水泥閉路預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制研究

任志鵬

（同煤集團(tuán)建材公司， 山西 大同 037000）

水泥閉路預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制研究

任志鵬

（同煤集團(tuán)建材公司， 山西 大同 037000）

中圖分類號：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號1007-6344（2020）09-0002-02

摘要：針對水泥閉路粉磨的預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)難以維持動態(tài)平衡的問題，本文基于水泥閉路粉磨系統(tǒng)工藝流程，通過分析相應(yīng)的參數(shù)，建立系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)出水泥閉路粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器，并提出預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方案。結(jié)果表明水泥閉路預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能夠有效調(diào)節(jié)預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡問題，提高水泥粉磨的效率，增加水泥產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：預(yù)粉磨系統(tǒng)；終粉磨系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制

作者簡介：任志鵬（1992.1-），男，本科，2016年7月畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，研究方向：水泥相關(guān)設(shè)備研究。

0 緒論

水泥作為我國傳統(tǒng)型支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)量直接影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而水泥粉磨是水泥生產(chǎn)最后的工序，對水泥產(chǎn)量有決定性的影響力。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，水泥粉磨基于大數(shù)據(jù)的發(fā)展模式較為落后，在工藝流程中磨物料粗、穩(wěn)流倉料位頻繁波動等對生產(chǎn)效率有干擾作用的問題[1]，大多解決方案都是單因素控制[2]，因此基于水泥閉路粉磨系統(tǒng)工藝流程，通過分析相應(yīng)的參數(shù)，建立系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)出水泥閉路粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器，并提出預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方案，能夠有效地進(jìn)行多因素協(xié)同控制，為提高水泥粉磨的效率提供科學(xué)途徑。

1 水泥閉路粉磨系統(tǒng)工藝分析

水泥閉路粉磨工藝流程主要包括：出入磨斗式提升機(jī)、選粉機(jī)、穩(wěn)流倉、輥壓機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)、后主排風(fēng)機(jī)以及收塵器，不同設(shè)備相互連接、相互配合形成一個(gè)閉路系統(tǒng)[3]。喂料量首先是經(jīng)皮帶秤和穩(wěn)流倉，在輥壓機(jī)的作用下破碎，通過選粉機(jī)的篩選，較小破碎顆粒直接進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)，較大破碎顆粒再回穩(wěn)流倉[4]。循環(huán)風(fēng)機(jī)將小顆粒送入球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，然后由出磨斗式提升機(jī)送入選粉機(jī)重復(fù)篩選，粉磨合格的由后主排風(fēng)機(jī)送入成品庫，粉磨不達(dá)標(biāo)的重回球磨機(jī)循環(huán)粉磨[5]。為了避免整體研究的繁雜，本文將粉磨系統(tǒng)劃分為預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)，進(jìn)行局部分析，以達(dá)到部分見整體的研究效果。預(yù)粉磨系統(tǒng)流程從喂料量到輥壓機(jī)再到穩(wěn)流倉，終粉磨系統(tǒng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)到球磨機(jī)再到回粉，其中球磨機(jī)到回粉進(jìn)行循環(huán)。預(yù)粉磨系統(tǒng)和預(yù)粉磨系統(tǒng)在穩(wěn)流倉與循環(huán)風(fēng)機(jī)和球磨機(jī)的部分緊密聯(lián)系。

2 水泥閉路粉磨系統(tǒng)參數(shù)的選取

喂料量是水泥閉路粉磨系統(tǒng)的始端，喂料量的變化關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，最先導(dǎo)致穩(wěn)流倉料位值波動，而穩(wěn)流倉料位值就是預(yù)粉磨系統(tǒng)所處的狀態(tài)，因此可將喂料量設(shè)置為輸入量，穩(wěn)流倉料位值設(shè)置為輸出量。與之對應(yīng)的就是回粉量，能夠體現(xiàn)出終粉磨系統(tǒng)的一個(gè)輸出狀態(tài)，而回粉量是受循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響的，是終粉磨系統(tǒng)輸入端，因此循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為終粉磨系統(tǒng)的輸入量，回粉量設(shè)置為終粉磨系統(tǒng)的輸出量。

參數(shù)設(shè)置好以后就需要確定數(shù)據(jù)，可以將工業(yè)現(xiàn)場作為數(shù)據(jù)來源，為了排除輥壓機(jī)跳停等干擾因素的影響，保障數(shù)據(jù)分析的可行性，可以采取均值濾波。具體操作方法如下：以10 為單位，對數(shù)據(jù)分組，求均值；數(shù)據(jù)采集周期T=1s；采樣點(diǎn)1 萬個(gè)；選取穩(wěn)定時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)5000 個(gè)。根據(jù)均值濾波獲取以下曲線：喂料量濾波前后對比曲線、穩(wěn)流倉料位值濾波前后對比曲線、回粉量濾波前后對比曲線、循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速值濾波前后對比曲線。對比發(fā)現(xiàn)，喂料量、穩(wěn)流倉料位值、循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、回粉量的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，基本可以確定不受其他外部因素的影響，能夠做下一步研究。

3 水泥閉路粉磨系統(tǒng)模型建立流程

3.1 預(yù)粉磨系統(tǒng)模型建立流程

預(yù)粉磨系統(tǒng)模型建立是根據(jù)其工藝流程，結(jié)合了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過一系列的修正最終確定了權(quán)值矩陣和閾值矩陣。模型總共分為三層：輸入層（2 個(gè)節(jié)點(diǎn)）、隱含層以及輸出層（1 個(gè)節(jié)點(diǎn)）。輸入層設(shè)置的是喂料量n時(shí)刻的狀態(tài)，穩(wěn)流倉料位值n 時(shí)刻的狀態(tài)。隱含層設(shè)置的是神經(jīng)元輸出。輸出層設(shè)置的是穩(wěn)流倉料位值n+1 時(shí)刻的狀態(tài)。然后根據(jù)輸入層與隱含層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)建立兩層之間的權(quán)值矩陣和閾值矩陣。為了使得誤差縮小到一定的范圍，便于研究，因此要將兩個(gè)矩陣進(jìn)行一系列的修正，最終得到預(yù)粉磨系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。最后在對輸入層的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滾動濾波的處理，即上文對于參數(shù)的處理，使得模型內(nèi)部的關(guān)系更加清晰。

3.2 終粉磨系統(tǒng)模型建立流程

終粉磨系統(tǒng)模型建立是根據(jù)其工藝流程，結(jié)合最小二乘支持向量的方法，根據(jù)上文所確定的四個(gè)變量，得到終粉磨循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與回粉量n 時(shí)刻狀態(tài)下的樣本集，最終構(gòu)建拉格朗日方程組，尋找最優(yōu)解，經(jīng)過計(jì)算得到各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，獲得終粉磨系統(tǒng)模型。

4 水泥閉路粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)

水泥閉路粉磨工藝較為復(fù)雜，除了過程情況復(fù)雜，除了輥壓機(jī)跳停等設(shè)備故障造成的干擾，還有人為因素的干擾。為了使得水泥閉路粉磨系統(tǒng)的運(yùn)行更穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制器，使得系統(tǒng)具備強(qiáng)抗干擾能力。

4.1 預(yù)粉磨系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

對水泥閉路粉磨預(yù)粉磨系統(tǒng)模型進(jìn)行變形,建立預(yù)粉磨系統(tǒng)線性函數(shù)：等式左邊為穩(wěn)流倉料位值在n+1 時(shí)刻的狀態(tài)，等式右邊為穩(wěn)流倉料位值在n 時(shí)刻的狀態(tài)，再加上干擾項(xiàng)。其中變量為喂料量在n 時(shí)刻的狀態(tài)。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況，首先確定輸出參數(shù)穩(wěn)流倉料位值的誤差區(qū)間及其誤差變化率區(qū)間，其次對區(qū)間進(jìn)行均分，建立三角隸屬度函數(shù)，最后計(jì)算隸屬度，得到穩(wěn)流倉料位值的誤差、穩(wěn)流倉料位值誤差的變化速率、穩(wěn)流倉料位值的穩(wěn)定值的模糊規(guī)則表，最終得到比例參數(shù)、積分參數(shù)、積分參數(shù)n 時(shí)刻的值。再設(shè)定周期T，就可以得到預(yù)粉磨系統(tǒng)控制器。利用模糊PID 算法調(diào)節(jié)比例參數(shù)、積分參數(shù)、積分參數(shù)n 時(shí)刻的值，調(diào)節(jié)輸入量，達(dá)到預(yù)定目的。

4.2 終粉磨系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

對水泥閉路粉磨終粉磨系統(tǒng)模型進(jìn)行變形，建立終粉磨系統(tǒng)線性函數(shù)：等式左邊為終粉磨系統(tǒng)中回粉量在n+1 時(shí)刻的狀態(tài)，等式右邊為回粉量在n 時(shí)刻的狀態(tài)，其中變量為循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在n 時(shí)刻的狀態(tài)。將等式右邊根據(jù)泰勒級數(shù)展開式進(jìn)行變形，再通過非奇異變換，可以得到新的終粉磨系統(tǒng)方程。再通過將不確定因素以及干擾因素轉(zhuǎn)化為復(fù)合干擾項(xiàng)，化解上述方程式可得終粉磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)滑模面，最終設(shè)計(jì)出基于干擾的終粉磨系統(tǒng)控制器。終粉磨系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的滑?？刂破鳛榱藢?shí)現(xiàn)回粉量的輸出值多次發(fā)生變化，首先調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，抑制干擾因素，然后使得輸出值與目標(biāo)值匹配，實(shí)現(xiàn)了終粉磨系統(tǒng)控制器的有效運(yùn)行。

5 預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方案

水泥廠目前的控制方案主要通過人工控制來協(xié)調(diào)，基于不同層次操作員的調(diào)控，可能造成水泥的質(zhì)與量在較大范圍內(nèi)波動，一方面給水泥廠帶來輸出偏差，另一方面給水泥需求方帶來不穩(wěn)定原料供應(yīng)狀況。因此建立預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方案能夠避免人工控制造成的內(nèi)部影響，降低干擾度，對于水泥粉磨系統(tǒng)有著助推力。協(xié)調(diào)控制方案是根據(jù)預(yù)粉磨系統(tǒng)控制器和終粉磨系統(tǒng)控制器的運(yùn)行模式提出的，具體來說要根據(jù)不同工況的現(xiàn)實(shí)狀況進(jìn)行實(shí)際調(diào)整，主要分為磨機(jī)協(xié)調(diào)控制與粒度控制，前者控制的預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)，后者控制的水泥質(zhì)量。具體方案如下：

終粉磨系統(tǒng)優(yōu)先控制：當(dāng)終粉磨系統(tǒng)波動較大，需要首先控制回粉量，以確保水泥質(zhì)量，因此需要優(yōu)先控制循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速值，在保障輸入與輸出穩(wěn)定的情況下使得終粉磨系統(tǒng)得以控制；當(dāng)粉磨系統(tǒng)本身較為穩(wěn)定，預(yù)粉磨系統(tǒng)穩(wěn)流倉料位值會根據(jù)終粉磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而動態(tài)變化，因此通過回粉量的控制來反作用于循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，依次使得喂料量根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量得以控制，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)粉磨與終粉磨系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

終粉磨系統(tǒng)與預(yù)粉磨系統(tǒng)協(xié)同控制：當(dāng)終粉磨系統(tǒng)與預(yù)粉磨系統(tǒng)都處于較大波動狀態(tài)，沒有平穩(wěn)運(yùn)行，如果不加以控制，這種不平穩(wěn)狀態(tài)會逐步增加，導(dǎo)致極端情況發(fā)生。這種兩個(gè)系統(tǒng)都不平穩(wěn)時(shí)，采取終粉磨系統(tǒng)優(yōu)先控制無法在短時(shí)間內(nèi)形成動態(tài)平衡。因此需要對喂料量和回粉量同時(shí)進(jìn)行控制，通過控制模型對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，分階段逐步達(dá)到粉磨系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

預(yù)粉磨系統(tǒng)優(yōu)先控制：當(dāng)表面上預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，喂料量和回粉量都呈現(xiàn)一定的平衡，系統(tǒng)整體運(yùn)行順暢。但如果適當(dāng)?shù)膹目刂颇Ｐ椭姓{(diào)整喂料量的輸入情況，回粉量的輸出情況也有明顯改善，這說明粉磨系統(tǒng)未能達(dá)到最優(yōu)動態(tài)平衡。為了進(jìn)一步提升粉磨效率，需要對預(yù)粉磨系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)先控制。通過調(diào)整喂料量的輸入量，改變循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，從而影響下一時(shí)刻回粉量的輸出情況，經(jīng)過一系列模型參數(shù)的調(diào)整，最終形成新的穩(wěn)定狀態(tài)，再次達(dá)到動態(tài)平衡。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)粉磨系統(tǒng)的控制模型，提供了三種不同的協(xié)調(diào)控制方案。綜上所述，結(jié)合不同的工況問題，水泥閉路預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能夠有效調(diào)節(jié)預(yù)粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡問題，提高水泥粉磨的效率，增加水泥產(chǎn)量。