基于模糊控制和機器學(xué)習(xí)的水泥磨機專家控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

水泥粉磨工藝具有非線性、大時滯和時變特征，建立精確的水泥磨模型比較困難，因此難以通過簡單的性能指標和參數(shù)控制來精確控制粉磨生產(chǎn)線的運行；受生產(chǎn)過程物料因素和設(shè)備因素影響較大，如儲料倉下料不暢、輥壓機物料離析、電網(wǎng)電壓變動等，同時國內(nèi)水泥生產(chǎn)普遍具有錯峰生產(chǎn)和產(chǎn)品類型較多的特點。水泥磨機智能專家控制系統(tǒng)（以下簡稱水泥專家系統(tǒng)）可使水泥生產(chǎn)過程實現(xiàn)智能化控制，是實現(xiàn)水泥生產(chǎn)智能制造的一個核心控制環(huán)節(jié)，可以降低粉磨工藝的能源消耗，穩(wěn)定生產(chǎn)過程的臺時產(chǎn)量，保證設(shè)備的平穩(wěn)安全運行，對產(chǎn)品的質(zhì)量指標也起到重要的保障作用。同時降低操作人員的勞動強度，實現(xiàn)以人為本，促進了水泥行業(yè)智能制造的發(fā)展。

1、水泥粉磨工藝控制方案我公司水泥粉磨系統(tǒng)是由輥壓機和球磨機組成的聯(lián)合粉磨工藝系統(tǒng)，將輥壓機擠壓后的粉狀物料經(jīng)V型選粉機打散和動態(tài)選粉機預(yù)分級，較粗顆粒返回輥壓機重新擠壓，經(jīng)動態(tài)選粉機分選出的一定細度的細粉經(jīng)收塵器收集后，喂入球磨機內(nèi)進一步粉磨。經(jīng)過分析，水泥粉磨控制系統(tǒng)包括輥壓機總產(chǎn)量控制、輥壓機下料閘板控制、循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速和選粉機轉(zhuǎn)速等共四個控制單元，其中輥壓機系統(tǒng)由喂料秤、喂料皮帶、入磨斗提、V型選粉機、輥壓機小倉、輥壓機等設(shè)備組成，形成閉環(huán)控制；磨機系統(tǒng)由動態(tài)選粉機、磨機、出磨斗提等主要設(shè)備形成閉環(huán)回路；兩個系統(tǒng)之間通過V型選粉機、袋收塵器、循環(huán)風(fēng)機閉環(huán)回路進行耦合。其流程如圖1所示。圖1水泥粉磨工藝控制系統(tǒng)流程示意通過系統(tǒng)的分析和對各種控制方案的對比，最后采用基于LabVIEW平臺的模糊控制和機器學(xué)習(xí)的控制方案來實現(xiàn)。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編輯語言G編寫程序，其所編寫的程序是框圖形式的，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊LabVIEWDSC，具有豐富的工業(yè)通訊接口。另外新版LabVIEW具備Python接口，方便利用Python語言在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的各種庫模塊。

2、水泥磨機智能模糊控制系統(tǒng)的控制方案根據(jù)生產(chǎn)工藝特性，我們將生產(chǎn)過程分為四個控制模塊，按照模糊控制理論分析方法，對生產(chǎn)工藝參數(shù)進行分類劃分，確定各參數(shù)的論域，并進行模糊化處理，確定量化因子和比例因子。以下為各子控制模塊分析。1）輥壓機總產(chǎn)量控制模塊根據(jù)輥壓機稱重倉倉重增減磨機總產(chǎn)量，實現(xiàn)對總產(chǎn)量的控制，同時兼顧系統(tǒng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的改變，會帶動產(chǎn)能的改變，系統(tǒng)會相應(yīng)修改磨機總產(chǎn)量，以確保輥壓機系統(tǒng)物料平衡和合理的循環(huán)料量。2）輥壓機下料閘板控制模塊通過調(diào)節(jié)輥壓機下料閘板開度穩(wěn)定輥壓機負荷，且保證輥壓機均勻穩(wěn)定過飽和喂料，保證輥壓機高效做功。并應(yīng)對原料易磨性的變化，提高輥壓機的工作效率，保證磨機出料品質(zhì)穩(wěn)定。3）冷風(fēng)閥模塊該模塊配合輥壓機小倉倉重、出磨提升機電流、輥壓機功率的變化量、出磨斗提電流的變化量等狀態(tài)指標協(xié)調(diào)操作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。4）選粉機轉(zhuǎn)速控制模塊該模塊根據(jù)粉料細度（折算比表），調(diào)節(jié)動態(tài)選粉機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的合格和穩(wěn)定。

3、項目的設(shè)計與實施3.1數(shù)據(jù)的預(yù)處理本項目中生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)采用ABBFreelance2000DCS控制系統(tǒng)，通過OPCDA與LabVIEW進行通訊，獲得實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的預(yù)處理是本項目的關(guān)鍵，通過采用隊列的方式，對電流、壓力、溫度等重要數(shù)據(jù)進行清洗、濾波和均值化處理等，以實現(xiàn)系統(tǒng)工況的精準辨識。特別是對于輥壓機這種負載，其電流的波動相對較大，瞬時電流不能代表輥壓機的運行工況，因此通過滾動平均值的方式可以有效反映輥壓機工況變化的趨勢。本例中我們將相關(guān)聯(lián)的電流信號、輥壓機壓力等關(guān)聯(lián)參數(shù)組合成數(shù)組，并通過隊列和移位寄存器等算法計算，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一預(yù)處理，如圖2所示。圖2數(shù)據(jù)預(yù)處理程序框圖3.2模糊控制器的設(shè)計本例中以輥壓機喂料擋板為例說明模糊控制器的設(shè)計，選定輥壓機電流平均值偏差和出輥壓機斗提電流偏差為輸入變量，將其分別量化為負大（NB）、負?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正大（PB）五個語言變量值，擋板開度調(diào)整為輸出變量，負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）七個語言變量值，本項目中選取“隸屬函數(shù)”的形狀為三角形，輥壓機電流平均值偏差隸屬函數(shù)圖設(shè)置如圖3所示。出輥壓機斗提電流偏差的隸屬函數(shù)設(shè)置類似。圖3輥壓機電流平均值偏差隸屬函數(shù)圖示意輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)生成后，建立模糊控制規(guī)則表，本控制器產(chǎn)生25條模糊控制規(guī)則，如圖4所示。圖4模糊控制規(guī)則模糊控制器生成后，通過可視化3D模型可以直觀觀測輸入與輸出變量的關(guān)系，模糊控制測試系統(tǒng)設(shè)計如圖5所示。圖5模糊控制器系統(tǒng)設(shè)計3.3模糊控制器在控制程序中的應(yīng)用在模糊控制器設(shè)計完成后，通過模糊系統(tǒng)模塊加載控制策略；在模糊控制器運行前，需要對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行卡邊處理，以保障模糊控制器在有效范圍內(nèi)運算。模糊控制器的開發(fā)應(yīng)用如圖6所示。圖6模糊控制模塊的開發(fā)應(yīng)用3.4水泥磨品種切換控制出磨水泥比表面積控制器根據(jù)目標值自動調(diào)整選粉機轉(zhuǎn)速。排風(fēng)機轉(zhuǎn)速也可以調(diào)整出磨水泥比表面積，但一般情況下，主要通過選粉機轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)系統(tǒng)拉風(fēng)過大或過小時，需要調(diào)節(jié)排風(fēng)機轉(zhuǎn)速以調(diào)整出磨水泥比表面積。因此不同品種水泥在工藝操作中各個設(shè)備的控制參數(shù)也不同，本項目中為了方便操作，設(shè)置了一鍵切換功能。利用LabVIEW中簇的概念，將需要設(shè)置的參數(shù)打包成簇，每個品種都獨立設(shè)置（如圖7中的32.5簇和42.5簇分別代表P·O32.5水泥和P·O42.5水泥），以方便一鍵選擇。圖7簇的設(shè)置3.5基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析在生產(chǎn)水泥過程中會產(chǎn)生大量的工藝數(shù)據(jù)，如水泥的細度、比表面積、流動度、需水量等指標，工藝生產(chǎn)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，同時也會產(chǎn)生大量的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，如磨機電流、輥壓機電流，軸承的溫度和振動值等信息。本項目中利用LabVIEW與Python的集成功能，通過用Python所編寫的腳本將LabVIEW采集到的數(shù)據(jù)信息以數(shù)組的形式寫入開源的數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，再利用Numpy、Scipy、Scikit-LearnPython等常用的機器學(xué)習(xí)的類庫對數(shù)據(jù)進行分析，可以幫助我們實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類、回歸、聚類、降維，及模型選擇和數(shù)據(jù)預(yù)處理。本項目通過回歸算法對輥壓機歷史電流、壓力、輥縫、擋板開度等參數(shù)進行處理，尋找輥壓機最佳工作點和最優(yōu)化的控制參數(shù)。3.6系統(tǒng)預(yù)判斷與語音報警為了保障系統(tǒng)運行的可靠性，對于異常工況下，通過對關(guān)鍵控制參數(shù)的監(jiān)控，包括電流、溫度、壓力等工藝參數(shù)，對系統(tǒng)出現(xiàn)的特殊情況，如定量給料機斷料、電流偏差過大、升溫過快等情況，系統(tǒng)將及時語音報警，提醒相關(guān)人員及時處理，有效地減少事故發(fā)生，實現(xiàn)了良好的人機交互。本項目通過LabVIEW對Speech庫的調(diào)用，利用文本轉(zhuǎn)語音技術(shù)（TTS）實現(xiàn)這一功能。操作人員可以對信息進行閾值的設(shè)置，并可直觀地看到信號的狀態(tài)，見圖8。圖8報警系統(tǒng)閾值設(shè)定

4、項目使用效果該項目充分利用LabVIEW平臺可視化編程的特點，具有開發(fā)速度快、適合企業(yè)工程技術(shù)人員開發(fā)與應(yīng)用、工藝工程技術(shù)人員可根據(jù)操作經(jīng)驗實時修改模糊控制器參數(shù)等優(yōu)點。系統(tǒng)投運后，穩(wěn)定了生產(chǎn)工藝