水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王靖，艾軍，魏燦，朱金波

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水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王靖，艾軍，魏燦，朱金波

本文介紹了天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司最新開發(fā)成功的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。主要內(nèi)容包含該系統(tǒng)的工作原理、軟硬件配置以及主要功能等，并重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的實(shí)際控制效果。

智能控制；優(yōu)化控制；模塊控制；節(jié)能降耗

1水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)（TCOCS）（Cement Optimization Control System）是由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所開發(fā)，專門針對(duì)水泥廠復(fù)雜的生產(chǎn)過程而研發(fā)的一款新型智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多變量預(yù)測(cè)控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等多種先進(jìn)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨車間所有關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的過程優(yōu)化控制，并能夠及時(shí)檢測(cè)及自動(dòng)處理經(jīng)常發(fā)生的特殊工況，達(dá)到安全、穩(wěn)定、優(yōu)化的自動(dòng)控制效果。

采用TCOCS系統(tǒng)，預(yù)計(jì)能使水泥生產(chǎn)增產(chǎn)1%～12%，過程變動(dòng)性減少40%～80%，從而減少?gòu)U料和原料，單位能耗減少1%～10%，使達(dá)到環(huán)境排放法規(guī)所需的成本降低約50%，在不超過環(huán)境限制的前提下最大限度地提高產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)維持安全穩(wěn)定生產(chǎn)；能極大降低操作員的工作強(qiáng)度，大大提升企業(yè)的自動(dòng)化、信息化管理水平，能給企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

2水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和工作原理

TCOCS系統(tǒng)采用了多變量預(yù)測(cè)控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制理論，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)各個(gè)主要車間關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能優(yōu)化控制。TCOCS系統(tǒng)以天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司雄厚的技術(shù)支持為基礎(chǔ)，集合了大量水泥生產(chǎn)工藝知識(shí)及操作經(jīng)驗(yàn)，更加貼合水泥生產(chǎn)過程的實(shí)際工況。由于該TCOCS系統(tǒng)采用了預(yù)測(cè)控制理論，能夠預(yù)測(cè)過程變量的變化趨勢(shì)，因此控制效果更加精確，不僅能夠穩(wěn)定控制過程變量，還能夠確保過程變量在最優(yōu)狀況下運(yùn)行。

圖1　TCOCS系統(tǒng)工作原理圖

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

TCOCS系統(tǒng)通過OPC服務(wù)器采集DCS數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過信號(hào)處理模塊的濾波、軟儀表、失效數(shù)據(jù)檢測(cè)、噪聲檢測(cè)等方式進(jìn)行處理。處理完成的數(shù)據(jù)部分用于生產(chǎn)工況監(jiān)視模塊，用來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)特殊工況并進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)控制；部分用于先進(jìn)控制算法模塊，用來(lái)計(jì)算目標(biāo)控制變量的變化幅度，從而進(jìn)行智能優(yōu)化控制；部分用于監(jiān)視設(shè)備和軟件的運(yùn)行情況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并自動(dòng)處理，處理不了的情況可語(yǔ)音報(bào)警提醒操作員手動(dòng)干預(yù)（見圖1）。

3水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要功能

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

3.1原料粉磨系統(tǒng)

控制點(diǎn)有原料磨喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、研磨壓力、噴水量、循環(huán)風(fēng)閥、V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、原料磨入磨冷熱風(fēng)閥等。

測(cè)量點(diǎn)有原料質(zhì)量參數(shù)、原料磨差壓、磨主電機(jī)電流、循環(huán)斗式提升機(jī)電流、原料磨出口溫度、緩沖倉(cāng)倉(cāng)重等。

擾動(dòng)變量測(cè)點(diǎn)有磨機(jī)震動(dòng)、比表面積、篩余。

控制目標(biāo)：在保證原料質(zhì)量的前提下盡量提高產(chǎn)量，降低粉磨質(zhì)量的波動(dòng)，降低電耗，減少操作員的工作量，可對(duì)輥磨和輥壓機(jī)進(jìn)行控制。

實(shí)現(xiàn)的控制模塊有：

（1）輥壓機(jī)倉(cāng)重自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定倉(cāng)重的目標(biāo)值，該模塊即可通過控制原料調(diào)配的喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等變量來(lái)自動(dòng)控制輥壓機(jī)的倉(cāng)重。

TCOCS系統(tǒng)原料粉磨子系統(tǒng)（輥壓機(jī)）控制界面見圖2。

圖2　TCOCS系統(tǒng)原料粉磨子系統(tǒng)（輥壓機(jī)）控制界面

（2）原料輥磨差壓自動(dòng)控制模塊。對(duì)于原料輥磨，只需預(yù)先給定原料輥磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考輥磨外排量，同時(shí)考慮磨機(jī)震動(dòng)值，控制輥磨喂料量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制輥磨的差壓。

（3）原料輥磨出口溫度自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定原料輥磨出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過參考輥磨入口溫度，控制輥磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來(lái)自動(dòng)控制輥磨的出口溫度。

3.2燒成窯尾系統(tǒng)

控制點(diǎn)有分解爐喂煤量、窯喂料量、窯轉(zhuǎn)速、窯頭喂煤、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、煤磨進(jìn)料量、煤磨入口冷熱風(fēng)閥、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。

測(cè)量點(diǎn)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(fēng)溫、三次風(fēng)溫、煙室溫度、預(yù)熱器各級(jí)壓力、預(yù)熱器各級(jí)溫度、煤磨差壓、煤磨選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、煤磨外排量、煤磨出口溫度、煤磨入口溫度、窯內(nèi)O2、CO和NOx含量等。

控制目標(biāo)：穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況，確保良好的燒成條件，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量，降低煤耗和電耗，穩(wěn)定O2、CO和NOx含量，減少操作員的工作量等。

實(shí)現(xiàn)的控制模塊有：

（1）窯尾喂煤自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定分解爐出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過控制窯尾喂煤量，同時(shí)參考生料喂料量、三次風(fēng)溫、煙室溫度等變量來(lái)自動(dòng)控制分解爐出口溫度。

（2）窯頭喂煤自動(dòng)控制模塊。根據(jù)窯電流、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫、煙室溫度、窯內(nèi)NOx含量、游離氧化鈣含量等變量預(yù)估出窯內(nèi)的燒成帶溫度，進(jìn)而根據(jù)燒成帶溫度情況調(diào)整窯頭喂煤量、窯喂料量、窯轉(zhuǎn)速、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等變量來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)燒成帶的溫度。

（3）煤磨差壓自動(dòng)控制模塊。對(duì)于煤輥磨，只需預(yù)先給定煤磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考煤磨外排量，控制煤磨喂煤量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制煤磨的差壓；對(duì)于煤管磨，只需預(yù)先給定煤磨差壓的目標(biāo)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(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制煤磨的差壓。

（4）煤磨出口溫度自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定煤磨出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過參考煤磨入口溫度，控制煤磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來(lái)自動(dòng)控制煤磨的出口溫度。

TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)控制界面見圖3、圖4。

圖3　TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)分解爐溫度控制界面

圖4　TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)煤磨控制界面

3.3燒成窯頭系統(tǒng)

控制點(diǎn)有篦冷機(jī)篦速、窯喂料量、篦冷機(jī)各室風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/閥門開度、窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。

測(cè)量點(diǎn)有篦冷機(jī)篦下壓力、篦冷機(jī)各風(fēng)室壓力、窯頭負(fù)壓、收塵器入口溫度、熟料溫度、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫等。

控制目標(biāo)：穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況，確保良好的冷卻條件，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量，降低電耗，穩(wěn)定O2、CO和NOx含量，減少操作員的工作量等。

實(shí)現(xiàn)的控制模塊有：

（1）篦冷機(jī)篦速自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定窯喂料量，該模塊通過控制篦冷機(jī)的篦速來(lái)自動(dòng)控制篦下壓力到一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

（2）窯頭負(fù)壓自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定窯頭負(fù)壓的設(shè)定值，該模塊通過控制窯頭排風(fēng)機(jī)的頻率來(lái)自動(dòng)控制窯頭的負(fù)壓。

（3）各室風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定篦冷機(jī)各室壓力的設(shè)定值，該模塊通過控制各室風(fēng)機(jī)的頻率（變頻風(fēng)機(jī)）或風(fēng)門的開度（定頻風(fēng)機(jī)）來(lái)自動(dòng)控制各室的壓力。

TCOCS系統(tǒng)燒成窯頭子系統(tǒng)控制界面見圖5。

圖5　TCOCS系統(tǒng)燒成窯頭子系統(tǒng)控制界面

3.4水泥粉磨系統(tǒng)

控制點(diǎn)有水泥磨喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、研磨壓力、噴水量、循環(huán)風(fēng)閥、V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、石膏量、水泥磨入口冷熱風(fēng)閥等。

測(cè)量點(diǎn)有水泥磨差壓、水泥磨外排量、水泥磨主電機(jī)電流、循環(huán)斗式提升機(jī)電流、水泥磨出口溫度、水泥磨入口溫度、水泥磨緩沖倉(cāng)倉(cāng)重等。

控制目標(biāo)：在保證水泥質(zhì)量的前提下盡量提高產(chǎn)量，降低粉磨質(zhì)量的波動(dòng)，降低電耗，減少操作員的工作量，可對(duì)球磨、輥磨和輥壓機(jī)進(jìn)行控制。

實(shí)現(xiàn)的控制模塊有：

（1）水泥磨差壓自動(dòng)控制模塊。對(duì)于水泥輥磨，只需預(yù)先給定水泥磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考輥磨外排量、磨主電機(jī)電流、循環(huán)斗式提升機(jī)電流等，控制水泥磨喂煤量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制水泥磨的差壓；而對(duì)于水泥管磨，只需預(yù)先給定水泥磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考水泥磨外排量及循環(huán)斗式提升機(jī)電流，控制水泥磨喂料量及V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制水泥磨的差壓。

（2）水泥磨出口溫度自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定水泥磨出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過參考水泥磨入口溫度，控制水泥磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來(lái)自動(dòng)控制水泥磨的出口溫度。

4水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟硬件配置

TCOCS系統(tǒng)一般安裝在TCOCS操作站中，通過OPC服務(wù)器與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作（見圖6），進(jìn)而達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的目的。TCOCS系統(tǒng)所需要的安裝環(huán)境非常簡(jiǎn)單。軟件環(huán)境只需要操作系統(tǒng)使用Windows XP以上（推薦Windows7），并安裝Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)即可。硬件環(huán)境要求CPU采用Pentium IV處理器或更好，雙CPU處理器，2GHz或更高；內(nèi)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(xié)議，搭建局域網(wǎng)用于連接到DCS系統(tǒng)（推薦雙網(wǎng)卡，另一個(gè)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，用于遠(yuǎn)程登錄調(diào)試）。

圖6　帶TCOCS服務(wù)器的DCS架構(gòu)圖

5水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制效果

TCOCS系統(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)投用之后，分解爐溫度波動(dòng)范圍迅速收斂，能在正常工況條件下i 5℃以內(nèi)波動(dòng)，甚至能長(zhǎng)期保持在i 2℃范圍之內(nèi)，全工況在i 10℃之內(nèi)波動(dòng)。相比之前人工手動(dòng)控制，波動(dòng)范圍縮小了75%，大幅提高了分解爐溫度的穩(wěn)定程度，大大改善了燒成系統(tǒng)的工況，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量（見圖7）。此外，該系統(tǒng)安全可靠，在正常工況下能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度減少生產(chǎn)過程的波動(dòng)。系統(tǒng)投運(yùn)率能夠達(dá)到99%以上，極大降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖7　分解爐喂煤智能優(yōu)化控制模塊投運(yùn)與手動(dòng)控制效果對(duì)比

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

圖8　一室篦下壓力智能優(yōu)化控制模塊投運(yùn)效果圖

6　結(jié)語(yǔ)

TCOCS系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠大大改善水泥生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)生產(chǎn)變量發(fā)生變化時(shí)，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、跟蹤迅速，控制效果明顯。采用該系統(tǒng)，能夠極大降低操作員的工作強(qiáng)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(duì)水泥生產(chǎn)過程的影響。此外，經(jīng)短期推算，該系統(tǒng)能夠降低燒成過程的煤耗，提高篦冷機(jī)的冷卻效率，能夠達(dá)到節(jié)能降耗減排的控制效果，給投用企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，大大提升企業(yè)的自動(dòng)化、信息化管理水平，增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

Application Research of Intelligent Optimization Control System in Cement Plant

圖9　窯頭負(fù)壓智能優(yōu)化控制模塊投運(yùn)效果圖

TP273.5

A

1001-6171（2016）02-0031-04

通訊地址：天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2015-11-06；編輯：呂光