歐陽(yáng)昆翔，袁亦斌，歐丹林，梁逸敏

生料分料CAMCAM智能控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

歐陽(yáng)昆翔，袁亦斌，歐丹林，梁逸敏

懸浮預(yù)熱器裝置是水泥企業(yè)必備的生產(chǎn)配套裝置。預(yù)熱器可分為單系列和雙系列，本文主要針對(duì)雙系列預(yù)熱器。預(yù)熱器的預(yù)熱作用對(duì)水泥熟料生產(chǎn)有著不可忽視的作用。本文以CAM（Cement＇s Automation and Management System，即水泥自動(dòng)化與管理系統(tǒng)）智能控制系統(tǒng)為平臺(tái)，創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開(kāi)發(fā)出生料分料控制模塊，并在水泥企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，實(shí)時(shí)控制分料閥，調(diào)整左右預(yù)熱器的喂料量，保證物料與熱風(fēng)量相協(xié)調(diào)，穩(wěn)定預(yù)熱器左右兩側(cè)溫度平衡，提高熱效率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用表明，生料分料控制器控制效果良好，能夠有效地減少左右預(yù)熱器的溫度差異，提高預(yù)熱器熱效率，提升預(yù)熱器預(yù)熱效果，在水泥企業(yè)生產(chǎn)中有重要的推廣意義。

預(yù)熱器；雙系列；CAM；智能控制；預(yù)熱效果

1　引言

近十幾年來(lái)，我國(guó)水泥生產(chǎn)以新型干法生產(chǎn)技術(shù)為主導(dǎo)[1]，在預(yù)分解窯爐煅燒工藝、節(jié)能粉磨技術(shù)、環(huán)境保護(hù)技術(shù)等方面，從設(shè)計(jì)到裝備制造都迅速達(dá)到了國(guó)際水平[2]。

懸浮預(yù)熱器是一種將生料與分解爐出口排出的氣體相混合，并使生料懸浮在熱氣中進(jìn)行熱交換的設(shè)備。懸浮預(yù)熱器主要分旋風(fēng)預(yù)熱器、立筒預(yù)熱器以及混合型預(yù)熱器三大類。近年來(lái)，隨著懸浮預(yù)熱技術(shù)的發(fā)展，新型高效、低阻的預(yù)熱器以及更合理的預(yù)熱器組合系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。如何減少燒成熱耗、降低風(fēng)機(jī)電耗、提高預(yù)熱器的換熱效率以及整體綜合優(yōu)化已成為研究的重點(diǎn)[3]。

浙江邦業(yè)科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱邦業(yè)科技）針對(duì)水泥行業(yè)開(kāi)發(fā)了一套智能控制系統(tǒng)——CAM智能控制系統(tǒng)，其核心技術(shù)包括以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)核的多變量模型預(yù)測(cè)技術(shù)、滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)以及反饋校正技術(shù)[4]。在工廠現(xiàn)有DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，額外增加一套CAM智能控制系統(tǒng)，在不影響原本DCS系統(tǒng)的情況下，通過(guò)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、優(yōu)化，再反饋給DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控裝置的智能化、全自動(dòng)化操作。本文主要講述生料分料控制模塊。通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證，與操作員手動(dòng)控制相比，在CAM智能控制系統(tǒng)中，生料分料控制器能夠有效減少左右預(yù)熱器兩側(cè)溫度差異，提升預(yù)熱器預(yù)熱效果。

2　生料分料控制技術(shù)原理

2.1預(yù)熱器功能簡(jiǎn)介

如圖1所示，在新型干法水泥生產(chǎn)線中，生料由生料庫(kù)底經(jīng)斗式提升機(jī)喂入預(yù)熱器。在五級(jí)預(yù)熱器中，生料和熱氣流進(jìn)行熱交換，在到達(dá)C4A、C4B旋風(fēng)筒后進(jìn)入分解爐內(nèi)分解，然后進(jìn)入五級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)行料氣分離后，物料入窯煅燒。

懸浮預(yù)熱器的主要功能在于充分利用回轉(zhuǎn)窯及分解爐內(nèi)排出的廢氣預(yù)熱生料，并使部分碳酸鹽分解，然后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯或分解爐內(nèi)繼續(xù)加熱分解。因此它必須具備使氣固兩相充分均勻分散、迅速換熱、高效分離等三個(gè)功能，只有兼?zhèn)溥@三個(gè)功能并且盡力使之高效化，方可最大限度地提高換熱效率，為全窯系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗和穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造條件[5]。

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圖1　新型干法水泥生產(chǎn)線流程圖

2.2預(yù)熱器的熱效率

預(yù)熱器的熱效率指生料粉體凈獲得的有效能和加入系統(tǒng)的總有效能之比。影響預(yù)熱器熱效率的主要因素有粉體的懸浮效率、系統(tǒng)氣固比、預(yù)熱器的系列數(shù)和級(jí)數(shù)、氣固相的分離效率、漏風(fēng)影響等，本文重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)氣固比對(duì)預(yù)熱器熱效率的影響[6]。

理論研究表明，當(dāng)氣固比小于某值時(shí)，氣固換熱效率隨氣固比的增加而升高，且非常敏感；當(dāng)氣固比大于某值時(shí)，氣固換熱效率隨氣固比的增加而降低。因此，保持預(yù)熱器內(nèi)生料粉體與高溫氣體的比例在一個(gè)合適值，有助于大幅提高熱效率。

2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人腦思維分為抽象（邏輯）思維、形象（直觀）思維和靈感（頓悟）思維三種基本模式[7]。其中，直觀性思維指的是將分布式存儲(chǔ)的信息綜合起來(lái)，結(jié)果是忽然間產(chǎn)生想法或解決問(wèn)題的辦法[8]。這種思維方式的根本之點(diǎn)在于：信息是分布儲(chǔ)存在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)上，信息處理是通過(guò)神經(jīng)元之間同時(shí)相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程來(lái)完成的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是對(duì)直觀性思維方式的模擬，是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其特色在于信息的分布式存儲(chǔ)和并行協(xié)同處理。雖然單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單、功能有限，但大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的行為卻是極其豐富的[9]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理如圖2所示。

本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。生料穩(wěn)料控制策略如圖3所示，分為輸入層、隱含層和輸出層，從輸入層輸入所需要的參數(shù)，經(jīng)過(guò)隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，得出最佳控制參數(shù)以調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，最后輸出層輸出控制目標(biāo)參數(shù)。

圖2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3　生料穩(wěn)料控制策略圖

2.4預(yù)熱器分料的意義

在預(yù)熱器之上存在一個(gè)分料閥，其作用是將斗式提升機(jī)運(yùn)送來(lái)的物料分成兩份分別送入預(yù)熱器左右兩側(cè)的一級(jí)筒（C1A、C1B）中。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于施工問(wèn)題、老化問(wèn)題等種種原因，從分解爐進(jìn)入五級(jí)筒C5A、C5B的高溫氣體雖然溫度大致相同，但體積卻是隨機(jī)不定，這就導(dǎo)致了左右兩側(cè)預(yù)熱器所能提供的高溫氣體體積存在巨大差異且時(shí)時(shí)變化[10]。此時(shí)，若按照原本比例將生料分送至左右兩側(cè)預(yù)熱器，必然導(dǎo)致兩側(cè)預(yù)熱器所接受的生料量與氣體體積達(dá)不到最佳比例，嚴(yán)重影響預(yù)熱器換熱效率。實(shí)驗(yàn)表明，若是左右兩側(cè)預(yù)熱器溫度差異巨大，將大大降低生料與熱風(fēng)的熱交換效率。在某廠實(shí)驗(yàn)所得的分料控制前后的數(shù)據(jù)如表1所示（其中分解爐溫度近似，生料喂料量不變）。

從表1可以看出，在控制分料閥之前，以固定比例向左右兩側(cè)預(yù)熱器輸送生料，C1A和C1B的平均出口溫度為375.1℃；分料控制后，自動(dòng)調(diào)節(jié)分料閥，根據(jù)溫度差異，實(shí)時(shí)改變向左右兩側(cè)預(yù)熱器輸送的生料比例，C1A和C1B的平均溫度為373.25℃。

由能量守恒定律[11]可知，在其他條件一定的情況下（假設(shè)能量損耗相同），一級(jí)筒出口溫度越低，則生料通過(guò)熱交換獲得的能量越多，熱交換效率越高，預(yù)熱效果越好[12]。因此，控制生料分料有助于提升生料預(yù)熱效果。

表1　某廠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3　生料分料控制方案

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。智能控制系統(tǒng)的核心為CAM服務(wù)器組。一方面，CAM服務(wù)器組通過(guò)OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器與工廠采用的集散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)和調(diào)節(jié)變量的采集、分析、計(jì)算、調(diào)節(jié)、反饋等各項(xiàng)功能，而操作人員通過(guò)集成在操作員站的人機(jī)交互界面（HMI），與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行交互；另一方面，CAM服務(wù)器組也和位于工業(yè)以太網(wǎng)上的Web客戶端，以及位于Internet上的遠(yuǎn)程維護(hù)客服端進(jìn)行連接，供工程技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)等各項(xiàng)工作。另外，在DCS系統(tǒng)中新增人機(jī)交互界面，供操作人員日常使用。

3.2兩側(cè)一級(jí)筒溫度差的控制

減少預(yù)熱器兩側(cè)溫度差、提高熱交換效率，進(jìn)而提升生料預(yù)熱效果是生料分料控制器的最終目的。傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)依靠操作員手動(dòng)調(diào)節(jié)甚至不調(diào)節(jié)分料閥，其局限性在于：不能有效克服分料閥與一級(jí)筒出口溫度之間的時(shí)滯影響，不能準(zhǔn)確提前響應(yīng)溫度變化。邦業(yè)科技開(kāi)發(fā)的生料分料控制器，通過(guò)建立的分料閥與一級(jí)筒兩側(cè)出口溫度差之間的模型來(lái)預(yù)測(cè)溫度差的變化趨勢(shì)，在得到實(shí)際溫度差值后，適度調(diào)節(jié)分料閥的開(kāi)度，同時(shí)通過(guò)前饋來(lái)預(yù)測(cè)二級(jí)筒出口溫度、三級(jí)筒出口溫度等變化對(duì)一級(jí)筒出口溫度產(chǎn)生的影響，最終使兩側(cè)出口溫度差值穩(wěn)定在±5℃以內(nèi)，極大地改善了一級(jí)筒兩側(cè)出口溫度的平衡性。

圖4　CAM智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

表2　國(guó)內(nèi)某水泥公司投用前后各一個(gè)月數(shù)據(jù)

4　實(shí)踐結(jié)果

生料分料控制器在國(guó)內(nèi)某水泥公司實(shí)際應(yīng)用近一年后，取得了良好的效果。以投用前后各一個(gè)月為例，統(tǒng)計(jì)出如表2所示的數(shù)據(jù)。其中C1A1、C1A2表示左側(cè)一級(jí)筒出口溫度，C1B1、C1B2表示右側(cè)一級(jí)筒出口溫度。

從表2可以看出，生料分料控制器投用率在98%以上，客戶相當(dāng)認(rèn)可生料分料控制器的控制效果；投用前一級(jí)筒出口溫度均值為362.79℃，投用后一級(jí)筒出口溫度均值為361.81℃，初步證明生料分料控制有助于提高預(yù)熱效果。

截取8h控制效果如圖5所示，C1A1、C1A2表示左側(cè)一級(jí)筒出口溫度，C1B1、C1B2表示右側(cè)一級(jí)筒出口溫度。其中C1D=（C1A1+C1A2）/2-（C1B1+C1B2）/2，即一級(jí)筒左右兩側(cè)出口溫度差。

從圖5可以看出，生料分料控制器控制效果良好，一級(jí)筒兩側(cè)出口溫度差控制在±5℃范圍內(nèi)，基本達(dá)到預(yù)計(jì)要求。

5　結(jié)語(yǔ)

生料分料控制器能夠有效地平衡預(yù)熱器兩側(cè)溫度差，這對(duì)水泥企業(yè)意義重大。預(yù)熱器預(yù)熱效率的提高，有助于穩(wěn)定分解爐溫度和窯工況，進(jìn)一步降低企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)可以減少因燒煤而產(chǎn)生的環(huán)境污染，對(duì)水泥企業(yè)節(jié)能減排有實(shí)質(zhì)性的作用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用表明，生料分料控制器控制效果良好，值得推廣。

圖5　生料分料控制效果圖

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TP183

A

1001-6171（2016）05-0028-04

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目：工業(yè)回轉(zhuǎn)窯能源管理和控制一體化關(guān)鍵技術(shù)（2015DFA60200）

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