以實時監(jiān)測、調(diào)控水泥的比表面積，可以在適度粉磨的情況下，讓水泥質(zhì)量曲線最大限度接近客戶要求的界限，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。而且隨著智能讀取數(shù)據(jù)量越大，智能系統(tǒng)控制越準(zhǔn)確，生產(chǎn)會越穩(wěn)定。同時，使用在線粒度分析儀自動取樣測量，既減少了人力勞動，也避免了人工測量過程中誤差的導(dǎo)入。總之，使用智能粉磨控制系統(tǒng)能夠優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)的自動化程度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，提高企業(yè)的核心競爭力。

5 結(jié)語

水泥廠的生產(chǎn)系統(tǒng)一般都存在大時滯、多變量耦合、被控變量和控制變量具有各種約束等特征，傳統(tǒng)的PID控制對處理這些問題往往效果不佳，需要借助先進(jìn)控制技術(shù)來進(jìn)行水泥廠的優(yōu)化控制。通過實施先進(jìn)控制軟件，能夠達(dá)到增強(qiáng)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加裝置處理量、降低運(yùn)行成本等效果，可以給水泥廠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。由于先進(jìn)控制軟件能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此這方面的軟件也身價倍增。國際上已經(jīng)有幾十家公司推出了上百種先進(jìn)控制優(yōu)化軟件產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)形成了一個強(qiáng)大的流程工業(yè)應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)。因此開發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)控制優(yōu)化軟件，打破國外產(chǎn)品的壟斷，具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王艷秋.先進(jìn)控制技術(shù)的集成及應(yīng)用研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2018.

[2]馮立.基于模型預(yù)測控制的反應(yīng)再生工藝控制實現(xiàn)[J].上海化工，2019，37（2）：20-23.

[3]高東杰，譚杰，林紅權(quán).應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2018.