水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

薛美盛　饒偉浩　謝忻南　秦宇海

摘 要 采用廣義預(yù)測控制算法克服大滯后問題，引入前饋解決強(qiáng)干擾問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一套水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在某水泥廠長期投運，有效改善了水泥粉磨控制品質(zhì)。

關(guān)鍵詞 優(yōu)化控制系統(tǒng) 水泥粉磨 廣義預(yù)測控制 前饋控制 球磨機(jī)

中圖分類號 TP273? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B? ?文章編號 1000－3932（2023）04－0434－05

水泥是一種重要的工程建筑材料。2004年，我國水泥生產(chǎn)總量為9.7億噸，至2019年，其生產(chǎn)總量已上升至20.0億噸，我國水泥產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先［1］。但水泥行業(yè)作為資源消耗大、能源消耗高的傳統(tǒng)行業(yè)，在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，如何適應(yīng)“雙碳”工作大局，走出一條健康發(fā)展的道路，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)［2］。

目前，使用最廣泛的3種水泥粉磨系統(tǒng)包括球磨機(jī)和輥壓機(jī)組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)、球磨機(jī)和立磨組成的粉磨系統(tǒng)以及立磨終粉磨系統(tǒng)［3］。由于水泥粉磨過程具有大滯后和強(qiáng)干擾的特性，手動控制效果不理想。而現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)線中，粉磨過程的自動控制率不高，少量使用自動控制系統(tǒng)的也只是關(guān)注于其中某一具體環(huán)節(jié)，而其控制算法大多仍使用的是常規(guī)PID控制，控制效果難以滿足生產(chǎn)要求［4］。另外，水泥磨的耗電量占水泥生產(chǎn)總耗電量的40%左右，因此提高水泥粉磨效率、降低電耗也是急需解決的重點與難點問題。

國外學(xué)者大多采用模糊控制策略來實現(xiàn)對水泥粉磨系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)［5，6］基于模糊邏輯，各自完成了一套水泥粉磨自動控制系統(tǒng)。然而，模糊控制器的復(fù)用性差，控制精度不高，動態(tài)品質(zhì)也較差。趙長春等以RBF預(yù)測模型為基礎(chǔ)，利用PSO算法實現(xiàn)了水泥磨機(jī)負(fù)荷的預(yù)測控制［7］。陳英豪使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了適用于現(xiàn)場工況的水泥磨電耗預(yù)測模型，并設(shè)計了基于粒子群算法的水泥磨負(fù)荷運行指標(biāo)決策優(yōu)化模型［8］。

為實現(xiàn)水泥粉磨的優(yōu)化控制，筆者在四川某水泥廠構(gòu)建硬件平臺，與現(xiàn)場DCS連接，基于廣義預(yù)測控制算法，設(shè)計并實現(xiàn)水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由球磨機(jī)和立磨組成，其中球磨機(jī)負(fù)責(zé)細(xì)粉磨，立磨負(fù)責(zé)粗粉磨。

1 水泥粉磨工藝

1.1 水泥粉磨工藝流程

新型干法水泥生產(chǎn)工藝包括破碎預(yù)均化、生料制備、預(yù)熱分解、水泥熟料燒成、水泥粉磨及儲運等工序［9］。水泥粉磨是水泥生產(chǎn)的最后一道工序。按水泥品種，將煅燒過后生成的熟料與石膏、礦渣、粉煤灰、石灰石等原料先輸送到以立磨為核心的粗粉磨系統(tǒng)，物料經(jīng)過初步研磨后進(jìn)入選粉機(jī)，顆粒大小合適的物料再次進(jìn)入球磨機(jī)中進(jìn)行細(xì)粉磨。粉碎后的物料顆粒再次進(jìn)行選粉，合格的物料經(jīng)收塵器收塵后直接入庫，其余物料進(jìn)入球磨機(jī)再次進(jìn)行研磨。水泥粉磨工藝流程如圖1所示。

1.2 水泥粉磨控制難點

水泥粉磨過程中，從喂料到物料進(jìn)入立磨與球磨機(jī)的傳輸時間長，純滯后較大。如果通過手動控制或者常規(guī)PID控制，常常因不能及時改變喂料量而導(dǎo)致偏差較大，使立磨研磨效率降低。另外，粗粉磨系統(tǒng)出料量的變化會影響細(xì)粉磨系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為此筆者采用立磨出磨提升機(jī)電流作為細(xì)粉磨系統(tǒng)的前饋量，解決出料量帶來的干擾。同時，水泥粉磨還經(jīng)常出現(xiàn)飽磨問題，對水泥生產(chǎn)、設(shè)備運行也會造成影響。

2 水泥粉磨控制策略設(shè)計

2.1 粗粉磨系統(tǒng)控制策略

粗粉磨系統(tǒng)作為水泥粉磨的預(yù)研磨階段，是整個系統(tǒng)的核心之一。將預(yù)研磨后的物料按顆粒大小分為3份，一份直接入庫，另一份進(jìn)入細(xì)粉磨系統(tǒng)，最后一份重新進(jìn)入立磨進(jìn)行研磨。這種方式效率高，耗電量低，產(chǎn)品質(zhì)量好。因此，維持立磨研磨穩(wěn)定，有利于細(xì)粉磨階段球磨機(jī)的穩(wěn)定運行。筆者選擇喂料量作為控制量，立磨磨機(jī)電流作為被控量。

由于從喂料量到立磨磨機(jī)電流的模型存在大滯后，常規(guī)PID算法的控制效果不理想，筆者選擇使用廣義預(yù)測控制算法實現(xiàn)對立磨磨機(jī)電流的有效控制。粗粉磨系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

通過分析采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建廣義預(yù)測控制器。整定參數(shù)后，廣義預(yù)測控制器選取控制周期為10 s，預(yù)測步長80步，控制步長20步，柔化因子為0.995，控制量權(quán)重因子為80。

2.2 細(xì)粉磨系統(tǒng)控制策略

細(xì)粉磨系統(tǒng)的核心是球磨機(jī)。目前主要以球磨機(jī)的負(fù)荷來判斷球磨機(jī)的運行狀態(tài)，但是負(fù)荷并不能直接被測量，只能通過其他的測量數(shù)據(jù)來估測球磨機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)。因球磨機(jī)電流變化量較小，無法準(zhǔn)確通過其來表征球磨機(jī)負(fù)荷，分析歷史數(shù)據(jù)并與現(xiàn)場操作員和工程師討論后，筆者決定采用球磨出磨提升機(jī)電流作為被控量來反映其負(fù)荷。當(dāng)水泥球磨機(jī)內(nèi)物料較多時，負(fù)荷較大，無法實現(xiàn)有效研磨，生產(chǎn)的水泥成品質(zhì)量難以得到保證；當(dāng)水泥球磨機(jī)內(nèi)物料較少時，負(fù)荷較小，會出現(xiàn)過研磨，水泥成品質(zhì)量同樣變差。此時應(yīng)改變進(jìn)入球磨機(jī)的物料量，但如果直接調(diào)整水泥粉磨系統(tǒng)的喂料量，會影響粗粉磨系統(tǒng)的正常運行，造成資源的浪費與設(shè)備的不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)波動。現(xiàn)場操作員通常通過改變V型選粉機(jī)液耦，改變轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)進(jìn)入球磨機(jī)的熟料量，來控制球磨出磨提升機(jī)電流，從而穩(wěn)定磨機(jī)負(fù)荷。因此，筆者選擇V型選粉機(jī)液耦作為控制量。

立磨出磨提升機(jī)作為物料進(jìn)入選粉機(jī)的前一個設(shè)備，其電流表征了進(jìn)入細(xì)粉磨系統(tǒng)的物料量。通常情況下，立磨處于穩(wěn)定狀態(tài)，立磨出磨提升機(jī)電流并不會產(chǎn)生劇烈波動；工況變化后，當(dāng)立磨出磨提升機(jī)電流改變時，通過將其作為前饋量，可以實現(xiàn)快速響應(yīng)，保持球磨機(jī)的穩(wěn)定運行。細(xì)粉磨系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

經(jīng)過整定，選取控制周期為5 s，預(yù)測步長80步，控制步長20步，柔化因子取0.981，控制量權(quán)重因子取200。前饋補(bǔ)償采用靜態(tài)補(bǔ)償。

2.3 飽磨處理策略

飽磨是粉磨過程中一種常見的異常工況。飽磨由短時間磨內(nèi)存料量過多所致，可能的原因有：喂料量過多、物料粒度變大或易磨性變差。飽磨運行時，水泥磨的研磨能力變差，導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，可以由此判斷飽磨狀態(tài)。而物料的易磨性無法預(yù)知，只能通過改變進(jìn)入磨機(jī)的物料量來控制磨機(jī)電流，穩(wěn)定磨機(jī)負(fù)荷。飽磨時，物料會在磨內(nèi)大量堆積，導(dǎo)致工況急轉(zhuǎn)直下，如果不能及時有效地減少物料量，可能會發(fā)生停機(jī)甚至設(shè)備損壞等事故。因此，避免飽磨與飽磨處理非常重要。

通過分析數(shù)據(jù)以及與現(xiàn)場工程師交流，以磨音、球磨出磨提升機(jī)電流、球磨進(jìn)出口壓差為參數(shù)建立飽磨判據(jù)。球磨機(jī)發(fā)生飽磨時，需要大量減少喂料量來使球磨機(jī)擺脫飽磨狀態(tài)，待恢復(fù)正常后，再進(jìn)行粗粉磨系統(tǒng)與細(xì)粉磨系統(tǒng)的控制。飽磨處理策略結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

磨音低于45 dB時，認(rèn)為磨音指標(biāo)超標(biāo)；球磨出磨提升機(jī)電流大于飽磨閾值時，認(rèn)為電流指標(biāo)超標(biāo)；球磨機(jī)出口負(fù)壓小于-1 150 Pa時，認(rèn)為負(fù)壓指標(biāo)超標(biāo)。當(dāng)磨音指標(biāo)超標(biāo)，且電流與負(fù)壓其中任一指標(biāo)超標(biāo)時，可以認(rèn)為水泥粉磨系統(tǒng)處于飽磨狀態(tài)。此時，需將喂料量降低至預(yù)設(shè)值，具體數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場工況由操作員決定。

經(jīng)過一段時間低負(fù)荷運行后，水泥磨會回歸正常運行狀態(tài)。為避免在飽磨判據(jù)指標(biāo)臨界點附近頻繁切換策略，筆者設(shè)立了死區(qū)。待磨音指標(biāo)正常后，在球磨出磨提升機(jī)電流小于電流死區(qū)閾值且球磨出口負(fù)壓大于-1 100 Pa時，可視為磨機(jī)從飽磨工況恢復(fù)正常，即死區(qū)范圍分別為死區(qū)閾值至飽磨閾值以及-1 150～-1 100 Pa。擺脫飽磨工況后，粗粉磨系統(tǒng)與細(xì)粉磨系統(tǒng)按各自控制策略運行。

3 優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水泥粉磨集散控制系統(tǒng)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中上位機(jī)由兩臺搭載Microsoft Windows Server 2008的工控機(jī)組成，每臺工控機(jī)都采用HOLLiAS MACS V6.5.2作為組態(tài)軟件。下位機(jī)由HOLLiAS MACS－K系列PLC組成。上、下位機(jī)之間通過PROFIBUS總線進(jìn)行通信，連接現(xiàn)場控制系統(tǒng)。筆者在現(xiàn)場添加了一臺DELL PowerEdge R220服務(wù)器，服務(wù)器上布署了水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場操作員和工程師分別使用兩臺工控機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控水泥粉磨系統(tǒng)和對水泥粉磨系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急操作，優(yōu)化控制系統(tǒng)操作站負(fù)責(zé)粗粉磨系統(tǒng)與細(xì)粉磨系統(tǒng)的控制。

優(yōu)化控制系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS通過局域網(wǎng)連接，基于OPC DA協(xié)議實現(xiàn)通信。服務(wù)器配置完成后，按現(xiàn)場工程師提供的數(shù)據(jù)點表進(jìn)行通信測試，成功后水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)即可對DCS執(zhí)行相應(yīng)讀寫操作。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 用戶界面

筆者設(shè)計了水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)的用戶圖形界面，可以讓現(xiàn)場操作員快捷地獲取實時數(shù)據(jù)、發(fā)送操作指令、設(shè)置控制參數(shù)。用戶圖形界面（圖6）由連接管理面板、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控面板、粗粉磨系統(tǒng)控制面板、細(xì)粉磨系統(tǒng)控制面板、參數(shù)設(shè)置面板和報警畫面面板6部分組成。

4 優(yōu)化控制系統(tǒng)投運效果

筆者設(shè)計的水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)成功投運于四川某水泥廠，其中重要工藝參數(shù)的投運效果對比如圖7、8所示。可以看出，水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)的投運使得水泥粉磨環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性參數(shù)都得到了較大改善，工況得到了穩(wěn)定，控制效果大幅上升。

5 結(jié)束語

針對目前水泥粉磨過程自動化程度低、工況不穩(wěn)定、耗電量高等問題，筆者在四川某水泥廠原DCS的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)并投運了一套水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)，長時間投運結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)工況穩(wěn)定，規(guī)范現(xiàn)場人員操作，減少其工作量，延長設(shè)備使用壽命，提高水泥粉磨生產(chǎn)效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-12-05，修回日期：2023-06-02）

Design and Realization of the Optimal Control System for Cement Grinding

XUE Mei－sheng RAO Wei－h(huán)ao XIE Xin－nan QIN Yu－h(huán)ai

（1. Dept. of Automation of School of Information Science and Technology， University of Science and Technology of China；

2. Jiangsu Panvieo Energy Saving Technology Co.， Ltd.）

Abstract? ?Through employing the generalized predictive control algorithm to overcome large lag troubles and adopting the feed－forward control to solve strong disturbance， an optimal control system for the cement grinding was designed and implemented. Its long－time operation in a cement plant effectively improves the control quality of the cement grinding.

Key words? ?optimal control system， cement grinding， generalized predictive control， feed－forward control， ball grinder