生產(chǎn)過程優(yōu)化控制在水泥企業(yè)的應(yīng)用

1 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前水泥行業(yè)在積極探索如何利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等多項(xiàng)新技術(shù)，推動行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。采用針對性的控制方案，以運(yùn)行平穩(wěn)化、及時化、精準(zhǔn)化為目標(biāo)，對關(guān)鍵設(shè)備或系統(tǒng)實(shí)施智能、優(yōu)化控制，成為智能工廠建設(shè)的重要一環(huán)。基于DCS/PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，操作人員可以在中控室完成熟料生產(chǎn)線的操作，針對運(yùn)行中的變化調(diào)整風(fēng)量、煤量與原料量，克服各方面的干擾，穩(wěn)定熟料燒成的預(yù)熱、分解、煅燒、冷卻各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程。由于操作人員在技術(shù)水平、操作經(jīng)驗(yàn)和操作手法等方面的差異，導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行操作難以統(tǒng)一規(guī)范，人與人之間、班與班之間的操作品質(zhì)不同，磨機(jī)-熟料燒成各工序之間的協(xié)調(diào)性不足，熱工過程的穩(wěn)定性不易保證，直接影響著生產(chǎn)線的質(zhì)量、產(chǎn)量、單位能耗以及設(shè)備維修周期等多項(xiàng)技術(shù)-經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，原-燃料特性波動應(yīng)對不理想。

2 項(xiàng)目實(shí)施意義

傳統(tǒng)的生產(chǎn)線運(yùn)行操作過于依賴于中控室操作人員的經(jīng)驗(yàn)，操作的統(tǒng)一性和規(guī)范性不足，不易及時發(fā)現(xiàn)擾動并加以抑制，裝置上下游協(xié)調(diào)同步受到人為因素的限制，應(yīng)變能力難以保證，從而直接影響企業(yè)的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗等經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，現(xiàn)有DCS/PLC控制系統(tǒng)應(yīng)有的效益也沒有充分發(fā)揮。通過引入智能優(yōu)化控制技術(shù)的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動操作運(yùn)行，有利于改善生產(chǎn)線運(yùn)行品質(zhì)，提高公司的操作管理水平。

具體優(yōu)勢體現(xiàn)在：(1)快速建立和維持裝置的整體穩(wěn)定和協(xié)調(diào)運(yùn)行；(2)穩(wěn)定熟料產(chǎn)品質(zhì)量；(3)在人工操作水平之上進(jìn)一步提高熟料產(chǎn)能；(4)通過避免欠燒-過燒等合理操作降低單位能耗；(5)余熱發(fā)電、脫硝等系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)燒成系統(tǒng)的運(yùn)行，提高熱能回收效率，降低氨水消耗量；(6)降低操作人員的勞動強(qiáng)度。

3 優(yōu)化控制特點(diǎn)

水泥熟料生產(chǎn)線運(yùn)行操作的一個突出特點(diǎn)是過程對象存在大量的不確定性和隨機(jī)性，需面對多變量、大滯后、非線性和時變的復(fù)雜過程特性。其中既有可確定的多變量相互作用影響，還有原燃料、傳感器-執(zhí)行器等特性變化的不確定作用，更有隨機(jī)發(fā)生的塌料、掉窯皮、跑斷煤等異常工況。因此不僅需要多變量預(yù)估技術(shù)支持抑制擾動的預(yù)操作，還需要自學(xué)習(xí)、自感知、自適應(yīng)、自校正等智能控制來應(yīng)對整個生產(chǎn)過程的不同變化。

傳統(tǒng)的PID控制受到自身“線性、單變量”等特性的局限，控制參數(shù)整定繁瑣而維持時間卻不確定，無法滿足水泥熟料燒成過程的控制需要?；谥R自動化的理念和方法，綜合現(xiàn)代控制技術(shù)成熟的MPC模型控制、ANN人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、Fuzzy模糊控制、Expert專家控制等多種技術(shù)，相互補(bǔ)充、揚(yáng)長避短解決生產(chǎn)線運(yùn)行中的復(fù)雜控制問題的特點(diǎn)越來越顯露其技術(shù)優(yōu)勢，更合理地構(gòu)建水泥熟料燒成等過程的智能控制解決方案。

智能控制的基本性能有：(1)先進(jìn)性：軟件的整體框架具有簡潔、優(yōu)化和可擴(kuò)展性，軟件編程語言具有先進(jìn)性；(2)適用性：基于自感知、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)控制技術(shù)，強(qiáng)化對儀表測量信號的容錯能力，對執(zhí)行器操作的動態(tài)補(bǔ)償能力，對控制參數(shù)的調(diào)整能力，是各種優(yōu)化控制的基本保證，能夠有效應(yīng)對工況變化導(dǎo)致的模型失配問題(例如應(yīng)對缺氧、原燃料變化、掉窯皮、跑斷煤等的調(diào)節(jié))；(3)無縫對接：專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行建立在已有的DCS/PLC之上，不改變原有控制系統(tǒng)的程序及結(jié)構(gòu)，對原現(xiàn)場系統(tǒng)無任何沖擊；(4)手-自動切換：操作員可以根據(jù)需要對任意回路實(shí)施手-自動切換，當(dāng)遇到重大緊急情況發(fā)生時能夠快速的進(jìn)行手-自動整體切換，切換時可確保輸出值穩(wěn)定無跳變以避免對生產(chǎn)運(yùn)行的擾動，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，配合DCS系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并切除自動恢復(fù)為手動狀態(tài)，以確保裝置的運(yùn)行安全；(5)系統(tǒng)運(yùn)維及二次開發(fā)，均可通過“拖、拉、拽”方式，快速構(gòu)建控制邏輯。

4 項(xiàng)目實(shí)施目的

項(xiàng)目實(shí)施要達(dá)到5個目的：(1)自動上料系統(tǒng)自動控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)電機(jī)-輸送皮帶等設(shè)備的一鍵啟停和安全運(yùn)行；(2)實(shí)現(xiàn)磨機(jī)智能優(yōu)化控制，提高原料磨、煤磨臺時、負(fù)荷、溫度等關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的穩(wěn)定高效運(yùn)行；(3)燒成系統(tǒng)的智能優(yōu)化控制，自動感知和自適應(yīng)原-燃料特性變化，自動補(bǔ)償煤秤-原料秤等執(zhí)行精度的偏差，強(qiáng)化對于傳感器的容錯能力，整體提高智能控制系統(tǒng)的自動控制投運(yùn)率；(4)余熱發(fā)電及脫銷系統(tǒng)智能優(yōu)化控制，確保其與燒成系統(tǒng)的緊密跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)熱能的高效回收、合格排放前提下的降低脫硝成本；(5)水泥磨智能優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)、降耗、穩(wěn)質(zhì)。

5 優(yōu)化控制方案

整體控制邏輯見圖1。

圖1 整體控制邏輯

序號控制單元控制模塊1熟料燒成系統(tǒng)窯尾喂煤量控制、窯頭煤穩(wěn)定控制、高溫風(fēng)機(jī)控制、窯頭排風(fēng)機(jī)控制、篦速控制、篦下風(fēng)機(jī)控制、入窯生料穩(wěn)定性控制、窯速控制、脫銷控制2煤磨系統(tǒng)磨機(jī)喂煤量、出磨溫度3生料磨系統(tǒng)石灰石破碎控制、原料預(yù)均化堆場自動上料連鎖控制、磨機(jī)喂料量控制、磨尾排風(fēng)機(jī)控制、磨機(jī)出口溫度控制4余熱發(fā)電系統(tǒng)主汽壓力控制、汽輪機(jī)均壓箱壓力控制、鍋爐給水壓力控制、SP爐高壓汽包水位控制、AQC爐高壓汽包水位控制、AQC爐低壓壓汽包水位控制、冷凝器液位控制等5水泥磨系統(tǒng)磨機(jī)一鍵啟停、水泥品種控制、總產(chǎn)量控制、下料閘板控制、質(zhì)量控制、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速控制等

窯尾煤控制效果見圖2。

圖2 窯尾煤控制

由圖可看出通過多變量預(yù)估技術(shù)并結(jié)合自學(xué)習(xí)、自感知、自適應(yīng)、自校正等智能控制技術(shù)可以預(yù)判窯尾溫度變化趨勢提前作出增減煤的動作，并在斷煤時及時給予動態(tài)補(bǔ)償穩(wěn)定熱工制度。

脫硝控制效果見圖3。

圖3 脫硝控制效果

余熱液位控制效果見圖4。

圖4 余熱液位控制效果

6 效益分析

專家優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定、各功能應(yīng)用良好，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在以下七個方面：

(1)產(chǎn)品提升的效益：由于智能控制的投運(yùn)改善了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，尤其縮小了關(guān)鍵工藝參數(shù)的波動范圍，使得裝置安全生產(chǎn)的裕度增大，設(shè)備及工況允許進(jìn)一步增加生料喂料量，從而產(chǎn)能得以提高；(2)質(zhì)量穩(wěn)定的效益：穩(wěn)定的熱工制度保障了游離鈣、立升重等質(zhì)量指標(biāo)的穩(wěn)定，生產(chǎn)運(yùn)行中的燃料量全部用于分解與煅燒，避免了生產(chǎn)不合格熟料所消耗的能源的浪費(fèi)；(3)操作規(guī)范的效益：消除人-人、班-班、晝-夜之間的操作品質(zhì)差異，避免了誤操作引起的欠燒與過燒造成的能源浪費(fèi)；(4)優(yōu)化平臺的效益：智能控制實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的操作優(yōu)化，能夠作為工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)條件，便于根據(jù)原料、燃料和設(shè)備現(xiàn)狀尋求更優(yōu)化的生產(chǎn)配方、工藝參數(shù)等；(5)設(shè)備壽命延長的效益：在智能控制運(yùn)行環(huán)境中熱工制度的調(diào)整更加平滑，風(fēng)量的增減、溫度升降幅度更小，從而杜絕了風(fēng)、煤調(diào)整的劇烈動作；(6)環(huán)保排放的效益：氨水的消耗是脫硝裝置運(yùn)行成本的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)用先控系統(tǒng)使脫硝裝置能夠保持對熟料生產(chǎn)線操作協(xié)調(diào)同步，避免過量加氨或加氨不足增大超標(biāo)排放，從而節(jié)約了氨水消耗，降低了脫硝成本；(7)具備與優(yōu)化系統(tǒng)的充分融合能力，具備開展在線實(shí)時優(yōu)化等功能的堅實(shí)基礎(chǔ)，在開啟優(yōu)化模式后，能夠更加準(zhǔn)確的確定關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定值，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

圖5 三級控制模式

基于成熟的控制算法和模板化軟件結(jié)構(gòu)，專家系統(tǒng)能夠支持在線安裝調(diào)試，可保證在較短時間完成控制方案的部署和相關(guān)參數(shù)的配置，調(diào)試期間對正常生產(chǎn)運(yùn)行影響小，該項(xiàng)目無風(fēng)險。

7 結(jié) 語

專家優(yōu)化控制系統(tǒng)在我公司水泥熟料生產(chǎn)線應(yīng)用效果良好，生產(chǎn)過程運(yùn)行更穩(wěn)定，操作更靈活，應(yīng)對來自原燃材料、設(shè)備、儀表等各方面的干擾更及時有效，生產(chǎn)控制實(shí)現(xiàn)智能、優(yōu)化控制。一方面提高生產(chǎn)線控制水平，向智能化控制邁進(jìn)；另一方面，由于專家控制系統(tǒng)控制精確度提高，帶來生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的提升，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。