魏燦,張園園,艾軍
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)設計研究院有限公司電氣自動化設計研究所和中材(天津)控制工程有限公司聯(lián)合開發(fā)的、針對水泥廠復雜生產過程的一款新型自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件利用計算機控制技術,采集DCS系統(tǒng)的實時生產數(shù)據(jù),并結合化驗室的質量數(shù)據(jù),利用多變量預測控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應控制等多種先進控制技術,實現(xiàn)原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨車間所有關鍵生產環(huán)節(jié)的過程優(yōu)化控制,并能夠及時檢測且自動處理經常發(fā)生的特殊工況,達到安全、穩(wěn)定、優(yōu)化的自動控制效果,提高產量,降低能耗,保證產品質量,達到環(huán)保要求,穩(wěn)定系統(tǒng)控制,最大程度地提高水泥生產企業(yè)的利潤。
TCOCS系統(tǒng)集合了大量的水泥生產工藝知識及操作經驗,更加適用于水泥生產的實際工況;該系統(tǒng)采用了多變量帶約束的預測控制算法,并配有特殊工況識別模塊、應用監(jiān)控模塊、故障診斷模塊等,運行更加穩(wěn)定可靠。
TCOCS系統(tǒng)通過OPC服務器采集DCS數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)通過信號處理模塊、軟儀表模塊、失效數(shù)據(jù)檢測模塊、噪聲檢測模塊等方式進行處理。處理后的數(shù)據(jù)一方面用于生產工況識別模塊,及時發(fā)現(xiàn)特殊工況并執(zhí)行相應的自動處理算法;另一方面用于預測控制模塊,計算目標控制變量的變化趨勢、幅值及控制律,從而進行優(yōu)化控制;同時用于監(jiān)視設備及軟件運行,及時發(fā)現(xiàn)故障并自動處理,并在超出控制范圍的情況下語音報警提醒操作員進行手動干預。
采用該TCOCS系統(tǒng),預期能夠使水泥生產增產1%~12%,將過程變動性減少40%~80%,從而減少廢料和原料,每噸能源成本減少1%~10%,達到環(huán)境排放法規(guī)所需的成本降低大約50%,在不超過環(huán)境限制的前提下能最大限度地提高產量、提升產品質量,同時安全穩(wěn)定生產;能夠極大地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,給企業(yè)帶來可觀的經濟和社會效益,增強企業(yè)的綜合競爭力。
本次在印尼BOSOWA MAROS LINE2 5 000t/d CLINKER PLANTS投用的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)為窯優(yōu)化系統(tǒng)(簡稱KOS),主要包括三個模塊:燒成窯尾模塊、燒成窯頭模塊、篦冷機模塊,實現(xiàn)了窯轉速、窯喂料、窯喂煤、高溫風機轉速、窯頭負壓、篦冷機各室風機等的優(yōu)化控制,顯著提高了窯系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,提高了熟料產品質量,實現(xiàn)了節(jié)能增效。窯系統(tǒng)優(yōu)化控制構成及原理見圖1。
(1)燒成窯尾控制模塊。主要包括分解爐溫度自動控制系統(tǒng)、高溫風機及預熱器氧含量自動控制系統(tǒng)等。水泥窯系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制模塊能夠穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況,穩(wěn)定產品質量,提高產量,降低電耗,穩(wěn)定O2、CO和NOx的含量,減少人為干擾,實現(xiàn)窯系統(tǒng)的自動控制。
(2)燒成系統(tǒng)控制模塊。針對多變量非線性控制模型,采用專家控制算法,通過分析比色高溫計、煙室溫度、窯主電流等參數(shù),計算得出回轉窯燒成帶溫度,并將其模糊化,綜合分析燃燒帶溫度、分解爐氣體分析儀以及窯尾煙室氣體分析儀O2含量來控制窯喂料量、窯喂煤量、窯轉速以及高溫風機轉速。
圖1 窯系統(tǒng)優(yōu)化控制構成及原理示意圖
(3)篦冷機優(yōu)化控制模塊。主要包括篦冷機風量(風機轉速或進風閥門)自動控制系統(tǒng)、篦冷機壓力自動控制系統(tǒng)、窯門罩負壓自動控制系統(tǒng)等。篦冷機優(yōu)化節(jié)能控制模塊能夠穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況,穩(wěn)定產品質量,提高產量,降低電耗,穩(wěn)定O2、CO和NOx的含量,減少人為干擾、實現(xiàn)窯系統(tǒng)的自動控制。
TCOCS系統(tǒng)是采用C++語言從底層開發(fā)而成,不依賴于DCS系統(tǒng),因此操作簡單靈活,一般安裝在一臺操作站中即可。系統(tǒng)的操作過程主要包括TCOCS軟件安裝、OPC服務器配置、數(shù)據(jù)庫配置、軟件授權安裝、DCS接口配置、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調試等。
TCOCS系統(tǒng)實現(xiàn)原理有以下步驟:水泥優(yōu)化控制系統(tǒng)通過OPC通訊實時從DCS系統(tǒng)中讀取需要的變量數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中;對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析;分析變量數(shù)據(jù)得到控制系統(tǒng)的模型;把輸入輸出變量代入到智能算法中,由智能算法得到可以使控制變量達到預定值的控制律;傳遞智能算法得到的控制律,經OPC通訊寫回到DCS系統(tǒng)中,進而控制執(zhí)行器的動作。因此在使用本軟件之前需要進行一些必要的配置,包括OPC服務器配置、數(shù)據(jù)庫配置和DCS端接口配置。
BOSOWA II線的DCS采用ABB 800XA系統(tǒng),由于該系統(tǒng)安裝相對復雜,我們采用本地OPC服務器方式連接DCS系統(tǒng)。具體步驟如下:
(1)KOS服務器的安裝;
(2)KOS服務器加入DCS域;
(3)800XA服務器添加KOS服務器節(jié)點;
(4)KOS服務器本地機連接節(jié)點;
(5)測試KOS本地OPC服務器。
TCOCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層采用SQL Server2008數(shù)據(jù)庫,主要存儲優(yōu)化系統(tǒng)必需的變量、實時數(shù)據(jù),以及控制模塊運行時間,當控制模塊停止時,自動將運行時間寫到數(shù)據(jù)庫中,以備后期查看統(tǒng)計投用率等。具體步驟如下:
(1)SQL Server2008安裝;
(2)數(shù)據(jù)庫恢復;
(3)自動備份數(shù)據(jù)表格;
(4)獲取數(shù)據(jù)庫連接符。
為了提升TCOCS系統(tǒng)操作便捷性,本系統(tǒng)支持DCS端啟??刂颇K,這樣可以有效地減小用戶操作難度。TCOCS軟件運行后,用戶可以通過DCS端畫面上的啟動按鈕來啟動該控制回路,并可以在畫面上設置控制值,實現(xiàn)該控制模塊的啟動及控制。
根據(jù)BOSOWA項目具體情況開發(fā)出優(yōu)化控制系統(tǒng)專用功能塊庫TCOCS1.0。該功能塊庫具有簡潔的人機交互界面、操作站優(yōu)先/服務器優(yōu)先自由選擇、符合操作員習慣的功能塊方式、操作簡單可靠、優(yōu)化服務器端免維護等特點。該功能塊庫包括分解爐控制模塊接口功能塊TCOCS_Preheater、燒成系統(tǒng)控制模塊接口功能塊TCOCS_Kiln、通訊監(jiān)視功能塊TCOCS_Kilnheart等,部分功能塊界面(faceplate)如圖2所示。
圖2 功能塊TCOCS_Preheater及TCOCS_Kiln界面
該功能塊具有以下特點:
(1)在線/離線切換,目標值設定;
(2)操作上下限設定;
(3)查看關鍵參數(shù)歷史趨勢;
(4)查看用戶操作手冊;
(5)自由切換控制變量;
(6)自由切換三種工作模式。
本項目的窯優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)了窯喂料、窯喂煤、窯轉速、高溫風機等7種設備的自動控制,操作界面如圖3所示。
圖3 KOS操作界面
按照本文第三節(jié)的配置步驟及《水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)TCOCS用戶手冊》將系統(tǒng)配置完畢后,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實時數(shù)據(jù),然后使用我們自主開發(fā)的模型識別軟件——TCOCS Identification,將辨識出的控制模型參數(shù)指導后繼調試工作。
KOS軟件共分三個主頁面,分別對應燒成窯尾、燒成窯頭及篦冷機。以燒成系統(tǒng)為例進行介紹,該界面共分為以下部分:(1)界面切換按鈕;(2)調試參數(shù)按鈕;(3)歷史曲線界面;(4)過程數(shù)據(jù)界面;(5)控制命令界面,Preheater和Kiln界面共用。如圖4所示。
圖4 燒成系統(tǒng)界面
(1)歷史曲線界面。顯示過程控制參數(shù)的歷史曲線。子界面下側有8個復選框,勾選后該復選框的變量會在Trend里顯示,在Trend顯示區(qū)域點擊鼠標右鍵,則會彈出Trend Option對話框,對趨勢顯示進行配置??梢栽O置左右坐標軸以及時間軸的顯示范圍。選中左右坐標軸的自動范圍復選框,則自動根據(jù)曲線值縮放到合適的顯示范圍。
KOS程序自動將已勾選復選框的前兩個吸附到左側坐標,其余已勾選復選框吸附到右側坐標軸,Trend最多可同時顯示5條曲線。圖5中,勾選CO_A、CO_B和Given PH Coalfeeder三條曲線,因此CO_A、CO_B吸附到左側坐標軸,Given PH Coalfeeder吸附到右側坐標軸,將Trend Option對話框中左右坐標軸自動范圍勾選。
圖5 Trend界面及Trend Option對話框
(2)過程參數(shù)界面(圖6)。顯示過程控制參數(shù)實時值及配置,分為兩列Value-實時值,Config-過程參數(shù)配置,在該數(shù)值單擊鼠標左鍵彈出配置對話框,Setpoint-過程參數(shù)設定值;FilterLength-參數(shù)濾波水平;HLimit-Trend數(shù)據(jù)歸一化顯示上限;LLimit-Trend數(shù)據(jù)歸一化顯示下限。
圖6 過程參數(shù)界面及Option對話框
(3)控制命令界面(圖7)。燒成窯尾模塊的啟停命令按鈕,包含兩個按鈕及該模塊所有相關的參數(shù),啟動按鈕以及Online按鈕。如果客戶選擇操作站優(yōu)先模式,則該按鈕用于調試階段啟??刂颇K;如果客戶選擇服務器優(yōu)先模式,則該按鈕用于直接啟??刂颇K。注意:在啟動燒成窯尾模塊時Online按鈕顯示Online,如果顯示Offline,則無論客戶選擇何種優(yōu)先模式,KOS都無法啟動。
圖7 燒成窯尾模塊控制命令界面
截至目前,系統(tǒng)已安全、穩(wěn)定、連續(xù)、自動、優(yōu)化運行近十個月,系統(tǒng)性能完全媲美甚至超過其他國際知名品牌,尤其是分解爐溫度的控制效果得到業(yè)主的高度認可,控制效果如圖8所示。
系統(tǒng)投用后,分解爐溫度波動范圍迅速收斂,能夠達到正常工況條件下±5℃以內波動,甚至能夠長期保持在±3℃的范圍之內,全工況在±10℃之內波動。相比之前人工手動控制,波動范圍縮小了75%,運行率達95%以上,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)定了產品質量。當操作員改變分解爐溫度設定值時,該系統(tǒng)反應靈敏,跟蹤迅速,控制效果明顯。采用該系統(tǒng),能夠極大地降低操作員的工作強度,解決了不同水平操作員操作效果差異這一難題,最大限度地減少了人為因素對窯系統(tǒng)的影響。
圖8 分解爐出口溫度:手動操作對比TCOCS優(yōu)化
TCOCS運行時篦冷機冷卻風機風量波動見圖9,各室風量波動范圍迅速收斂,能夠達到正常工況條件下±50m3/h以內波動,全工況在±300m3/h之內波動。相比之前人工手動控制,波動范圍縮小了85%,運行率達99%以上;篦冷機篦下壓力波動范圍迅速收斂,能夠達到正常工況條件下±100Pa以內波動,甚至長期能夠保持在±50Pa的范圍之內,全工況在±150Pa之內波動。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。
此外,在印尼BOSOWA MAROS LINE2 5 000t/d CLINKER PLANTS投用的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)現(xiàn)已通過驗收,近十個月生產數(shù)據(jù)顯示,每噸熟料平均節(jié)約實物煤5kg,節(jié)煤比例2%,游離氧化鈣合格率(fCaO≤1.5)提升20%,達到了節(jié)能降耗減排的控制效果,預期能給業(yè)主帶來可觀的經濟效益和社會效益,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。
圖9 TCOCS運行時篦冷機冷卻風機風量波動
天津院自主開發(fā)的TCOCS系統(tǒng)在海外EPC工程的首次成功應用,標志著公司信息化研發(fā)團隊長期不懈的技術積累和技術創(chuàng)新已初見成效,填補了公司在水泥智能控制方面的空白,提升了公司提供高端技術服務的能力,為公司帶來了較好的經濟效益。
參考文獻:
[1]王靖,艾軍,魏燦,等.水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應用研究[J].水泥技術,2016,(2):31-34.■