生產過程優化控制在水泥企業的應用

1 控制系統現狀

當前水泥行業在積極探索如何利用物聯網、云計算、大數據、人工智能等多項新技術，推動行業的轉型升級。采用針對性的控制方案，以運行平穩化、及時化、精準化為目標，對關鍵設備或系統實施智能、優化控制，成為智能工廠建設的重要一環。基于DCS/PLC控制系統的應用，操作人員可以在中控室完成熟料生產線的操作，針對運行中的變化調整風量、煤量與原料量，克服各方面的干擾，穩定熟料燒成的預熱、分解、煅燒、冷卻各環節的生產過程。由于操作人員在技術水平、操作經驗和操作手法等方面的差異，導致生產運行操作難以統一規范，人與人之間、班與班之間的操作品質不同，磨機-熟料燒成各工序之間的協調性不足，熱工過程的穩定性不易保證，直接影響著生產線的質量、產量、單位能耗以及設備維修周期等多項技術-經濟指標，原-燃料特性波動應對不理想。

2 項目實施意義

傳統的生產線運行操作過于依賴于中控室操作人員的經驗，操作的統一性和規范性不足，不易及時發現擾動并加以抑制，裝置上下游協調同步受到人為因素的限制，應變能力難以保證，從而直接影響企業的產量、質量、能耗等經濟效益指標，現有DCS/PLC控制系統應有的效益也沒有充分發揮。通過引入智能優化控制技術的專家系統，實現整個生產過程的自動操作運行，有利于改善生產線運行品質，提高公司的操作管理水平。

具體優勢體現在：(1)快速建立和維持裝置的整體穩定和協調運行；(2)穩定熟料產品質量；(3)在人工操作水平之上進一步提高熟料產能；(4)通過避免欠燒-過燒等合理操作降低單位能耗；(5)余熱發電、脫硝等系統緊密關聯燒成系統的運行，提高熱能回收效率，降低氨水消耗量；(6)降低操作人員的勞動強度。

3 優化控制特點

水泥熟料生產線運行操作的一個突出特點是過程對象存在大量的不確定性和隨機性，需面對多變量、大滯后、非線性和時變的復雜過程特性。其中既有可確定的多變量相互作用影響，還有原燃料、傳感器-執行器等特性變化的不確定作用，更有隨機發生的塌料、掉窯皮、跑斷煤等異常工況。因此不僅需要多變量預估技術支持抑制擾動的預操作，還需要自學習、自感知、自適應、自校正等智能控制來應對整個生產過程的不同變化。

傳統的PID控制受到自身“線性、單變量”等特性的局限，控制參數整定繁瑣而維持時間卻不確定，無法滿足水泥熟料燒成過程的控制需要。基于知識自動化的理念和方法，綜合現代控制技術成熟的MPC模型控制、ANN人工神經網絡控制、Fuzzy模糊控制、Expert專家控制等多種技術，相互補充、揚長避短解決生產線運行中的復雜控制問題的特點越來越顯露其技術優勢，更合理地構建水泥熟料燒成等過程的智能控制解決方案。

智能控制的基本性能有：(1)先進性：軟件的整體框架具有簡潔、優化和可擴展性，軟件編程語言具有先進性；(2)適用性：基于自感知、自學習和自適應控制技術，強化對儀表測量信號的容錯能力，對執行器操作的動態補償能力，對控制參數的調整能力，是各種優化控制的基本保證，能夠有效應對工況變化導致的模型失配問題(例如應對缺氧、原燃料變化、掉窯皮、跑斷煤等的調節)；(3)無縫對接：專家優化控制系統的運行建立在已有的DCS/PLC之上，不改變原有控制系統的程序及結構，對原現場系統無任何沖擊；(4)手-自動切換：操作員可以根據需要對任意回路實施手-自動切換，當遇到重大緊急情況發生時能夠快速的進行手-自動整體切換，切換時可確保輸出值穩定無跳變以避免對生產運行的擾動，當系統出現故障時，配合DCS系統及時發現并切除自動恢復為手動狀態，以確保裝置的運行安全；(5)系統運維及二次開發，均可通過“拖、拉、拽”方式，快速構建控制邏輯。

4 項目實施目的

項目實施要達到5個目的：(1)自動上料系統自動控制，實現相關電機-輸送皮帶等設備的一鍵啟停和安全運行；(2)實現磨機智能優化控制，提高原料磨、煤磨臺時、負荷、溫度等關鍵經濟技術指標的穩定高效運行；(3)燒成系統的智能優化控制，自動感知和自適應原-燃料特性變化，自動補償煤秤-原料秤等執行精度的偏差，強化對于傳感器的容錯能力，整體提高智能控制系統的自動控制投運率；(4)余熱發電及脫銷系統智能優化控制，確保其與燒成系統的緊密跟蹤性能，實現熱能的高效回收、合格排放前提下的降低脫硝成本；(5)水泥磨智能優化控制，實現提產、降耗、穩質。

5 優化控制方案

整體控制邏輯見圖1。

圖1 整體控制邏輯

序號控制單元控制模塊1熟料燒成系統窯尾喂煤量控制、窯頭煤穩定控制、高溫風機控制、窯頭排風機控制、篦速控制、篦下風機控制、入窯生料穩定性控制、窯速控制、脫銷控制2煤磨系統磨機喂煤量、出磨溫度3生料磨系統石灰石破碎控制、原料預均化堆場自動上料連鎖控制、磨機喂料量控制、磨尾排風機控制、磨機出口溫度控制4余熱發電系統主汽壓力控制、汽輪機均壓箱壓力控制、鍋爐給水壓力控制、SP爐高壓汽包水位控制、AQC爐高壓汽包水位控制、AQC爐低壓壓汽包水位控制、冷凝器液位控制等5水泥磨系統磨機一鍵啟停、水泥品種控制、總產量控制、下料閘板控制、質量控制、選粉機轉速控制等

窯尾煤控制效果見圖2。

圖2 窯尾煤控制

由圖可看出通過多變量預估技術并結合自學習、自感知、自適應、自校正等智能控制技術可以預判窯尾溫度變化趨勢提前作出增減煤的動作，并在斷煤時及時給予動態補償穩定熱工制度。

脫硝控制效果見圖3。

圖3 脫硝控制效果

余熱液位控制效果見圖4。

圖4 余熱液位控制效果

6 效益分析

專家優化控制系統投運以來，運行穩定、各功能應用良好，產生了較好的經濟效益，主要體現在以下七個方面：

(1)產品提升的效益：由于智能控制的投運改善了生產過程的穩定性，尤其縮小了關鍵工藝參數的波動范圍，使得裝置安全生產的裕度增大，設備及工況允許進一步增加生料喂料量，從而產能得以提高；(2)質量穩定的效益：穩定的熱工制度保障了游離鈣、立升重等質量指標的穩定，生產運行中的燃料量全部用于分解與煅燒，避免了生產不合格熟料所消耗的能源的浪費；(3)操作規范的效益：消除人-人、班-班、晝-夜之間的操作品質差異，避免了誤操作引起的欠燒與過燒造成的能源浪費；(4)優化平臺的效益：智能控制實現了生產過程的操作優化，能夠作為工藝優化的基礎條件，便于根據原料、燃料和設備現狀尋求更優化的生產配方、工藝參數等；(5)設備壽命延長的效益：在智能控制運行環境中熱工制度的調整更加平滑，風量的增減、溫度升降幅度更小，從而杜絕了風、煤調整的劇烈動作；(6)環保排放的效益：氨水的消耗是脫硝裝置運行成本的關鍵參數。應用先控系統使脫硝裝置能夠保持對熟料生產線操作協調同步，避免過量加氨或加氨不足增大超標排放，從而節約了氨水消耗，降低了脫硝成本；(7)具備與優化系統的充分融合能力，具備開展在線實時優化等功能的堅實基礎，在開啟優化模式后，能夠更加準確的確定關鍵工藝參數的設定值，并實現穩定控制。

圖5 三級控制模式

基于成熟的控制算法和模板化軟件結構，專家系統能夠支持在線安裝調試，可保證在較短時間完成控制方案的部署和相關參數的配置，調試期間對正常生產運行影響小，該項目無風險。

7 結 語

專家優化控制系統在我公司水泥熟料生產線應用效果良好，生產過程運行更穩定，操作更靈活，應對來自原燃材料、設備、儀表等各方面的干擾更及時有效，生產控制實現智能、優化控制。一方面提高生產線控制水平，向智能化控制邁進；另一方面，由于專家控制系統控制精確度提高，帶來生產經濟技術指標的提升，產生較好的經濟效益。