水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)

1、水泥粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)一、背景介紹對水泥粉磨系統(tǒng)的研究一直在不斷的進(jìn)行著，如何提高磨機(jī)的粉磨效率、提高水泥產(chǎn)品質(zhì)量、使生產(chǎn)過程節(jié)能降耗一直是研究的重點，水泥粉磨過程的耗能巨大，尤其是耗電情況十分嚴(yán)重，由于操作人員對磨機(jī)的操作存在滯后性、不確定性、盲目性等缺點，導(dǎo)致粉磨系統(tǒng)的效率較低，進(jìn)一步增加了粉磨系統(tǒng)的電耗。粉磨系統(tǒng)操作復(fù)雜，磨機(jī)的工況也是隨著現(xiàn)場的干擾而不斷變化的，導(dǎo)致現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)粉磨系統(tǒng)的不穩(wěn)定情況的發(fā)生，比如稱重倉倉滿溢料、球磨機(jī)飽磨、球磨機(jī)空磨、皮帶秤跳停、旋風(fēng)筒堵料等，如果操作員不能夠及時的發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的處理措施，就會導(dǎo)致粉磨系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)跳停，進(jìn)而必須將整個粉磨系統(tǒng)停下來進(jìn)行處理

2、，嚴(yán)重的影響了水泥的生產(chǎn)，對水泥的發(fā)貨造成影響，從而影響了水泥廠的效益。所以在粉磨系統(tǒng)運行時一定要避免極端情況的發(fā)生，如果因為操作員的操作出現(xiàn)了停產(chǎn)的情況則要對相應(yīng)的操作員進(jìn)行處罰，責(zé)任到人。因此，如果能夠?qū)Ψ勰ハ到y(tǒng)采用自動控制代替人工的操作，就能夠避免出現(xiàn)極端的情況，并且能夠使粉磨系統(tǒng)長時間處于穩(wěn)定工況，在節(jié)約了電耗的同時，能夠保護(hù)設(shè)備并且減少操作人員的勞動強(qiáng)度，具有一定的實用價值。據(jù)統(tǒng)計，我國水泥工業(yè)發(fā)展較快，水泥產(chǎn)量逐年遞增，自1985年起，我國水泥產(chǎn)量連續(xù)26年位居世界第一位，2011年總產(chǎn)量達(dá)到20.6億噸，占到世界水泥總產(chǎn)量的50%之多，最近5年內(nèi)我國水泥年產(chǎn)量及年平均增長率見表1

3、.1， 2007年到2011年年平均增長率超過11%，如果通過采用自動控制系統(tǒng)能夠?qū)⑺嗟膰嶋姾慕档?%左右，帶來的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。表1 我國水泥年產(chǎn)量.年份220102011年產(chǎn)量/億噸13.514.516.418.720.6年平均增長率/%7.413.114.010.21、水泥粉磨系統(tǒng)簡介在水泥的生產(chǎn)過程中，水泥制備的最后一個環(huán)節(jié)就是水泥的粉磨，通過水泥的粉磨環(huán)節(jié)能夠?qū)⑺嗍炝弦约巴饧拥脑牧戏勰ブ吝m宜的粒度，使水泥的細(xì)度與比表面積達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，粉磨出的質(zhì)量較好的水泥具有較大的水化面積，水化速率快，能夠滿足水泥漿體凝結(jié)與硬化要求。水泥粉磨系統(tǒng)按照工藝流程主要分為三種：開路粉磨系統(tǒng)、閉

4、路粉磨系統(tǒng)、聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，按照設(shè)備使用方式可以分為：輥壓機(jī)-球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)、球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)、立磨-球磨機(jī)粉磨系統(tǒng)、臥式輥磨粉磨系統(tǒng)等系統(tǒng)。目前大多數(shù)水泥廠還是采用聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，這種粉磨系統(tǒng)具有產(chǎn)量高，能耗低的優(yōu)點，但是設(shè)備投資大，操作系統(tǒng)復(fù)雜。在粉磨系統(tǒng)中，水泥球磨機(jī)是粉磨系統(tǒng)最重要的設(shè)備，磨機(jī)具有非線性、大滯后、強(qiáng)耦合等特點，所以對球磨機(jī)的控制必須要考慮到這些特點，同時磨機(jī)是一種能耗大、效率低的設(shè)備，最大限度的降低電耗、降低生產(chǎn)成本，是每個水泥廠進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)。2、水泥粉磨系統(tǒng)自動控制研究現(xiàn)狀粉磨技術(shù)發(fā)展主要歷經(jīng)了設(shè)備的大型化階段和粉磨技術(shù)發(fā)展兩個階段，并且預(yù)分解窯系統(tǒng)不斷向大型化方向發(fā)

5、展，同時球磨機(jī)系統(tǒng)也向大型化方向發(fā)展。粉磨系統(tǒng)采用大型鋼球磨機(jī)不但提高了粉磨的效率減少了設(shè)備的損耗，同時能夠簡化工藝流程，減少輔助設(shè)備，在一定程度上降低了產(chǎn)品成本。雖然大部分水泥企業(yè)都采用較先進(jìn)的圈流磨系統(tǒng)，但由于開流磨具有自身的優(yōu)點，仍然有較多水泥廠、粉磨站采用開流磨系統(tǒng)。在粉磨設(shè)備不斷向大型化發(fā)展的同時，磨機(jī)內(nèi)鋼球、磨機(jī)襯板以及磨盤的耐磨性也在不斷的提升，這就減少了更換鋼球以及其他易磨損設(shè)備的頻率，提高了設(shè)備的使用壽命，節(jié)省了成本。對水泥助磨劑的研究與使用也在不斷的發(fā)展中，助磨劑的添加能夠減少物料的結(jié)塊以及減少物料對磨內(nèi)鋼球的黏糊程度，助磨劑重要的作用越來越受到重視。如何降低磨機(jī)內(nèi)物料的溫

6、度也是重要的研究內(nèi)容，磨機(jī)內(nèi)物料的溫度過高會導(dǎo)致物料的黏結(jié)，降低了粉磨效率，并且使部分添加劑脫水，影響水泥的質(zhì)量，降低溫度可以通過向球磨機(jī)噴水的方式解決，也可以采用通風(fēng)系統(tǒng)對磨機(jī)內(nèi)物料進(jìn)行冷卻。除了上述發(fā)展外，水泥粉磨系統(tǒng)大都采用自動化喂料、儀表和計算機(jī)集散控制系統(tǒng)(Distribute Control System，簡稱DCS)控制生產(chǎn)過程，采用DCS進(jìn)行系統(tǒng)的控制，整個生產(chǎn)過程參數(shù)，比如：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、料位、喂料量、提升機(jī)電流、風(fēng)壓等參數(shù)以及設(shè)備運行情況均能在中控室實時的反應(yīng)，操作員能夠在中央控制室通過計算機(jī)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，一定程度上保證了粉磨系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對水泥廠粉磨系統(tǒng)進(jìn)行自動化

7、方向的改造，不斷減少操作員的手動操作，提高粉磨系統(tǒng)的自動化程度，提升了企業(yè)競爭力的同時能夠降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。二、粉磨系統(tǒng)工藝流程及控制方法1、工藝流程本控制系統(tǒng)研究的對象為山東水泥廠平陰線的粉磨系統(tǒng)，平陰水泥生產(chǎn)線采取的粉磨工藝為帶輥壓機(jī)的圈流式聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了ABB公司的Control Builder F 軟件進(jìn)行底層的編程，現(xiàn)場的操作員通過上位機(jī)顯示的現(xiàn)場設(shè)備示意圖對各個粉磨系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行操作，包括各個設(shè)備的啟動停止、改變各個風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、改變閥門的開度等。現(xiàn)場的DCS控制界面如圖2所示。 圖2 水泥粉磨系統(tǒng)上位機(jī)界面從圖2可見，整個聯(lián)合粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)線是非常復(fù)

8、雜的，使用的設(shè)備和需要考慮的變量都是很多的，現(xiàn)場采用的傳感器也很多，每一個傳感器都能實時的將現(xiàn)場設(shè)備的情況反映到上位機(jī)的界面上，中控制的粉磨系統(tǒng)的操作員就能實時的了解到各個設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況，對需要進(jìn)行調(diào)整的設(shè)備采取遠(yuǎn)程的控制。為了便于分析粉磨系統(tǒng)的工藝流程，將工藝流程圖簡化如圖3所示，圖3工藝流程簡圖水泥生產(chǎn)常用的原材料主要有：熟料、石膏、礦渣、粉煤灰、石灰石等，這些原材料按照一定的配比混合后在入磨提升機(jī)的帶動下進(jìn)入到V型選粉機(jī)，V型選粉機(jī)對物料進(jìn)行粗選粉，細(xì)顆粒的物料被循環(huán)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力帶入到旋風(fēng)筒中，較粗的物料落入到稱重倉中，稱重倉也叫緩沖倉，主要用來對物料進(jìn)行緩沖，使進(jìn)入輥壓機(jī)的物料能夠平

9、穩(wěn)沒有很大的沖擊力，并且使物料在稱重倉中能夠充分的混合，緩沖之后物料從稱重倉出來進(jìn)入輥壓機(jī)兩輥間進(jìn)行擠壓，經(jīng)過擠壓大顆粒的物料被破碎成細(xì)小的顆粒，再次經(jīng)過入磨提升機(jī)的帶動進(jìn)行循環(huán)。旋風(fēng)筒也起到緩沖的作用，使細(xì)顆粒物料能夠平穩(wěn)的進(jìn)入磨機(jī)中粉磨，經(jīng)過磨機(jī)粉磨后物料由磨尾卸下，再通過出磨提升機(jī)帶動下送至選粉機(jī)，合格的水泥直接在入庫提升機(jī)的帶動下進(jìn)入水泥庫保存，不合格的水泥則再次回到磨機(jī)內(nèi)粉磨，形成了一個圈流粉磨系統(tǒng)。根據(jù)以上的工藝分析，可以將粉磨系統(tǒng)分為兩個相互聯(lián)系的回路，第一個回路由喂料、入磨提升機(jī)、V型選粉機(jī)、稱重倉、輥壓機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)組成的，主要就是通過輥壓機(jī)的作用對物料進(jìn)行一次預(yù)粉磨。第二個回

10、路是由循環(huán)風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)筒、尾卸式管球磨機(jī)、出磨提升機(jī)、選粉機(jī)組成的，通過磨機(jī)的粉磨，能夠得到合格的水泥。下面根據(jù)現(xiàn)場的實際生產(chǎn)情況，說明一下粉磨系統(tǒng)的控制難點。(1)粉磨系統(tǒng)球磨機(jī)的工況經(jīng)常發(fā)生變化，會出現(xiàn)飽磨、空磨等極端的磨況，而理想的狀態(tài)是磨機(jī)處于最佳出力的正常工況，磨機(jī)的工作特性曲線如圖4所示。圖4 磨機(jī)的工作特性曲線水泥球磨機(jī)運行特性曲線如圖4所示，圖中包括磨機(jī)的功率特性、出力特性、音頻特性等。將圖劃分為三個區(qū)域，當(dāng)磨機(jī)工作在I區(qū)域時，磨機(jī)粉磨功率會根據(jù)磨內(nèi)物料的增多而增大，效率逐漸增大，但此時磨機(jī)內(nèi)的物料過少，磨機(jī)內(nèi)鋼球之間的無效碰撞增加，浪費了能量和電能，磨機(jī)內(nèi)的物料容易產(chǎn)生過粉磨現(xiàn)

11、象，磨機(jī)易出現(xiàn)空磨，應(yīng)該避免這種工況。磨機(jī)工作在II區(qū)域時，磨機(jī)處于正常工況，磨內(nèi)負(fù)荷較理想，磨機(jī)工作在此區(qū)域時效率最高，粉磨效果最好，操作員應(yīng)該將磨機(jī)的工況控制在此區(qū)域。磨機(jī)處在III區(qū)域時，磨機(jī)內(nèi)物料量過多，物料得不到充分的粉磨，導(dǎo)致選粉機(jī)的回料量增大，進(jìn)而導(dǎo)致磨機(jī)內(nèi)的物料繼續(xù)增多，磨機(jī)極易出現(xiàn)飽磨狀況，影響了水泥的質(zhì)量與粒度，操作人員應(yīng)該避免磨機(jī)出現(xiàn)這種工況。通過對磨機(jī)工況的分析可見磨機(jī)的工況較多，對磨機(jī)進(jìn)行有效的控制就要考慮到磨機(jī)可能處于的各種工況，并且避免極端工況的發(fā)生，這是進(jìn)行自動控制的難點之一。(2)現(xiàn)場生產(chǎn)的水泥經(jīng)常需要轉(zhuǎn)產(chǎn)，平陰粉磨線共生產(chǎn)五種型號的水泥：復(fù)合32.5水泥(P

12、C32.5)、普通32.5水泥(PO32.5)、普通42.5水泥(PO42.5)、低堿42.5水泥、普通52.5水泥(PO525)，其中PO32.5的水泥發(fā)貨量最大，其次為PC42.5水泥，發(fā)貨量最少的為PC52.5，所以根據(jù)發(fā)貨量的不同，調(diào)度需要根據(jù)水泥庫中的庫存安排中控室操作員進(jìn)行轉(zhuǎn)產(chǎn)操作，現(xiàn)場經(jīng)常轉(zhuǎn)產(chǎn)，尤其在是發(fā)貨旺季，水泥庫中水泥庫存較少，水泥需要通過轉(zhuǎn)產(chǎn)來調(diào)節(jié)發(fā)貨，以達(dá)到一定的供需平衡。 轉(zhuǎn)產(chǎn)主要包括：32.5轉(zhuǎn)普通42.5，普通42.5轉(zhuǎn)32.5，普通42.5轉(zhuǎn)低堿42.5。水泥轉(zhuǎn)產(chǎn)的時候，要調(diào)節(jié)各種原材料的配比，改變喂料量，調(diào)節(jié)收塵風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)選粉機(jī)，這一系列的改動需要在1-2分鐘

13、之內(nèi)完成，短時間內(nèi)粉磨系統(tǒng)產(chǎn)生了大波動，稱重倉倉重開始迅速變化，出磨提升機(jī)電流也大幅度波動，所以如何對轉(zhuǎn)產(chǎn)進(jìn)行有效的控制是實現(xiàn)粉磨系統(tǒng)自動控制的難點之一。(3)天氣以及環(huán)境的變化，相對于其他月份，7、8月份處于雨季，雨季空氣濕度較大，會對原材料的含水量產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致原材料的易磨性改變，此時工況變化較劇烈，對水泥的質(zhì)量和產(chǎn)量都有較大影響。除了空氣濕度的影響外，溫度的變化也對磨機(jī)的控制有著重要的影響，環(huán)境溫度較高的時候，磨機(jī)內(nèi)物料溫度高，物料水分揮發(fā)的快，易磨性好，但是如果溫度超過95以上，會導(dǎo)致部分物料的遇熱分解，對水泥成品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以磨機(jī)內(nèi)溫度不能過高，相反如果環(huán)境溫度過低，則會導(dǎo)

14、致物料易磨性變差，影響磨機(jī)的工況。這個因素在進(jìn)行控制器的設(shè)計中也要考慮到。2、控制方法本控制系統(tǒng)以山東水泥廠平陰線的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)為研究對象，經(jīng)過在水泥生產(chǎn)現(xiàn)場的長時間的實地考察同時與現(xiàn)場的操作人員長期的討論研究后，總結(jié)該條水泥生產(chǎn)線控制的難點與需要解決的問題，得出了整個粉磨系統(tǒng)的建模與控制方案。由于獲得系統(tǒng)相對準(zhǔn)確的模型是對系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的關(guān)鍵，所以要采取不同的方法計算系統(tǒng)的模型，比較分析后才能得出最佳的獲取模型的方法。根據(jù)從現(xiàn)場獲取的大量的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中找到最能體現(xiàn)系統(tǒng)運行狀況的相關(guān)變量，再根據(jù)不斷的仿真比較，采取加權(quán)最小二乘方法獲取系統(tǒng)模型，此模型精度較高，可以作為控制用模型

15、。將獲取到的系統(tǒng)較精確的模型用于預(yù)測控制，預(yù)測控制器采用動態(tài)矩陣控制(Dynamic Matrix Control，即DMC)算法，控制器的輸入為出磨提升機(jī)電流，輸出為循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，預(yù)測控制是一個不斷滾動優(yōu)化的過程，每過一個控制周期都會計算出一個風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過現(xiàn)場的不斷試驗，發(fā)現(xiàn)隨著時間的延長，粉磨系統(tǒng)的模型精度會降低，這與現(xiàn)場的干擾有關(guān)，為了彌補模型的精度避免出現(xiàn)模型失配的情況，采用模型的在線計算與模型在線更新，確保每個控制周期的模型精度。所有的模型計算以及預(yù)測控制算法都采用C+語言編程，部分算法用到了Matlab混編技術(shù)，調(diào)試封裝好的程序通過OPC接口技術(shù)與現(xiàn)場的DCS控制系統(tǒng)連接，實

16、現(xiàn)了對設(shè)備的自動控制。經(jīng)過現(xiàn)場的運行發(fā)現(xiàn)，只采用預(yù)測控制器不能很好的控制稱重倉-輥壓機(jī)回路，稱重倉料位大幅度的波動不利于磨機(jī)內(nèi)負(fù)荷的穩(wěn)定，經(jīng)過分析與實驗，采用模糊控制器實現(xiàn)對稱重倉料位的控制，稱重倉料位及料位的變化率為模糊控制器的輸入，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為模糊控制器的輸出，將計算出來的轉(zhuǎn)速結(jié)合即為最終的實際控制輸出。三、優(yōu)化控制系統(tǒng)采用的OPC接口控制系統(tǒng)通過OPC接口實現(xiàn)與DCS控制系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)軟件對現(xiàn)場變量的讀寫操作，使現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)自動控制，并且取得了一定的控制效果。OPC采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，將應(yīng)用程序封裝成一個一個的對象，只是將接口公開，Client通過同一種方法調(diào)用接口，保證了軟件的

17、通用性，使其他系統(tǒng)可以很方便的連接到OPC接口上，易于在工業(yè)控制系統(tǒng)中推廣使用，具有較強(qiáng)的通用性。使用OPC接口一方面可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制，這在工業(yè)現(xiàn)場是十分實用的技術(shù)，另一方面便于系統(tǒng)的組態(tài)化，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，便于系統(tǒng)的升級，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。圖5 OPC服務(wù)器結(jié)構(gòu)經(jīng)過前面的編程分析與接口的配置，編寫出將預(yù)測控制與模糊控制結(jié)合起來的軟件，如圖6所示，圖6為軟件在山水平陰粉磨線運行時的截圖，軟件中顯示出了幾個關(guān)鍵參數(shù)，比如循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的寫入值、稱重倉料位、出磨提升機(jī)電流等參數(shù)，從圖中可見，在DCS上位機(jī)界面能夠設(shè)置稱重倉料位的設(shè)定值，同時也能夠設(shè)置出磨提升機(jī)電流的設(shè)定值，操

18、作人員可以根據(jù)具體的情況調(diào)節(jié)料位和電流的設(shè)定值，而軟件則會將稱重倉料位和出磨提升機(jī)電流控制在設(shè)定值附近，還可看出，操作員還可以設(shè)定循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上下限，即轉(zhuǎn)速不能高于上限同時轉(zhuǎn)速也不能低于下限，這樣就對轉(zhuǎn)速起到了一定程度的保護(hù)，不至于轉(zhuǎn)速過高、過低而導(dǎo)致跳停，同樣的操作員還可以設(shè)定稱重倉料位的上限、下限，這樣就防止了稱重倉彭倉現(xiàn)象的發(fā)生。從圖6軟件的界面可見，軟件的控制周期是可以改變的，一共分成了6個控制周期，這主要是根據(jù)粉磨現(xiàn)場的特殊情況考慮的，在第一章中分析了粉磨過程控制的幾個難點，比如轉(zhuǎn)產(chǎn)、入熟料、飽磨、空磨等極端情況。當(dāng)轉(zhuǎn)產(chǎn)的時候，水泥配料發(fā)生較大的改變，粉磨系統(tǒng)開始波動，并且波動較為劇烈，如果仍然采用2分鐘的控制周期則調(diào)節(jié)設(shè)備頻率過慢，不能對設(shè)備得到有效的控制，這時需要將軟件調(diào)到30秒控制周期，即每過30秒就進(jìn)行一次預(yù)測控制與模糊控制的計算，這樣調(diào)節(jié)頻率增快了4倍，轉(zhuǎn)產(chǎn)