水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)在海外項目中的應(yīng)用

魏燦，張園園，艾軍

1　水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)TCOCS[1]

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)計研究院有限公司電氣自動化設(shè)計研究所和中材（天津）控制工程有限公司聯(lián)合開發(fā)的、針對水泥廠復(fù)雜生產(chǎn)過程的一款新型自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件利用計算機(jī)控制技術(shù)，采集DCS系統(tǒng)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合化驗室的質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用多變量預(yù)測控制、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)，實現(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，并能夠及時檢測且自動處理經(jīng)常發(fā)生的特殊工況，達(dá)到安全、穩(wěn)定、優(yōu)化的自動控制效果，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。

TCOCS系統(tǒng)集合了大量的水泥生產(chǎn)工藝知識及操作經(jīng)驗，更加適用于水泥生產(chǎn)的實際工況；該系統(tǒng)采用了多變量帶約束的預(yù)測控制算法，并配有特殊工況識別模塊、應(yīng)用監(jiān)控模塊、故障診斷模塊等，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

TCOCS系統(tǒng)通過OPC服務(wù)器采集DCS數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)通過信號處理模塊、軟儀表模塊、失效數(shù)據(jù)檢測模塊、噪聲檢測模塊等方式進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)一方面用于生產(chǎn)工況識別模塊，及時發(fā)現(xiàn)特殊工況并執(zhí)行相應(yīng)的自動處理算法；另一方面用于預(yù)測控制模塊，計算目標(biāo)控制變量的變化趨勢、幅值及控制律，從而進(jìn)行優(yōu)化控制；同時用于監(jiān)視設(shè)備及軟件運(yùn)行，及時發(fā)現(xiàn)故障并自動處理，并在超出控制范圍的情況下語音報警提醒操作員進(jìn)行手動干預(yù)。

采用該TCOCS系統(tǒng)，預(yù)期能夠使水泥生產(chǎn)增產(chǎn)1%～12%，將過程變動性減少40%～80%，從而減少廢料和原料，每噸能源成本減少1%～10%，達(dá)到環(huán)境排放法規(guī)所需的成本降低大約50%，在不超過環(huán)境限制的前提下能最大限度地提高產(chǎn)量、提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時安全穩(wěn)定生產(chǎn)；能夠極大地降低操作員的工作強(qiáng)度，大大提升企業(yè)的自動化、信息化管理水平，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益，增強(qiáng)企業(yè)的綜合競爭力。

2　窯優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)成

本次在印尼BOSOWA MAROS LINE2 5 000t/d CLINKER PLANTS投用的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)為窯優(yōu)化系統(tǒng)（簡稱KOS），主要包括三個模塊：燒成窯尾模塊、燒成窯頭模塊、篦冷機(jī)模塊，實現(xiàn)了窯轉(zhuǎn)速、窯喂料、窯喂煤、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、窯頭負(fù)壓、篦冷機(jī)各室風(fēng)機(jī)等的優(yōu)化控制，顯著提高了窯系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了熟料產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)了節(jié)能增效。窯系統(tǒng)優(yōu)化控制構(gòu)成及原理見圖1。

（1）燒成窯尾控制模塊。主要包括分解爐溫度自動控制系統(tǒng)、高溫風(fēng)機(jī)及預(yù)熱器氧含量自動控制系統(tǒng)等。水泥窯系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制模塊能夠穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況，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的含量，減少人為干擾，實現(xiàn)窯系統(tǒng)的自動控制。

（2）燒成系統(tǒng)控制模塊。針對多變量非線性控制模型，采用專家控制算法，通過分析比色高溫計、煙室溫度、窯主電流等參數(shù)，計算得出回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度，并將其模糊化，綜合分析燃燒帶溫度、分解爐氣體分析儀以及窯尾煙室氣體分析儀O2含量來控制窯喂料量、窯喂煤量、窯轉(zhuǎn)速以及高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1　窯系統(tǒng)優(yōu)化控制構(gòu)成及原理示意圖

（3）篦冷機(jī)優(yōu)化控制模塊。主要包括篦冷機(jī)風(fēng)量（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或進(jìn)風(fēng)閥門）自動控制系統(tǒng)、篦冷機(jī)壓力自動控制系統(tǒng)、窯門罩負(fù)壓自動控制系統(tǒng)等。篦冷機(jī)優(yōu)化節(jié)能控制模塊能夠穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況，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的含量，減少人為干擾、實現(xiàn)窯系統(tǒng)的自動控制。

3　窯優(yōu)化系統(tǒng)的配置

TCOCS系統(tǒng)是采用C++語言從底層開發(fā)而成，不依賴于DCS系統(tǒng)，因此操作簡單靈活，一般安裝在一臺操作站中即可。系統(tǒng)的操作過程主要包括TCOCS軟件安裝、OPC服務(wù)器配置、數(shù)據(jù)庫配置、軟件授權(quán)安裝、DCS接口配置、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)試等。

TCOCS系統(tǒng)實現(xiàn)原理有以下步驟：水泥優(yōu)化控制系統(tǒng)通過OPC通訊實時從DCS系統(tǒng)中讀取需要的變量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中；對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；分析變量數(shù)據(jù)得到控制系統(tǒng)的模型；把輸入輸出變量代入到智能算法中，由智能算法得到可以使控制變量達(dá)到預(yù)定值的控制律；傳遞智能算法得到的控制律，經(jīng)OPC通訊寫回到DCS系統(tǒng)中，進(jìn)而控制執(zhí)行器的動作。因此在使用本軟件之前需要進(jìn)行一些必要的配置，包括OPC服務(wù)器配置、數(shù)據(jù)庫配置和DCS端接口配置。

3．1　OPC服務(wù)器配置

BOSOWA II線的DCS采用ABB 800XA系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)安裝相對復(fù)雜，我們采用本地OPC服務(wù)器方式連接DCS系統(tǒng)。具體步驟如下：

（1）KOS服務(wù)器的安裝；

（2）KOS服務(wù)器加入DCS域；

（3）800XA服務(wù)器添加KOS服務(wù)器節(jié)點；

（4）KOS服務(wù)器本地機(jī)連接節(jié)點；

（5）測試KOS本地OPC服務(wù)器。

3．2　數(shù)據(jù)庫配置

TCOCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層采用SQL Server2008數(shù)據(jù)庫，主要存儲優(yōu)化系統(tǒng)必需的變量、實時數(shù)據(jù)，以及控制模塊運(yùn)行時間，當(dāng)控制模塊停止時，自動將運(yùn)行時間寫到數(shù)據(jù)庫中，以備后期查看統(tǒng)計投用率等。具體步驟如下：

（1）SQL Server2008安裝；

（2）數(shù)據(jù)庫恢復(fù)；

（3）自動備份數(shù)據(jù)表格；

（4）獲取數(shù)據(jù)庫連接符。

3．3　DCS接口配置

為了提升TCOCS系統(tǒng)操作便捷性，本系統(tǒng)支持DCS端啟?？刂颇K，這樣可以有效地減小用戶操作難度。TCOCS軟件運(yùn)行后，用戶可以通過DCS端畫面上的啟動按鈕來啟動該控制回路，并可以在畫面上設(shè)置控制值，實現(xiàn)該控制模塊的啟動及控制。

根據(jù)BOSOWA項目具體情況開發(fā)出優(yōu)化控制系統(tǒng)專用功能塊庫TCOCS1．0。該功能塊庫具有簡潔的人機(jī)交互界面、操作站優(yōu)先/服務(wù)器優(yōu)先自由選擇、符合操作員習(xí)慣的功能塊方式、操作簡單可靠、優(yōu)化服務(wù)器端免維護(hù)等特點。該功能塊庫包括分解爐控制模塊接口功能塊TCOCS_Preheater、燒成系統(tǒng)控制模塊接口功能塊TCOCS_Kiln、通訊監(jiān)視功能塊TCOCS_Kilnheart等，部分功能塊界面（faceplate）如圖2所示。

圖2　功能塊TCOCS_Preheater及TCOCS_Kiln界面

該功能塊具有以下特點：

（1）在線/離線切換，目標(biāo)值設(shè)定；

（2）操作上下限設(shè)定；

（3）查看關(guān)鍵參數(shù)歷史趨勢；

（4）查看用戶操作手冊；

（5）自由切換控制變量；

（6）自由切換三種工作模式。

本項目的窯優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)了窯喂料、窯喂煤、窯轉(zhuǎn)速、高溫風(fēng)機(jī)等7種設(shè)備的自動控制，操作界面如圖3所示。

圖3　KOS操作界面

4　窯優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)試

按照本文第三節(jié)的配置步驟及《水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)TCOCS用戶手冊》將系統(tǒng)配置完畢后，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實時數(shù)據(jù)，然后使用我們自主開發(fā)的模型識別軟件——TCOCS Identification，將辨識出的控制模型參數(shù)指導(dǎo)后繼調(diào)試工作。

KOS軟件共分三個主頁面，分別對應(yīng)燒成窯尾、燒成窯頭及篦冷機(jī)。以燒成系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹，該界面共分為以下部分：（1）界面切換按鈕；（2）調(diào)試參數(shù)按鈕；（3）歷史曲線界面；（4）過程數(shù)據(jù)界面；（5）控制命令界面，Preheater和Kiln界面共用。如圖4所示。

圖4　燒成系統(tǒng)界面

（1）歷史曲線界面。顯示過程控制參數(shù)的歷史曲線。子界面下側(cè)有8個復(fù)選框，勾選后該復(fù)選框的變量會在Trend里顯示，在Trend顯示區(qū)域點擊鼠標(biāo)右鍵，則會彈出Trend Option對話框，對趨勢顯示進(jìn)行配置。可以設(shè)置左右坐標(biāo)軸以及時間軸的顯示范圍。選中左右坐標(biāo)軸的自動范圍復(fù)選框，則自動根據(jù)曲線值縮放到合適的顯示范圍。

KOS程序自動將已勾選復(fù)選框的前兩個吸附到左側(cè)坐標(biāo)，其余已勾選復(fù)選框吸附到右側(cè)坐標(biāo)軸，Trend最多可同時顯示5條曲線。圖5中，勾選CO_A、CO_B和Given PH Coalfeeder三條曲線，因此CO_A、CO_B吸附到左側(cè)坐標(biāo)軸，Given PH Coalfeeder吸附到右側(cè)坐標(biāo)軸，將Trend Option對話框中左右坐標(biāo)軸自動范圍勾選。

圖5　Trend界面及Trend Option對話框

（2）過程參數(shù)界面（圖6）。顯示過程控制參數(shù)實時值及配置，分為兩列Value-實時值，Config-過程參數(shù)配置，在該數(shù)值單擊鼠標(biāo)左鍵彈出配置對話框，Setpoint-過程參數(shù)設(shè)定值；FilterLength-參數(shù)濾波水平；HLimit-Trend數(shù)據(jù)歸一化顯示上限；LLimit-Trend數(shù)據(jù)歸一化顯示下限。

圖6　過程參數(shù)界面及Option對話框

（3）控制命令界面（圖7）。燒成窯尾模塊的啟停命令按鈕，包含兩個按鈕及該模塊所有相關(guān)的參數(shù)，啟動按鈕以及Online按鈕。如果客戶選擇操作站優(yōu)先模式，則該按鈕用于調(diào)試階段啟停控制模塊；如果客戶選擇服務(wù)器優(yōu)先模式，則該按鈕用于直接啟停控制模塊。注意：在啟動燒成窯尾模塊時Online按鈕顯示Online，如果顯示Offline，則無論客戶選擇何種優(yōu)先模式，KOS都無法啟動。

圖7　燒成窯尾模塊控制命令界面

5　窯優(yōu)化系統(tǒng)的控制效果

截至目前，系統(tǒng)已安全、穩(wěn)定、連續(xù)、自動、優(yōu)化運(yùn)行近十個月，系統(tǒng)性能完全媲美甚至超過其他國際知名品牌，尤其是分解爐溫度的控制效果得到業(yè)主的高度認(rèn)可，控制效果如圖8所示。

系統(tǒng)投用后，分解爐溫度波動范圍迅速收斂，能夠達(dá)到正常工況條件下±5℃以內(nèi)波動，甚至能夠長期保持在±3℃的范圍之內(nèi)，全工況在±10℃之內(nèi)波動。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了75%，運(yùn)行率達(dá)95%以上，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。當(dāng)操作員改變分解爐溫度設(shè)定值時，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)，能夠極大地降低操作員的工作強(qiáng)度，解決了不同水平操作員操作效果差異這一難題，最大限度地減少了人為因素對窯系統(tǒng)的影響。

圖8　分解爐出口溫度：手動操作對比TCOCS優(yōu)化

TCOCS運(yùn)行時篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量波動見圖9，各室風(fēng)量波動范圍迅速收斂，能夠達(dá)到正常工況條件下±50m3/h以內(nèi)波動，全工況在±300m3/h之內(nèi)波動。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了85%，運(yùn)行率達(dá)99%以上；篦冷機(jī)篦下壓力波動范圍迅速收斂，能夠達(dá)到正常工況條件下±100Pa以內(nèi)波動，甚至長期能夠保持在±50Pa的范圍之內(nèi)，全工況在±150Pa之內(nèi)波動。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了70%，大幅提高了篦冷機(jī)篦下壓力的穩(wěn)定程度。

此外，在印尼BOSOWA MAROS LINE2 5 000t/d CLINKER PLANTS投用的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)現(xiàn)已通過驗收，近十個月生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，每噸熟料平均節(jié)約實物煤5kg，節(jié)煤比例2%，游離氧化鈣合格率（fCaO≤1．5）提升20%，達(dá)到了節(jié)能降耗減排的控制效果，預(yù)期能給業(yè)主帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，大大提升企業(yè)的自動化、信息化管理水平，增強(qiáng)企業(yè)的綜合競爭力。

圖9　TCOCS運(yùn)行時篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)量波動

6　結(jié)語

天津院自主開發(fā)的TCOCS系統(tǒng)在海外EPC工程的首次成功應(yīng)用，標(biāo)志著公司信息化研發(fā)團(tuán)隊長期不懈的技術(shù)積累和技術(shù)創(chuàng)新已初見成效，填補(bǔ)了公司在水泥智能控制方面的空白，提升了公司提供高端技術(shù)服務(wù)的能力，為公司帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靖，艾軍，魏燦，等．水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]．水泥技術(shù)，2016，（2）：31-34．■