王靖，艾軍，魏燦，朱金波

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水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王靖，艾軍，魏燦，朱金波

本文介紹了天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司最新開發(fā)成功的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。主要內(nèi)容包含該系統(tǒng)的工作原理、軟硬件配置以及主要功能等，并重點介紹了該系統(tǒng)的實際控制效果。

智能控制；優(yōu)化控制；模塊控制；節(jié)能降耗

1水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)簡介

水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)（TCOCS）（Cement Optimization Control System）是由天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司電氣自動化設(shè)計研究所開發(fā)，專門針對水泥廠復(fù)雜的生產(chǎn)過程而研發(fā)的一款新型智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多變量預(yù)測控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等多種先進(jìn)控制技術(shù)，可實現(xiàn)原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨車間所有關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的過程優(yōu)化控制，并能夠及時檢測及自動處理經(jīng)常發(fā)生的特殊工況，達(dá)到安全、穩(wěn)定、優(yōu)化的自動控制效果。

采用TCOCS系統(tǒng)，預(yù)計能使水泥生產(chǎn)增產(chǎn)1%～12%，過程變動性減少40%～80%，從而減少廢料和原料，單位能耗減少1%～10%，使達(dá)到環(huán)境排放法規(guī)所需的成本降低約50%，在不超過環(huán)境限制的前提下最大限度地提高產(chǎn)質(zhì)量，同時維持安全穩(wěn)定生產(chǎn)；能極大降低操作員的工作強度，大大提升企業(yè)的自動化、信息化管理水平，能給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益，增強企業(yè)的綜合競爭力。

2水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要特點和工作原理

TCOCS系統(tǒng)采用了多變量預(yù)測控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制理論，實現(xiàn)了水泥生產(chǎn)各個主要車間關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能優(yōu)化控制。TCOCS系統(tǒng)以天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司雄厚的技術(shù)支持為基礎(chǔ)，集合了大量水泥生產(chǎn)工藝知識及操作經(jīng)驗，更加貼合水泥生產(chǎn)過程的實際工況。由于該TCOCS系統(tǒng)采用了預(yù)測控制理論，能夠預(yù)測過程變量的變化趨勢，因此控制效果更加精確，不僅能夠穩(wěn)定控制過程變量，還能夠確保過程變量在最優(yōu)狀況下運行。

圖1　TCOCS系統(tǒng)工作原理圖

TCOCS系統(tǒng)分為原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨四個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)中都有若干控制模塊，可以按照用戶需求靈活定制子系統(tǒng)和控制模塊，也可以根據(jù)用戶要求增加其他控制模塊和控制要求。

TCOCS系統(tǒng)通過OPC服務(wù)器采集DCS數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過信號處理模塊的濾波、軟儀表、失效數(shù)據(jù)檢測、噪聲檢測等方式進(jìn)行處理。處理完成的數(shù)據(jù)部分用于生產(chǎn)工況監(jiān)視模塊，用來及時發(fā)現(xiàn)特殊工況并進(jìn)行相應(yīng)的自動控制；部分用于先進(jìn)控制算法模塊，用來計算目標(biāo)控制變量的變化幅度，從而進(jìn)行智能優(yōu)化控制；部分用于監(jiān)視設(shè)備和軟件的運行情況，從而及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并自動處理，處理不了的情況可語音報警提醒操作員手動干預(yù)（見圖1）。

3水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的主要功能

TCOCS系統(tǒng)按照生產(chǎn)工藝劃分為原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨四個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)中包含的具體控制模塊如下：

3.1原料粉磨系統(tǒng)

控制點有原料磨喂料量、選粉機轉(zhuǎn)速、研磨壓力、噴水量、循環(huán)風(fēng)閥、V型選粉機風(fēng)機轉(zhuǎn)速、原料磨入磨冷熱風(fēng)閥等。

測量點有原料質(zhì)量參數(shù)、原料磨差壓、磨主電機電流、循環(huán)斗式提升機電流、原料磨出口溫度、緩沖倉倉重等。

擾動變量測點有磨機震動、比表面積、篩余。

控制目標(biāo)：在保證原料質(zhì)量的前提下盡量提高產(chǎn)量，降低粉磨質(zhì)量的波動，降低電耗，減少操作員的工作量，可對輥磨和輥壓機進(jìn)行控制。

實現(xiàn)的控制模塊有：

（1）輥壓機倉重自動控制模塊。只需預(yù)先給定倉重的目標(biāo)值，該模塊即可通過控制原料調(diào)配的喂料量、選粉機轉(zhuǎn)速等變量來自動控制輥壓機的倉重。

TCOCS系統(tǒng)原料粉磨子系統(tǒng)（輥壓機）控制界面見圖2。

圖2　TCOCS系統(tǒng)原料粉磨子系統(tǒng)（輥壓機）控制界面

（2）原料輥磨差壓自動控制模塊。對于原料輥磨，只需預(yù)先給定原料輥磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考輥磨外排量，同時考慮磨機震動值，控制輥磨喂料量和選粉機轉(zhuǎn)速來自動控制輥磨的差壓。

（3）原料輥磨出口溫度自動控制模塊。只需預(yù)先給定原料輥磨出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過參考輥磨入口溫度，控制輥磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來自動控制輥磨的出口溫度。

3.2燒成窯尾系統(tǒng)

控制點有分解爐喂煤量、窯喂料量、窯轉(zhuǎn)速、窯頭喂煤、高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速、煤磨進(jìn)料量、煤磨入口冷熱風(fēng)閥、高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速等。

測量點有分解爐出口溫度、C5下料溫度、窯喂料量、窯電流、游離鈣含量、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫、煙室溫度、預(yù)熱器各級壓力、預(yù)熱器各級溫度、煤磨差壓、煤磨選粉機轉(zhuǎn)速、煤磨外排量、煤磨出口溫度、煤磨入口溫度、窯內(nèi)O2、CO和NOx含量等。

控制目標(biāo)：穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況，確保良好的燒成條件，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量，降低煤耗和電耗，穩(wěn)定O2、CO和NOx含量，減少操作員的工作量等。

實現(xiàn)的控制模塊有：

（1）窯尾喂煤自動控制模塊。只需預(yù)先給定分解爐出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過控制窯尾喂煤量，同時參考生料喂料量、三次風(fēng)溫、煙室溫度等變量來自動控制分解爐出口溫度。

（2）窯頭喂煤自動控制模塊。根據(jù)窯電流、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫、煙室溫度、窯內(nèi)NOx含量、游離氧化鈣含量等變量預(yù)估出窯內(nèi)的燒成帶溫度，進(jìn)而根據(jù)燒成帶溫度情況調(diào)整窯頭喂煤量、窯喂料量、窯轉(zhuǎn)速、高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速等變量來自動調(diào)節(jié)燒成帶的溫度。

（3）煤磨差壓自動控制模塊。對于煤輥磨，只需預(yù)先給定煤磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考煤磨外排量，控制煤磨喂煤量和選粉機轉(zhuǎn)速來自動控制煤磨的差壓；對于煤管磨，只需預(yù)先給定煤磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考煤磨外排量，控制煤磨喂煤量及V型選粉機風(fēng)機轉(zhuǎn)速來自動控制煤磨的差壓。

（4）煤磨出口溫度自動控制模塊。只需預(yù)先給定煤磨出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過參考煤磨入口溫度，控制煤磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來自動控制煤磨的出口溫度。

TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)控制界面見圖3、圖4。

圖3　TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)分解爐溫度控制界面

圖4　TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)煤磨控制界面

3.3燒成窯頭系統(tǒng)

控制點有篦冷機篦速、窯喂料量、篦冷機各室風(fēng)機轉(zhuǎn)速/閥門開度、窯頭排風(fēng)機轉(zhuǎn)速等。

測量點有篦冷機篦下壓力、篦冷機各風(fēng)室壓力、窯頭負(fù)壓、收塵器入口溫度、熟料溫度、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫等。

控制目標(biāo)：穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況，確保良好的冷卻條件，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量，降低電耗，穩(wěn)定O2、CO和NOx含量，減少操作員的工作量等。

實現(xiàn)的控制模塊有：

（1）篦冷機篦速自動控制模塊。只需預(yù)先給定窯喂料量，該模塊通過控制篦冷機的篦速來自動控制篦下壓力到一個合理的范圍內(nèi)。

（2）窯頭負(fù)壓自動控制模塊。只需預(yù)先給定窯頭負(fù)壓的設(shè)定值，該模塊通過控制窯頭排風(fēng)機的頻率來自動控制窯頭的負(fù)壓。

（3）各室風(fēng)機自動控制模塊。只需預(yù)先給定篦冷機各室壓力的設(shè)定值，該模塊通過控制各室風(fēng)機的頻率（變頻風(fēng)機）或風(fēng)門的開度（定頻風(fēng)機）來自動控制各室的壓力。

TCOCS系統(tǒng)燒成窯頭子系統(tǒng)控制界面見圖5。

圖5　TCOCS系統(tǒng)燒成窯頭子系統(tǒng)控制界面

3.4水泥粉磨系統(tǒng)

控制點有水泥磨喂料量、選粉機轉(zhuǎn)速、研磨壓力、噴水量、循環(huán)風(fēng)閥、V型選粉機風(fēng)機轉(zhuǎn)速、石膏量、水泥磨入口冷熱風(fēng)閥等。

測量點有水泥磨差壓、水泥磨外排量、水泥磨主電機電流、循環(huán)斗式提升機電流、水泥磨出口溫度、水泥磨入口溫度、水泥磨緩沖倉倉重等。

控制目標(biāo)：在保證水泥質(zhì)量的前提下盡量提高產(chǎn)量，降低粉磨質(zhì)量的波動，降低電耗，減少操作員的工作量，可對球磨、輥磨和輥壓機進(jìn)行控制。

實現(xiàn)的控制模塊有：

（1）水泥磨差壓自動控制模塊。對于水泥輥磨，只需預(yù)先給定水泥磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考輥磨外排量、磨主電機電流、循環(huán)斗式提升機電流等，控制水泥磨喂煤量和選粉機轉(zhuǎn)速來自動控制水泥磨的差壓；而對于水泥管磨，只需預(yù)先給定水泥磨差壓的目標(biāo)值，該模塊通過參考水泥磨外排量及循環(huán)斗式提升機電流，控制水泥磨喂料量及V型選粉機風(fēng)機轉(zhuǎn)速來自動控制水泥磨的差壓。

（2）水泥磨出口溫度自動控制模塊。只需預(yù)先給定水泥磨出口溫度的目標(biāo)值，該模塊通過參考水泥磨入口溫度，控制水泥磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來自動控制水泥磨的出口溫度。

4水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟硬件配置

TCOCS系統(tǒng)一般安裝在TCOCS操作站中，通過OPC服務(wù)器與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作（見圖6），進(jìn)而達(dá)到控制現(xiàn)場設(shè)備的目的。TCOCS系統(tǒng)所需要的安裝環(huán)境非常簡單。軟件環(huán)境只需要操作系統(tǒng)使用Windows XP以上（推薦Windows7），并安裝Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫即可。硬件環(huán)境要求CPU采用Pentium IV處理器或更好，雙CPU處理器，2GHz或更高；內(nèi)存需要1GB以上（推薦4GB）；硬盤需要80GB以上（推薦160GB）；顯示器需要顯示性能至少256色，分辨率至少1024 768或以上；配備TCP/IP協(xié)議，搭建局域網(wǎng)用于連接到DCS系統(tǒng)（推薦雙網(wǎng)卡，另一個連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，用于遠(yuǎn)程登錄調(diào)試）。

圖6　帶TCOCS服務(wù)器的DCS架構(gòu)圖

5水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制效果

TCOCS系統(tǒng)已經(jīng)成功在山東莒州水泥和大連天瑞水泥投入使用，取得了出色的控制效果。該系統(tǒng)投用之后，分解爐溫度波動范圍迅速收斂，能在正常工況條件下i 5℃以內(nèi)波動，甚至能長期保持在i 2℃范圍之內(nèi)，全工況在i 10℃之內(nèi)波動。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了75%，大幅提高了分解爐溫度的穩(wěn)定程度，大大改善了燒成系統(tǒng)的工況，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量（見圖7）。此外，該系統(tǒng)安全可靠，在正常工況下能夠長期安全穩(wěn)定運行，最大限度減少生產(chǎn)過程的波動。系統(tǒng)投運率能夠達(dá)到99%以上，極大降低了操作員的勞動強度。

圖7　分解爐喂煤智能優(yōu)化控制模塊投運與手動控制效果對比

投用TCOCS系統(tǒng)之后，篦冷機一室篦下壓力波動范圍迅速收斂，能在正常工況條件下i 200Pa以內(nèi)波動，甚至能長期保持在i 150Pa范圍之內(nèi)，全工況在i 300Pa之內(nèi)波動（見圖8）。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了70%，大幅提高了篦冷機篦下壓力的穩(wěn)定程度。投用TCOCS系統(tǒng)之后，窯頭負(fù)壓波動范圍迅速收斂，能夠在正常工況條件下i 20Pa以內(nèi)波動，甚至能長期保持在i 15Pa的范圍之內(nèi)，全工況在i 25Pa之內(nèi)波動（見圖9）。相比之前人工手動控制，波動范圍縮小了80%，大幅提高了窯頭負(fù)壓的穩(wěn)定程度。

圖8　一室篦下壓力智能優(yōu)化控制模塊投運效果圖

6　結(jié)語

TCOCS系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠大大改善水泥生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)生產(chǎn)變量發(fā)生變化時，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、跟蹤迅速，控制效果明顯。采用該系統(tǒng)，能夠極大降低操作員的工作強度，解決不同水平操作員操作效果懸殊這一難題，最大限度減少人為因素對水泥生產(chǎn)過程的影響。此外，經(jīng)短期推算，該系統(tǒng)能夠降低燒成過程的煤耗，提高篦冷機的冷卻效率，能夠達(dá)到節(jié)能降耗減排的控制效果，給投用企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，大大提升企業(yè)的自動化、信息化管理水平，增強企業(yè)的綜合競爭力。

Application Research of Intelligent Optimization Control System in Cement Plant

圖9　窯頭負(fù)壓智能優(yōu)化控制模塊投運效果圖

TP273.5

A

1001-6171（2016）02-0031-04

通訊地址：天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津300400；2015-11-06；編輯：呂光