輥道窯窯爐智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

江竹亭楊蕓 羅明照

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001；2.江西陶瓷工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001；3.佛山市華夏建筑陶瓷研究開發(fā)中心，廣東佛山528061）

0 概述

“輥道窯智能控制系統(tǒng)”是集節(jié)能與管理功能融為一體、將模糊邏輯、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)和最優(yōu)控制、運(yùn)籌學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)綜合的先進(jìn)控制系統(tǒng)。目前，在陶瓷行業(yè)屬首創(chuàng)的輥道窯控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件核心部分采用國(guó)內(nèi)工業(yè)爐窯控制專家40余年專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合諸多國(guó)內(nèi)外企業(yè)和專家提供的資料、數(shù)據(jù)構(gòu)成了專家系統(tǒng)?！癐CPower輥道窯智能控制系統(tǒng)”可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)地分析處理，根據(jù)給定的任務(wù)要求，在可能的處理措施中選擇最合適的控制參數(shù)和方法，改變控制策略去適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性，以最優(yōu)的方案，達(dá)到控制目標(biāo)，解決了傳統(tǒng)控制無(wú)法很好地適應(yīng)多變復(fù)雜對(duì)象的難題；能在燃料發(fā)熱值和壓力等頻繁波動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，將老式的手動(dòng)操作的爐窯，經(jīng)過(guò)智能控制技術(shù)改造，一步到位變成自動(dòng)、高效率的自動(dòng)化爐窯，節(jié)能5%以上。

1 窯爐智能控制系統(tǒng)的定義

窯爐智能控制系統(tǒng)是窯爐控制發(fā)展的一種高級(jí)階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成的系統(tǒng)。它以模糊數(shù)學(xué)控制理論做為理論基礎(chǔ)，以對(duì)窯爐當(dāng)時(shí)測(cè)定參數(shù)為依據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)改變風(fēng)機(jī)變頻頻率來(lái)達(dá)到符合當(dāng)時(shí)工況的最佳空燃比，實(shí)現(xiàn)合理燃燒，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 智能控制系統(tǒng)的原理

智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其中主要包括的結(jié)構(gòu)及功用如下所示。

（1）廣義對(duì)象：主要是指工況環(huán)境，工況變化，包括空窯、產(chǎn)品的含水率以及燃料的成分變化等情況；

（2）執(zhí)行器：主要包括一級(jí)助燃風(fēng)機(jī)的變頻、一級(jí)排煙風(fēng)機(jī)的變頻以及推進(jìn)器電機(jī)的變頻等；

（3）傳感器：指為反饋提供的原始參數(shù)，如零壓點(diǎn)位置的壓力測(cè)試、窯爐的燒成溫度曲線以及助燃風(fēng)溫度等；

（4）認(rèn)知：主要是計(jì)算機(jī)的接收和儲(chǔ)存知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析、推理，作出行動(dòng)的決策，送至規(guī)劃和控制部分。

（5）規(guī)劃和控制：是智能控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)給定的任務(wù)要求、反饋的信息以及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，進(jìn)行自動(dòng)搜索，推理決策，動(dòng)作規(guī)劃，最終產(chǎn)生控制作用，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于控制對(duì)象；

圖1 窯爐智能控制系統(tǒng)原理的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 he mechanism of the intelligent kiln control system

（6）感應(yīng)信息處理：是對(duì)傳感器傳過(guò)來(lái)的信息做一定的處理，便于計(jì)算機(jī)的認(rèn)知過(guò)程；

（7）人機(jī)聯(lián)系、與其它模塊接口：主要為了當(dāng)該智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由其它方式來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)。

總的來(lái)說(shuō)，智能控制系統(tǒng)可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)地分析處理，根據(jù)給定的任務(wù)要求，在可能的處理措施中選擇最合適的控制參數(shù)和方法，以最優(yōu)的指標(biāo)，達(dá)到控制目標(biāo)。

3 傳統(tǒng)控制與智能控制的區(qū)別

（1）傳統(tǒng)窯爐控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的窯爐控制系統(tǒng)＝（不精確的）數(shù)學(xué)模型+固定的控制算法。它缺乏靈活性和應(yīng)付能力，傳統(tǒng)控制方法難以解決復(fù)雜工況的控制問(wèn)題。而實(shí)際陶瓷窯爐生產(chǎn)的過(guò)程中常常存在復(fù)雜性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等工況，一般都無(wú)法獲得一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。而傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制算法卻是固定的。因此，缺乏控制的靈活性和應(yīng)變能力，所以很難勝任對(duì)爐窯這類復(fù)雜系統(tǒng)的控制。而當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)常常是由各廠窯爐主任的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。由于缺乏有效的數(shù)據(jù)采集和數(shù)學(xué)模型，常常出現(xiàn)窯爐零壓點(diǎn)的大幅度的移動(dòng)，造成產(chǎn)品生燒或是過(guò)燒現(xiàn)象，造成相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題以及能耗不合理現(xiàn)象。

（2）窯爐智能控制系統(tǒng)

窯爐智能控制系統(tǒng)是通過(guò)模糊數(shù)學(xué)控制理論對(duì)窯爐每一時(shí)刻都進(jìn)行接受與反饋處理工作。在任何工況下，智能控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接受窯爐各測(cè)試點(diǎn)反映的參數(shù)通過(guò)計(jì)算程序計(jì)算一個(gè)最合理的結(jié)果。由此結(jié)果反饋到影響窯爐燃燒的執(zhí)行設(shè)備上去，保證滿足其產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到最小能耗的效果。而這一接受到反饋的過(guò)程極其短暫，幾乎可以視為同時(shí)發(fā)生。這點(diǎn)在很大的程度上改變控制策略去適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題。相對(duì)傳統(tǒng)的窯爐控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有著其無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

4 智能控制系統(tǒng)檢測(cè)和控制的內(nèi)容

（1）溫度的檢測(cè)與控制：主要是對(duì)窯爐燒成段溫度曲線以及助燃風(fēng)溫的檢測(cè)與控制，保證最佳的燒成溫度，確保產(chǎn)品的質(zhì)量；

（2）壓力的檢測(cè)與控制：主要是窯爐零壓點(diǎn)的測(cè)試，了解窯爐內(nèi)氧化段的長(zhǎng)度，為系統(tǒng)判斷提供調(diào)節(jié)參數(shù)依據(jù)。其他壓力測(cè)試點(diǎn)包括有爐膛壓力、風(fēng)壓、油壓、煤氣壓力、蒸氣壓力等；

（3）煤氣的消耗檢測(cè)：對(duì)煤氣流量表的定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出煤氣的消耗量；

（4）煤氣熱值檢測(cè)：對(duì)煤氣的成分含量的檢測(cè)，計(jì)算出煤氣的熱值。

5 智能控制可以解決以下的難點(diǎn)問(wèn)題

（1）采集常規(guī)檢測(cè)參數(shù)如溫度，流量，壓力等，通過(guò)專家系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)合燃燒數(shù)學(xué)模型，分析出當(dāng)前燃燒工況，并以運(yùn)籌決策的方式對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行修正，調(diào)節(jié)窯爐的工作參數(shù)，使之達(dá)到最佳燃燒，提高其熱效率。

（2）當(dāng)煤氣熱值，燒成負(fù)荷等工況發(fā)生變化時(shí)，智能系統(tǒng)可以通過(guò)專家系統(tǒng)，分析到這些變化。調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，穩(wěn)態(tài)爐溫精度達(dá)到設(shè)定值的±1%以內(nèi)，節(jié)能5～10%以上。同時(shí)由于燃燒充分，減少了燃料的消耗，減少了CO2、SO2、NOx等有害氣體的排放，為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

（3）智能控制終端能非常靈活、方便的嵌入于原有的控制系統(tǒng)中。如原有系統(tǒng)已經(jīng)擁有了現(xiàn)代化的I/O設(shè)備及操作員PC，“ICPower”只需通過(guò)普通網(wǎng)線即可接入原有的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化功能。即使原有系統(tǒng)的I/O設(shè)備比較落后或根本沒(méi)有I/O設(shè)備，“智能控制”也可以擁有自己性能良好的YNC-H DCS系統(tǒng)，打造全新的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

6 突破點(diǎn)

（1）開發(fā)陶瓷燒成窯的溫度、燃料量、壓力參數(shù)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)工況的動(dòng)態(tài)跟蹤、實(shí)時(shí)優(yōu)化；

（2）該系統(tǒng)具備控制規(guī)律在線自動(dòng)選擇、工作參數(shù)在線自動(dòng)整定、設(shè)定值在線自動(dòng)修正和邏輯推理自學(xué)習(xí)控制等特點(diǎn)。

7 智能控制系統(tǒng)投運(yùn)的原則

（1）原窯爐的結(jié)構(gòu)，管網(wǎng)及附屬設(shè)備基本不做改動(dòng)。

（2）原有儀表檢測(cè)系統(tǒng)全部保留，如果缺乏，需增加如下測(cè)點(diǎn)：煤氣流量，助燃風(fēng)流量，急冷風(fēng)量，排煙風(fēng)量，抽熱風(fēng)量；以及助燃、急冷、排煙，抽熱、快冷、推進(jìn)器電機(jī)等變頻器信號(hào)。

（3）將原有控制系統(tǒng)改造成智能控制系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)采集到ICPower軟件系統(tǒng)中來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化運(yùn)算；然后把輸出參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)閥門和變頻器等。

8 系統(tǒng)實(shí)施方案

（1）“輥道窯智能控制系統(tǒng)”將排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、抽熱風(fēng)機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)及數(shù)據(jù)采集形成一套系統(tǒng)，通過(guò)壓力、溫度等各監(jiān)視點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)輸入到“輥道窯智能控制系統(tǒng)”專家系統(tǒng)。當(dāng)窯內(nèi)熱負(fù)荷發(fā)生變化和擾動(dòng)時(shí)專家系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析判斷，優(yōu)選策略，對(duì)排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、抽熱風(fēng)機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化燃燒達(dá)到節(jié)能效果，節(jié)能率在5%以上。

（2）添加2臺(tái)智能控制站，通過(guò)485通訊方式，跟原有系統(tǒng)連接起來(lái)，讀取原有儀表和新增設(shè)備檢測(cè)到的所有數(shù)據(jù)，如溫度、流量、壓力、閥位開度、變頻器信號(hào)等，將這些檢測(cè)數(shù)據(jù)送入ICPower軟件，由專家系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，判斷出當(dāng)前工況；再由規(guī)劃和控制系統(tǒng)分析出應(yīng)該采取的措施，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回原有儀表和I/O模塊系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制過(guò)程。

（3）新增的2臺(tái)智能控制站通過(guò)以太網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)共享。便于智能控制系統(tǒng)全面監(jiān)控生產(chǎn)狀況，合理分配資源，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。煤氣站可以看到窯爐的數(shù)據(jù)，但是不能進(jìn)行操作；窯爐可以看到煤氣站的狀況，同樣不能進(jìn)行操作。系統(tǒng)還可以在生產(chǎn)廠長(zhǎng)和技術(shù)科等部門增加高級(jí)終端，高級(jí)終端可以看到煤制氣爐、壓機(jī)、窯爐的所有數(shù)據(jù)，對(duì)于全廠生產(chǎn)狀況一目了然。方便管理人員監(jiān)控及決策。

圖2 ICPower智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the ICPower intelligent control system

9 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)在工業(yè)爐窯上的應(yīng)用原則是“用最優(yōu)的設(shè)定溫度滿足生產(chǎn)要求；用最少的燃料消耗達(dá)到設(shè)定溫度；用最佳的空燃配比實(shí)現(xiàn)合理燃燒”，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能。

(1）邏輯推理自學(xué)習(xí)

為避開一些檢測(cè)和建模的困難，采用智能控制技術(shù)，可以根據(jù)易測(cè)的已知量，加以自動(dòng)邏輯推理判斷，自學(xué)習(xí)歸納得出許多重要的判據(jù)來(lái)。

(2）控制規(guī)律的在線自動(dòng)選擇

控制規(guī)律應(yīng)隨著工況的變化而自動(dòng)變換。例如：在加熱升溫階段時(shí)，重點(diǎn)在于自動(dòng)搜索并跟蹤調(diào)節(jié)最佳空氣燃料配比，因而采用自尋優(yōu)的控制規(guī)律。在保溫階段，重點(diǎn)在盡量減少保溫的偏差，保持合適的保溫氣氛，則可采用智能PID調(diào)節(jié)或相關(guān)的程序控制。

(3）工作參數(shù)的在線自動(dòng)整定

在常規(guī)PID中，控制都是由人工整定的，而在本系統(tǒng)的智能PID中，則可根據(jù)工況來(lái)自動(dòng)整定。這樣，就能自動(dòng)保持最佳的工作參數(shù)和良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

(4）設(shè)定值的自動(dòng)修正

常規(guī)的設(shè)定值都是人工給定不變的，在實(shí)際生產(chǎn)中往往滿足不了工況變化的要求，但一般生產(chǎn)過(guò)程中溫度設(shè)定值是變化的，智能控制系統(tǒng)就可以自動(dòng)修正有關(guān)的設(shè)定值。

(5）疏磚特殊工況

一般控制系統(tǒng)或操作工手動(dòng)控制方式對(duì)輥道窯的疏磚工況往往反應(yīng)相對(duì)遲緩，智能控制系統(tǒng)則能通過(guò)對(duì)窯溫等信號(hào)的監(jiān)視，經(jīng)過(guò)特殊判斷甄別模型判斷出疏磚工況，做出正確的控制策略。確保疏磚工況下的產(chǎn)品加熱溫度達(dá)到合適的工藝要求溫度，提高成品率，降低能耗。

(6）優(yōu)化燃燒

“輥道窯智能控制系統(tǒng)”將排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、抽熱風(fēng)機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)及數(shù)據(jù)采集形成一套系統(tǒng)，通過(guò)壓力、溫度等各監(jiān)視點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)輸入到“輥道窯智能控制系統(tǒng)”專家系統(tǒng)。當(dāng)窯內(nèi)熱負(fù)荷發(fā)生變化和擾動(dòng)時(shí)專家系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析判斷，優(yōu)選策略，對(duì)排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、抽熱風(fēng)機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化燃燒達(dá)到節(jié)能效果，節(jié)能率在5%以上。

（7）管理功能

1）工藝流程

動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)窯爐和煤制氣爐的基本結(jié)構(gòu)、燃料管道走向、各風(fēng)管道走向等工藝流程。

2）控制選擇

手動(dòng)：原有控制方式，“輥道窯智能控制系統(tǒng)”不介入；

自動(dòng)：“輥道窯智能控制系統(tǒng)”部分介入：在計(jì)算機(jī)上可調(diào)節(jié)溫度、各風(fēng)機(jī)頻率，記錄各點(diǎn)數(shù)據(jù)，但不控制風(fēng)機(jī)的頻率。

運(yùn)行：“輥道窯智能控制系統(tǒng)”介入，記錄各點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)控制機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒。

3）數(shù)據(jù)在線采集

燃料采集：可采集記錄燃料的瞬間燃料的流速、消耗累計(jì)量和顯示出生產(chǎn)每平方米磚所消耗燃料的立方數(shù)（m3/m2）。

產(chǎn)量采集：對(duì)入窯的磚坯數(shù)及平方數(shù)進(jìn)行采集記錄，并顯示入窯磚坯平均速度。

4）報(bào)表生成

對(duì)平方產(chǎn)量、燃料消耗以及磚耗按日?qǐng)?bào)、月報(bào)統(tǒng)計(jì)。日?qǐng)?bào)表是分別按當(dāng)日白、中、夜三個(gè)班和整天統(tǒng)計(jì)；月報(bào)表是統(tǒng)計(jì)當(dāng)月每天白、中、夜三個(gè)班及月累計(jì)量及月平均磚耗。

5）數(shù)據(jù)查詢

可對(duì)所有各點(diǎn)溫度、窯壓、各風(fēng)機(jī)頻率、燃料流速、磚坯面積產(chǎn)量進(jìn)行查詢分析，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為二年。

6）工程師站

工程師站分為正常生產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)。設(shè)定正常生產(chǎn)和轉(zhuǎn)產(chǎn)的各風(fēng)機(jī)頻率的上下限值，生產(chǎn)時(shí)按生產(chǎn)按鈕，各風(fēng)機(jī)按設(shè)定值自動(dòng)運(yùn)行；轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)按轉(zhuǎn)產(chǎn)按鈕，各風(fēng)機(jī)按轉(zhuǎn)產(chǎn)值自動(dòng)運(yùn)行，不需要操作工人逐個(gè)調(diào)節(jié)。

7）故障記錄

當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警記錄，記錄出現(xiàn)故障的設(shè)備和時(shí)間，以便管理人員監(jiān)管查詢。

10 案例與經(jīng)濟(jì)效益分析

“輥道窯智能控制系統(tǒng)”具有先進(jìn)性和可行性，采用的技術(shù)部分均為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，研究開發(fā)內(nèi)容多來(lái)源來(lái)生產(chǎn)實(shí)踐，針對(duì)性強(qiáng)并已在陶瓷輥道窯上得以應(yīng)用。以某陶瓷廠為例，一條日產(chǎn)12000平方米陶瓷磚的輥道窯，在沒(méi)有應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)前的每天用煤量為50噸，智能控制系統(tǒng)投入后每天用煤量為47.5噸，節(jié)約用煤2.5噸，節(jié)能率為5%左右。以每噸標(biāo)準(zhǔn)煤1100元計(jì)算，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的CO2以2.4噸計(jì)算，每年按330天工作日計(jì)算，其節(jié)能效果顯著，詳見(jiàn)表1數(shù)據(jù)。

佛山另一家知名陶瓷有限公司一條平均每天生產(chǎn)219.63噸，8000平方米陶瓷磚的輥道窯在未使用“輥道窯智能控制系統(tǒng)”前月平均每噸陶瓷磚耗煤129.90公斤，使用“輥道窯智能控制系統(tǒng)”后月平均每噸陶瓷磚耗煤116.11公斤，月平均節(jié)約燃料10.62%。每年按330天計(jì)，每年可節(jié)省燃煤999.47噸煤，節(jié)能效率可觀。

表1 散能量表Tab.1 Energy dispersion table

11 結(jié)束語(yǔ)

“輥道窯智能控制系統(tǒng)”具有先進(jìn)性和可行性，采用的技術(shù)均為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，研究開發(fā)內(nèi)容多來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，針對(duì)性強(qiáng)，目前已在陶瓷輥道窯上得以應(yīng)用。每條窯平均一年可節(jié)省燃料費(fèi)用百萬(wàn)元，減少CO2的排放二千噸，達(dá)到了節(jié)能減排的良好效果，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來(lái)了社會(huì)效益。