水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題及改進(jìn)建議

王恒兵 陸小松 王松華

（安徽海螺信息技術(shù)工程有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000)

1 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)介紹

水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)指代替操作員進(jìn)行風(fēng)、煤、料等的調(diào)節(jié)操作，設(shè)備的正常啟動、停止、設(shè)備故障跳停等仍由操作員根據(jù)需要在DCS 中進(jìn)行控制。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)通過OPC 協(xié)議進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，將DCS 系統(tǒng)相關(guān)的控制變量數(shù)據(jù)讀入專家系統(tǒng)，通過模型計(jì)算得出操作變量數(shù)值，寫入DCS 系統(tǒng)，DCS 系統(tǒng)將該操作變量數(shù)值給定到現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。

先進(jìn)過程控制（APC,Advanced Process Control）：先進(jìn)過程控制是對那些不同于常規(guī)單回路控制，比常規(guī)PID 控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計(jì)算機(jī)控制算法。先進(jìn)過程控制的任務(wù)是用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程控制問題[1]。

模型預(yù)測控制（MPC,Model Predictive Control）：模型預(yù)測控制是一類特殊的控制。它的當(dāng)前控制動作是在每一個(gè)采樣瞬間通過求解一個(gè)有限時(shí)域開環(huán)最優(yōu)控制問題而獲得。過程的當(dāng)前狀態(tài)作為最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài)，解得的最優(yōu)控制序列只實(shí)施第一個(gè)控制作用，這是它與那些使用預(yù)先計(jì)算控制率的算法的最大不同。本質(zhì)上模型預(yù)測控制求解一個(gè)開環(huán)最優(yōu)控制問題。它的思想與具體的模型無關(guān)，但是實(shí)現(xiàn)則與模型有關(guān)。

操作變量（MV,Manipulated Variable）：操作變量是指在自動控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量。

控制變量（CV,Controlled Variable）：受操作變量和干擾變量影響的過程輸出。

干擾變量（DV,Disturbance Variable）：不能設(shè)置的過程輸入，相當(dāng)于關(guān)掉控制的操作變量。

時(shí)間常量（TC,Time Constant）：操作變量發(fā)生變化時(shí)，控制變量開始有響應(yīng)至基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

軟儀表（VOA,Virtual Online Analyzers）：預(yù)測性軟件過程工具，稱為虛擬在線分析儀。

中控操作界面有切換按鈕，操作員可根據(jù)實(shí)際情況選擇由人工操作還是由專家自動操作系統(tǒng)操作，在系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)會自動退出專家自動操作系統(tǒng)，保持最后設(shè)定值，同時(shí)提示操作員進(jìn)行人工干預(yù)。按照水泥生產(chǎn)“三磨一燒”的工藝系統(tǒng)劃分，水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)相對應(yīng)的建立了原料粉磨、原煤粉磨、水泥粉磨及熟料燒成四個(gè)控制系統(tǒng)，獨(dú)立運(yùn)行，配置靈活[2]。

2 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)控制特點(diǎn)分析

水泥生產(chǎn)控制技術(shù)，歷經(jīng)了模糊控制、專家規(guī)則控制到如今的模型預(yù)測控制。

模型預(yù)測控制是上世紀(jì)70 年代左右提出的新型控制理論，預(yù)測控制的產(chǎn)生并非來源于理論發(fā)展的需要，而是從實(shí)踐中發(fā)展起來的。很長一段時(shí)期以來，PID 幾乎作為一種全能的控制器，應(yīng)用于過程控制中，因其無需知道控制對象模型，參數(shù)較少且易調(diào)試的特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，當(dāng)控制從回路發(fā)展到系統(tǒng)時(shí)，單回路的PID 控制很難保持全局良好的性能，對約束處理能力的提升，以及由回路調(diào)節(jié)發(fā)展到優(yōu)化時(shí)，PID 則難以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)時(shí)候模型預(yù)測控制得到大力發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛，成為最具代表性的一種算法，它具有多變量和滾動優(yōu)化的特性，可以在實(shí)際應(yīng)用過程中不斷完善預(yù)測控制，使預(yù)測控制更加有效。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）模型精度要求不高，建模方便，過程描述可由簡單實(shí)驗(yàn)獲得；

（2）采用非最小化的模型，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好；

（3）采用滾動優(yōu)化策略，而非全局一次優(yōu)化，能及時(shí)彌補(bǔ)由于模型失配、畸變、干擾等因素引起的不確定性，動態(tài)性能較好；

（4）易將算法推廣到有約束、大遲延、非最小相位、非線性等實(shí)際過程，尤為重要的是，它能有效地處理多變量、有約束的問題。

水泥工藝流程通常分為原料粉磨系統(tǒng)、熟料燒成系統(tǒng)和水泥粉磨系統(tǒng)三個(gè)部分，俗稱“兩磨一燒”，具有非線性、大滯后、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，一直以來都是專家優(yōu)化控制的難點(diǎn)。目前，國內(nèi)大多水泥生產(chǎn)企業(yè)對于水泥生產(chǎn)過程的控制仍以操作員手動操作控制為主。結(jié)合各種控制方式的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PID 算法、單一的專家控制或模糊控制，難以對水泥生產(chǎn)過程進(jìn)行較好地控制。而預(yù)測控制算法是一種非常適合復(fù)雜工業(yè)控制的優(yōu)化控制算法，并已在多個(gè)領(lǐng)域取得成功應(yīng)用[3]。

模型預(yù)測水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水泥生產(chǎn)過程風(fēng)、煤、料等關(guān)鍵參數(shù)的多變量自動操作控制，以自動導(dǎo)航的方式、高頻小幅地逼近最優(yōu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)燒成、原料磨、煤磨、水泥磨系統(tǒng)的專家級控制，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、提產(chǎn)增效的效果，極大地降低操作員的勞動強(qiáng)度，減少人為因素的影響。

3 目前水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題

水泥生產(chǎn)過程追求的是穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)。但是原燃材料波動、架倉、斷料、煤質(zhì)波動以及固廢漿渣、垃圾焚燒等協(xié)同處置都給系統(tǒng)穩(wěn)定控制帶來了擾動，同時(shí)主機(jī)設(shè)備、分析儀器、執(zhí)行器死區(qū)、煤粉秤壓力波動等也給系統(tǒng)調(diào)節(jié)帶來了挑戰(zhàn)。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)從模糊邏輯控制，到專家系統(tǒng)控制再到模型預(yù)測優(yōu)化控制，在探索中不斷發(fā)展，但總體系統(tǒng)投運(yùn)率不高，究其原因主要存在以下難點(diǎn)問題：

（1）控制軟件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)操作脫節(jié)。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)是由專業(yè)軟件公司進(jìn)行開發(fā)、調(diào)試，一般都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，開發(fā)人員缺少現(xiàn)場操作工藝知識，對水泥生產(chǎn)工藝機(jī)理不熟悉，無法從生產(chǎn)操作角度解決問題。生產(chǎn)人員又不懂軟件開發(fā)，需要雙方深入地溝通交流。

（2）控制需求與生產(chǎn)管理指標(biāo)的平衡矛盾。各公司的管理指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，有些公司要求生產(chǎn)線降煤耗，又要求增加余熱發(fā)電量，這兩者存在矛盾；有些公司對過程控制參數(shù)要求不一，系統(tǒng)控制時(shí)要求嚴(yán)格，操作員手動控制時(shí)又能接受更高的邊界，這為專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用帶來了難度。

（3）原燃材料質(zhì)量波動大，協(xié)同處置擾動強(qiáng)。部分水泥公司石灰石為外購，質(zhì)量控制難度大，原煤等材料來源廣，品質(zhì)波動大，源頭上無法進(jìn)行有效的質(zhì)量管控。隨著生產(chǎn)線協(xié)同處置固、危廢等，給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了較強(qiáng)的擾動，這些擾動又無法測量和控制，操作員手動操作也是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行嘗試調(diào)整。

（4）關(guān)鍵測點(diǎn)儀器儀表工作不理想，設(shè)備響應(yīng)存在死區(qū)。國內(nèi)水泥熟料生產(chǎn)線普遍存在窯尾高溫氣體分析儀運(yùn)行不理想的狀況，閥門與執(zhí)行器間存在死區(qū)，即執(zhí)行器動作了而實(shí)際閥門沒有動作，另一方面下料不暢也是制約系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素。

（5）系統(tǒng)運(yùn)維不及時(shí)，用戶體驗(yàn)差。水泥工廠一般只是系統(tǒng)的使用者，運(yùn)維工作大多進(jìn)行外包。當(dāng)原燃材料出現(xiàn)大的質(zhì)量波動，或者因工藝設(shè)備技改導(dǎo)致的控制方式變化，原有控制模型難以適應(yīng)，如果運(yùn)維工作不能及時(shí)跟進(jìn)，將會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的投運(yùn)，讓用戶體驗(yàn)變差，系統(tǒng)使用意愿降低。

上述系統(tǒng)運(yùn)行過程中常遇到的問題，是制約水泥專家優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。其中工藝、設(shè)備是基礎(chǔ)，在系統(tǒng)實(shí)施前，應(yīng)充分梳理工藝、設(shè)備等方面存在的問題，進(jìn)行相應(yīng)的改造，提高系統(tǒng)的適用性。同時(shí)管理思路也需要同步轉(zhuǎn)變。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)是一套系統(tǒng)工程，需要各專業(yè)的協(xié)調(diào)配合才能高效推進(jìn)，有效使用。

4 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行問題的改進(jìn)措施

針對系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題，我們嘗試做了以下幾方面改進(jìn)，并取得了一定的成效[4]。

（1）軟件開發(fā)應(yīng)用。選擇技術(shù)成熟、系統(tǒng)開放度高的軟件平臺進(jìn)行深度合作，跟蹤學(xué)習(xí)軟件開發(fā)調(diào)試過程，掌握軟件應(yīng)用能力，自主開展系統(tǒng)推廣實(shí)施，利用對水泥生產(chǎn)工藝機(jī)理熟悉、應(yīng)用場景多的優(yōu)勢，結(jié)合不同類型算法的特點(diǎn)，不斷對系統(tǒng)軟件進(jìn)行優(yōu)化、迭代，解決軟件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)操作脫節(jié)以及運(yùn)維不及時(shí)的問題。

（2）原燃材料管理。原燃材料品質(zhì)波動，垃圾處理裝置投運(yùn)給生產(chǎn)控制帶來較強(qiáng)的擾動，系統(tǒng)控制受其影響，效果欠佳，針對原燃材料波動，我們要求工廠加強(qiáng)物料、物流和品控管理，盡可能減少品種切換頻次，保證物料穩(wěn)定，做好原燃材料預(yù)均化、垃圾處理搭配，保證原燃材料品質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）異常工況處理。主機(jī)設(shè)備異常和工藝異常工況是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，異常工況出現(xiàn)頻次低，持續(xù)時(shí)間短，且大部分有規(guī)律可循，但個(gè)別異常工況，如喂煤秤壓力波動、預(yù)熱器塌料、斷料等，存在較大的隨機(jī)性和不可預(yù)知性，系統(tǒng)分析建模時(shí)我們針對具體異常工況建立特定算法模型，配合規(guī)則控制、邏輯判斷進(jìn)行異常工況檢測、判斷和處理，以提高系統(tǒng)適用性。

我們選取了2 個(gè)典型的應(yīng)用場景，對煤磨出口溫度和分解爐喂煤秤壓力進(jìn)行了分析。煤磨出口溫度投運(yùn)前平均波動幅度8.5℃，投運(yùn)后平均波動幅度5.1℃，波動幅度下降40%，分解爐喂煤秤壓力投運(yùn)前平均波動幅度1.5kPa，投運(yùn)后平均波動幅度0.5kPa，波動幅度下降60%以上，分解爐溫度受喂煤秤壓力影響波動幅度由21℃下降到15℃以內(nèi)，波幅下降28%。通過多回路、多場景的應(yīng)用，系統(tǒng)控制穩(wěn)定性逐步提升，適應(yīng)性進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行管理的建議

（1）建立系統(tǒng)運(yùn)維保障機(jī)制。把系統(tǒng)功能優(yōu)化和參數(shù)調(diào)優(yōu)作為一個(gè)常態(tài)性工作來抓，系統(tǒng)投運(yùn)后需要根據(jù)原燃材料，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)工況等條件的變化而進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整。因此，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)是一項(xiàng)長期持續(xù)性的工作，需要堅(jiān)持不懈地持續(xù)下去，才能最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)的作用[5]。

（2）不斷優(yōu)化提升裝備運(yùn)行質(zhì)量。加大對煤粉秤、噴煤管道、氣體分析儀等關(guān)鍵設(shè)備的改造、優(yōu)化和升級，改善系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，提升系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

（3）加強(qiáng)進(jìn)廠原燃材料管控。實(shí)行精細(xì)化管理，盡可能保證輔材品質(zhì)穩(wěn)定，顆粒符合研磨要求；保證原煤均化效果，穩(wěn)定煤粉熱值；保證物流通道通暢，減少斷料發(fā)生頻次。

6 結(jié)束語

水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以從很大程度上減少由操作員水平和情緒對生產(chǎn)線穩(wěn)定的影響，可以有效地對生產(chǎn)線的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制方法也在不斷地更新，現(xiàn)在所用的模型預(yù)測控制簡單方便，易于操作，穩(wěn)定性好，能有效地處理問題而被廣泛推廣應(yīng)用。進(jìn)一步降低操作人員的勞動強(qiáng)度，減少人為因素帶來的影響。同時(shí)要對水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行的問題積極改進(jìn)，從軟件開發(fā)應(yīng)用、原材料管理、異常工況處理等方面入手進(jìn)行改進(jìn)，不斷優(yōu)化。建立系統(tǒng)運(yùn)維保障機(jī)制，不斷優(yōu)化提升裝備運(yùn)行質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題并給予解決，才能發(fā)揮控制系統(tǒng)的最大作用，以此保證水泥的生產(chǎn)質(zhì)量。