基于中子活化分析儀的水泥燒成系統(tǒng)游離氧化鈣卡邊控制方法研究

關(guān)長(zhǎng)亮

1 前言

水泥工業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型對(duì)于產(chǎn)業(yè)升級(jí)、更好地服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)至關(guān)重要[1]。智能化水泥工廠可大幅改善勞動(dòng)條件，減少人工干預(yù)，提高水泥生產(chǎn)的過(guò)程可控性。借助于智能化技術(shù)，可在原有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)資源的優(yōu)化利用，提高生產(chǎn)效率，從而進(jìn)一步提高水泥企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。雖然近年來(lái)DCS控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，提升了國(guó)內(nèi)水泥工業(yè)的自動(dòng)化程度，但離建成真正意義上的智能化水泥工廠仍有較大差距。建立智能化水泥工廠的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)水泥燒成系統(tǒng)的智能控制，然而水泥熟料中的游離氧化鈣無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致水泥燒成系統(tǒng)難以建立有效的智能控制手段，卡邊控制（操作控制變量，保證產(chǎn)品質(zhì)量剛好合格的控制方法）更是無(wú)從說(shuō)起。

目前，多數(shù)水泥廠均是通過(guò)軟測(cè)量（測(cè)量易獲取的變量來(lái)推斷或估計(jì)難以測(cè)量的重要變量）方式實(shí)現(xiàn)游離氧化鈣含量的測(cè)量。武偉寧等[2]提出了一種時(shí)序分析方法，以提高熟料中游離氧化鈣含量的軟測(cè)量準(zhǔn)確度；趙朋程等[3]提出了一種局部區(qū)域可調(diào)的改進(jìn)量子粒子群優(yōu)化（IQPSO）算法，建立了基于IQPSO 算法優(yōu)化ELM 的水泥熟料游離氧化鈣軟測(cè)量模型；Jiang Y Y 等[4]提出了一種改進(jìn)的粒子群算法，對(duì)LSSVM 模型的兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)交叉驗(yàn)證法和網(wǎng)格搜索法等參數(shù)選擇方法的盲目性，并利用PSO-LSSVM 軟測(cè)量模型對(duì)熟料游離氧化鈣含量進(jìn)行了模擬。

2 卡邊控制方法提出

智能化水泥工廠不僅僅需引入智能化生產(chǎn)設(shè)備、智能化檢測(cè)設(shè)備、智能控制算法，更重要的是要實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)化控制，同時(shí)，根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)（圖1），制定一套行之有效的精細(xì)化控制方案，解決水泥生產(chǎn)過(guò)程中的難題，包括但不局限于以下問(wèn)題：

圖1 水泥工藝流程圖

（1）水泥生料磨前的生料質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和波動(dòng)情況，是否會(huì)影響水泥生料的自動(dòng)配料。

（2）水泥窯尾收塵入生料均化庫(kù)，是否會(huì)影響生料均化效果。

（3）若無(wú)法對(duì)熟料游離氧化鈣進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，是否會(huì)影響整個(gè)燒成系統(tǒng)的風(fēng)、煤、料控制。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于中子活化分析儀的水泥燒成系統(tǒng)游離氧化鈣的卡邊控制方法。該方法的核心是在目前常規(guī)控制方案的基礎(chǔ)上，在生料均化庫(kù)下方增加一臺(tái)中子活化分析儀，實(shí)現(xiàn)入窯生料質(zhì)量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（1）根據(jù)工藝特點(diǎn)，均化后的物料檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，均高于前端生料配料處的物料檢測(cè)。

（2）實(shí)時(shí)校正前端生料配料的中子活化分析儀，提高配料精度；屏蔽窯尾收塵對(duì)生料均化的影響，尤其是前端生料磨停機(jī)、后端工藝生產(chǎn)仍正常進(jìn)行時(shí)的影響。

（3）目前，通過(guò)燒成帶溫度、分解爐溫度等信息建立的熟料游離氧化鈣軟測(cè)量模型精度較差，結(jié)合入窯生料質(zhì)量建立的熟料游離氧化鈣軟測(cè)量模型的可信度更大，基于該模型，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)、煤、料的卡邊控制，在保證熟料質(zhì)量的情況下，提產(chǎn)、節(jié)能、降耗。

3 卡邊控制方法核心技術(shù)

熟料游離氧化鈣卡邊控制方法是基于在水泥生料入窯前，增加生料質(zhì)量檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)前端生料配料進(jìn)行校正，對(duì)后端熟料游離氧化鈣含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)水泥燒成系統(tǒng)的精細(xì)化控制。其核心技術(shù)主要包括：生料入窯質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)、基于生料質(zhì)量數(shù)據(jù)的軟測(cè)量模型建立、基于游離氧化鈣的卡邊控制等三個(gè)部分。

3.1 生料入窯質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)

在生料均化庫(kù)下方增加生料質(zhì)量檢測(cè)裝置中子活化分析儀，該分析儀將結(jié)果反饋至生料自動(dòng)配料系統(tǒng)，生料自動(dòng)配料系統(tǒng)根據(jù)入庫(kù)生料檢測(cè)值，實(shí)時(shí)校正自動(dòng)配料系統(tǒng)配料值。自動(dòng)配料系統(tǒng)通過(guò)OPC 協(xié)議通訊方式，與現(xiàn)場(chǎng)DCS 系統(tǒng)進(jìn)行連接，最終將優(yōu)化配料指令下達(dá)至DCS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線自動(dòng)優(yōu)化配料，如圖2所示。

圖2 生料入窯檢測(cè)示意

熟料游離氧化鈣卡邊控制方法實(shí)時(shí)檢測(cè)控制周期主要取決于中子活化分析儀與原料秤的距離及原料秤的響應(yīng)時(shí)間，也與原材料的成分波動(dòng)有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員需根據(jù)具體情況具體確定，通常1～3min檢測(cè)一次。

3.1.1 實(shí)現(xiàn)原料斷料堵料時(shí)的自動(dòng)補(bǔ)償

原料堵料斷料是配料系統(tǒng)常見(jiàn)的問(wèn)題，不僅會(huì)造成磨機(jī)產(chǎn)量下降，而且原料不能按預(yù)期比例進(jìn)入磨機(jī)混合，出磨生料成分波動(dòng)非常大。智能配料系統(tǒng)可以對(duì)此現(xiàn)象作智能判斷并進(jìn)行以下應(yīng)急處理。

（1）當(dāng)某種原料斷料或堵料時(shí)，中子活化分析儀自動(dòng)配料程序?qū)l(fā)出圖像及聲音警告信息，提醒工作人員盡快處理，降低斷料或堵料的影響。

（2）配料系統(tǒng)具有斷料補(bǔ)償功能，對(duì)短時(shí)間發(fā)生的斷料情況，系統(tǒng)可對(duì)斷料原料配比進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，特殊情況下，操作員可終止斷料補(bǔ)償，按正常配比配料；補(bǔ)償過(guò)程中只對(duì)斷料原料配比進(jìn)行補(bǔ)償，生料磨總產(chǎn)量保持不變，不會(huì)造成皮帶壓停。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)生料入庫(kù)反饋優(yōu)化控制

（1）在滿足生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，為降低生產(chǎn)成本，在有多種原料可供選擇，且滿足三率值配料要求的情況下，中子活化分析儀自動(dòng)配料系統(tǒng)可依據(jù)物料的成本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)最低成本物料優(yōu)選控制，并對(duì)生料成本進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。

（2）根據(jù)生料入窯前的質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化配料三率值，可設(shè)定優(yōu)先級(jí)，并按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)控制配料。在四組分及以上原料參與配料，且滿足三率值配料時(shí)，三率值整體合格率很高。在原材料不滿足三率值配料要求的情況下，可對(duì)三率值控制指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，使主要指標(biāo)達(dá)到質(zhì)量要求。當(dāng)三率值不合格時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算其與目標(biāo)要求的偏差并累計(jì)，在后續(xù)的配料過(guò)程中，對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償，直到累計(jì)偏差為零，以保證混合生料的率值合格。若三率值持續(xù)不可配，將影響其合格率。

3.2 基于生料質(zhì)量數(shù)據(jù)的軟測(cè)量模型建立

對(duì)熟料中游離氧化鈣的常規(guī)控制主要依托于現(xiàn)場(chǎng)每小時(shí)熟料質(zhì)量的采樣分析，存在一定的滯后情況。本文依據(jù)中子活化分析儀入窯生料實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，選取部分操縱變量（喂料量、頭煤量、喂煤量）及可測(cè)量變量（回轉(zhuǎn)窯溫度）作為輔助變量，建立了熟料游離氧化鈣軟測(cè)量模型。該模型可根據(jù)工況實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前產(chǎn)品的質(zhì)量（包括游離氧化鈣含量），并利用實(shí)驗(yàn)室的分析值校正模型計(jì)算值，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)控制，減少產(chǎn)品的不合格率，如圖3所示。

圖3 基于生料質(zhì)量數(shù)據(jù)的軟測(cè)量示意

軟測(cè)量的方法有很多，如，BP 神經(jīng)網(wǎng)路、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘法、多元線性回歸、徑向基網(wǎng)絡(luò)等，本文將以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例介紹模型預(yù)測(cè)控制算法。BP[5-6]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入模式為x=(x1,x2,...xn)T，隱含層有h個(gè)單元，隱含層的輸出為y=(y1,y2,...yh)T，輸出層有m個(gè)單元，輸出可表示為z=(z1,z2,...zm)T，目 標(biāo) 輸 出t可 表 示 為t=(t1,t2,...,tm)T。設(shè)隱含層到輸出層的傳遞函數(shù)為f，則隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的輸出；其中w0j=-θ,x0=1。

設(shè)輸出層的傳遞函數(shù)為g，則輸出層第k個(gè)神經(jīng)元的輸出：。

此時(shí),網(wǎng)絡(luò)輸出與目標(biāo)輸出的誤差為ε=。

利用負(fù)梯度方向是函數(shù)值減小最快的方向，通過(guò)減小ε調(diào)整權(quán)值[7]。

因此，可以設(shè)定一個(gè)步長(zhǎng)η，每次沿負(fù)梯度方向調(diào)整η個(gè)單位，η在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中稱為學(xué)習(xí)速率，即每次權(quán)值的調(diào)整為：

3.3 基于游離氧化鈣的卡邊控制

游離氧化鈣軟測(cè)量模型建立后，利用TaiJi-MPC[8-9]平臺(tái)，通過(guò)MPC模型預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)現(xiàn)基于熟料游離氧化鈣軟測(cè)量的風(fēng)、煤、料的卡邊控制。在每個(gè)控制周期內(nèi)，MPC 控制算法包含預(yù)測(cè)、穩(wěn)態(tài)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)控制三個(gè)步驟。具體過(guò)程如下：

預(yù)測(cè)步驟是使用辨識(shí)得到的模型和相關(guān)MV、DV和CV的當(dāng)前測(cè)量值，對(duì)CV的未來(lái)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值會(huì)在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制中使用。

假設(shè)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的全部參數(shù)已在MPC控制算法設(shè)計(jì)中確定，則穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的結(jié)果是MV和CV的穩(wěn)態(tài)值，分別記為向量y*和向量u*。

MPC控制算法的動(dòng)態(tài)控制步驟是根據(jù)CV的預(yù)測(cè)值和辨識(shí)得到的模型計(jì)算MV控制動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程到達(dá)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的穩(wěn)態(tài)值。動(dòng)態(tài)控制的計(jì)算也是一個(gè)二次規(guī)劃[10-11]：

式中：

yref（t）——CV閉環(huán)響應(yīng)的理想軌跡

y*、u*、y*、u*——穩(wěn)定優(yōu)化中確定的MV和CV的穩(wěn)態(tài)值

P——預(yù)測(cè)步長(zhǎng)

M——控制步長(zhǎng)

Q——CV的權(quán)重對(duì)角矩陣

R——MV的權(quán)重對(duì)角矩陣

S——MV的增量權(quán)重對(duì)角矩陣

動(dòng)態(tài)控制的參數(shù)包含P、M，每個(gè)CV的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)時(shí)間Tresp（i），權(quán)重矩陣Q、R和S，均可自動(dòng)選擇。

為實(shí)現(xiàn)MPC 控制，MPC 控制模塊需自動(dòng)選擇辨識(shí)得到的模型并在控制中使用模型，自動(dòng)整定MPC 的控制參數(shù)。MPC 預(yù)測(cè)控制過(guò)程框圖如圖4所示。

圖4 MPC預(yù)測(cè)控制過(guò)程框圖

4 技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)熟料中的游離氧化鈣難以建立精確的數(shù)學(xué)模型、難以實(shí)時(shí)在線測(cè)量的問(wèn)題，首先采用聚類分析、主元分析、線性規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，建立基于中子活化分析儀的水泥熟料游離氧化鈣軟測(cè)量模型；依據(jù)入窯生料質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立的軟測(cè)量模型，檢測(cè)精度高、泛化能力強(qiáng)。其次，利用軟件編程方法，設(shè)計(jì)水泥熟料質(zhì)量指標(biāo)軟測(cè)量?jī)x表。最后，將軟測(cè)量?jī)x表的預(yù)測(cè)值作為前饋值傳到優(yōu)化控制器中，實(shí)現(xiàn)熟料中游離氧化鈣含量的在線實(shí)時(shí)反饋，并結(jié)合預(yù)測(cè)控制技術(shù)動(dòng)態(tài)校正控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、煤、料的精準(zhǔn)卡邊控制，具體過(guò)程如圖5所示。

圖5 水泥燒成系統(tǒng)游離氧化鈣卡邊控制框圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于中子活化分析儀的水泥燒成系統(tǒng)游離氧化鈣的卡邊控制方法，通過(guò)在生料均化庫(kù)后加裝生料入窯質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以對(duì)前端生料配料進(jìn)行反饋校正，還可以建立實(shí)時(shí)游離氧化鈣軟測(cè)量模型，與模型預(yù)測(cè)控制算法協(xié)同，實(shí)現(xiàn)基于游離氧化鈣軟測(cè)量的風(fēng)、煤、料卡邊控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指標(biāo)分析，該方法可以降低游離氧化鈣的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)約10%，游離氧化鈣指標(biāo)含量提高0.3%以上，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。