師留剛，夏中清，楊中強(qiáng)，梁曉林

仿人思想在水泥篦冷機(jī)
環(huán)節(jié)的開發(fā)與應(yīng)用

師留剛11，夏中清22，楊中強(qiáng)33，梁曉林44

針對篦冷機(jī)滯后性強(qiáng)、系統(tǒng)非線性、無法直接觀測料層厚度等工藝難點(diǎn)，文中提出運(yùn)用仿人控制的思想，設(shè)計(jì)基于規(guī)則的單控制量仿人智能控制器，并開發(fā)相應(yīng)的軟件。該控制器實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，仿人控制器在運(yùn)行中不僅節(jié)省人工投入，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，而且可將篦冷機(jī)的風(fēng)室壓力控制在一定范圍內(nèi)，使工況更加穩(wěn)定。

篦冷機(jī)；仿人控制；DCS

熟料的冷卻是水泥生產(chǎn)工藝中非常重要的環(huán)節(jié)，它的主要作用是降低出窯熟料的溫度，提高熟料質(zhì)量，促進(jìn)熱量回收。而這些作用的實(shí)現(xiàn)主要依賴于篦冷機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。在水泥的實(shí)際生產(chǎn)中，由于測點(diǎn)有限、工況變化頻繁，導(dǎo)致整個(gè)冷卻系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、大滯后以及時(shí)變性的特點(diǎn)，所以篦冷機(jī)的控制是水泥生產(chǎn)中較難突破的熱點(diǎn)[3]。目前國內(nèi)的水泥生產(chǎn)線中，對篦冷機(jī)的控制仍采用人工控制方式。

雖然在科學(xué)研究中，仿真效果好的算法很多，但在實(shí)際工程中，人工控制在很多方面都無法取代[4-6]。在現(xiàn)實(shí)中，人類思維不僅可以建立比較明確的先驗(yàn)知識(shí)，也可以自主融合各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，在理想情況下，可以實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定并且優(yōu)秀的控制。如果計(jì)算機(jī)能夠模仿人的控制，就可以在不了解各參數(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的情況下進(jìn)行有效的控制，并通過不斷地變換控制策略來實(shí)現(xiàn)智能控制[7]。

基于上述現(xiàn)實(shí)，筆者以山水集團(tuán)平陰分公司DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了第三代往復(fù)推動(dòng)式篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)和篦速自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1　水泥篦冷機(jī)工藝分析

在水泥生產(chǎn)過程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熟料從窯頭緩慢滑入篦冷機(jī)，這時(shí)熟料溫度在1 400℃左右。篦冷機(jī)從風(fēng)室向上鼓風(fēng)，使熟料在篦床內(nèi)迅速冷卻，冷卻可以使熟料中的礦物元素迅速結(jié)晶并快速穩(wěn)定。與此同時(shí)，冷卻熟料風(fēng)的一部分被送入回轉(zhuǎn)窯和分解爐加以利用，剩余的熱風(fēng)通過余熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)能量再利用。

2　篦冷機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1仿人智能思想

仿人智能控制就是利用人類的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)語言化對人類神經(jīng)決策系統(tǒng)進(jìn)行模仿，最早是由重慶大學(xué)周其鑒教授、柏崇國教授等提出的。自仿人智能控制提出以來，就開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它不需明確參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，只需要依據(jù)人類的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，因此這種控制思想也逐步在一些控制中充分顯示了它的優(yōu)越性。

仿人智能控制在控制中一般分為特征模型、特征記憶、特征辨識(shí)、控制（決策）模態(tài)集合、啟發(fā)與直覺推理規(guī)則幾部分。

2.2控制系統(tǒng)整體方案

按照冷卻系統(tǒng)控制需求，需要通過OPC從DCS過程站采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，然后優(yōu)化軟件再從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后再通過OPC寫回DCS過程站中，具體框架如圖1所示。

圖1　水泥熟料控制系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)交互

圖2　OPC的建立

2.3OPC配置

OPC網(wǎng)關(guān)需要在CBF組態(tài)軟件中進(jìn)行新建和打開讀寫權(quán)限的操作，具體如圖2所示。

2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)DCS與數(shù)據(jù)的交互，在這過程中，首先確定OPC Sever名稱，然后與數(shù)據(jù)讀映射連接，生成OPC Group，表中每個(gè)列即OPC Item，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

數(shù)據(jù)庫采用微軟公司的SQL SEVER2000數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫較為穩(wěn)定，并支持在WINDOWS上運(yùn)行與開發(fā)，是較為典型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的記錄以表的形式存放。

2.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)

根據(jù)仿人智能思想的過程，首先必須確定特征模型Φ。在山水平陰水泥廠中，根據(jù)篦冷機(jī)工作的特點(diǎn)，一風(fēng)室篦下壓力分為很高、較高、稍高、稍低、較低、很低以及掉窯皮7個(gè)特征模型，對應(yīng)的特征記憶量記為設(shè)定值+1 000、設(shè)定值+700、設(shè)定值+500、設(shè)定值-200、設(shè)定值-400、設(shè)定值-600以及篦壓9 000Pa等7種?？刂频闹饕兞繛轶骼錂C(jī)篦速，主要觀測變量只有一個(gè)——一風(fēng)室篦下壓力。因此特征辨識(shí)主要采取篦壓辨識(shí)，則特征模型Φ中擁有特征狀態(tài)和采取的控制決策ψ，如表1。

表1　特征狀態(tài)和控制決策

記憶特征集合設(shè)計(jì)完后，接下來要完善控制決策集合，即規(guī)則庫ψ，用ψi：Fi?IF（條件）THEN（操作）表達(dá)。u為控制輸出。

在穩(wěn)定工況下，控制器設(shè)計(jì)為“超過閾值就動(dòng)作，小于閾值馬上回調(diào)”的形式，以正步長1為例，則IF 500≤e≤700 THEN u=λ4；IF 500≥e THEN u=u-λ4

在這種情況下，每次判斷每次的動(dòng)作根據(jù)正常工況的7個(gè)特征向量，則有6個(gè)穩(wěn)定控制模態(tài)操作，依次為：

ψ1：IF 500≤e≤700 THEN u=λ4；

ψ2：IF 700≤e≤1 000 THEN u=λ4+λ5；

ψ3：IF 1000≤e≤max THEN u=λ4+λ5+λ6；

ψ4：IF-200≤e≤-400 THEN u=λ7；

ψ5：IF-400≤e≤-600 THEN u=λ7+λ8；

ψ6：IF-600≥e THEN u=λ7+λ8+λ9。

當(dāng)輸出量達(dá)到最大（?。┬谐虝r(shí)（ψ7或ψ8），以上狀態(tài)均不起作用，不會(huì)再判斷，直到有下降情況。當(dāng)篦壓達(dá)到max，則直接將篦床速度加快到最大值λ10（這種情況一般掉窯皮的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)）。當(dāng)出現(xiàn)掉窯皮的情況時(shí)（ψ9），一旦誤差比最大值小則運(yùn)用抑制超調(diào)的思想，根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)我們?nèi)》€(wěn)定狀態(tài)的輸出即IF e≤max THEN u=λ1并且之前模態(tài)操作下的操作標(biāo)志位重新清零計(jì)算。

2.6軟件的整體設(shè)計(jì)

該自動(dòng)控制系統(tǒng)的算法部分主要通過VC++6.0編寫，將整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件裝到工程師站上，使用者通過密碼的認(rèn)證后就可以啟動(dòng)自動(dòng)控制軟件，在此過程中首先應(yīng)在篦冷機(jī)中制作接口程序（如圖3）。

2.7工程應(yīng)用

圖3　手動(dòng)自動(dòng)切換接口

圖4　篦冷機(jī)手動(dòng)控制曲線圖

圖5　篦冷機(jī)自動(dòng)控制曲線圖

將該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到山水平陰水泥廠5 000t/d生產(chǎn)線上，篦冷機(jī)一段篦壓控制曲線如圖4和圖5所示。其中圖4為手動(dòng)控制，圖5為自動(dòng)控制。

由圖4、圖5可以看出，自動(dòng)狀態(tài)下，篦冷機(jī)篦壓波動(dòng)效果顯著減小，有利于工況穩(wěn)定，從而促進(jìn)熟料質(zhì)量變好。

3　結(jié)語

本文將仿人智能控制思想運(yùn)用到水泥生產(chǎn)篦冷機(jī)環(huán)節(jié)的控制上，并根據(jù)山水平陰水泥廠的工況人為設(shè)定好一系列控制規(guī)則，設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對篦冷機(jī)的自動(dòng)控制。與原來的人工控制相比，省時(shí)省力，并且減少了波動(dòng)范圍，具有一定的使用價(jià)值。

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Research and Application of the Human Simulated Intelligence on Cement Cooleerr

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2016-07-06；編輯：呂光