孫莉

摘 要：提出建立專(zhuān)家規(guī)則得到回轉(zhuǎn)窯窯況的控制方案，對(duì)使用VC編寫(xiě)的回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制算法流程及在DCS中的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。為避免DCS控制與本文控制算法發(fā)生沖突，進(jìn)行了無(wú)擾切換的設(shè)計(jì)，介紹了控制算法的程序設(shè)計(jì)思路及界面設(shè)計(jì)。PID算法和回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制算法分別在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行表明，回轉(zhuǎn)窯控制算法效果明顯比PID控制效果要好。

關(guān)鍵詞：窯況;模糊PID;專(zhuān)家規(guī)則;回轉(zhuǎn)窯;燒成帶溫度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)線已經(jīng)普遍采用了DCS控制系統(tǒng)。DCS已經(jīng)成為水泥生產(chǎn)線的主流控制方式，只是根據(jù)各企業(yè)不同情況，或在具體的控制環(huán)節(jié)配置PLC，或在規(guī)模較大、自動(dòng)化基礎(chǔ)比較完備的水泥企業(yè)開(kāi)始融入PROFIBUS、FF等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。對(duì)DCS，現(xiàn)場(chǎng)總線控制應(yīng)用于水泥燒成系統(tǒng)的研究主要集中于文獻(xiàn)[1-4]。水泥熟料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的鍛燒過(guò)程，是一個(gè)包含物理變化、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程的多變量、多擾動(dòng)、長(zhǎng)滯后、時(shí)變及非線性過(guò)程。這給回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的建模和控制都帶來(lái)了極大的困難。為了解決水泥預(yù)分解窯的控制難題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。Jager[5-6]等研究了專(zhuān)家系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用;Chiang[7]研究了水泥懸浮預(yù)熱回轉(zhuǎn)窯的模糊控制;Correcher[8]介紹了基于專(zhuān)家系統(tǒng)的水泥回轉(zhuǎn)窯故障診斷問(wèn)題。

我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)線已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，但對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的先進(jìn)控制研究主要集中在分解爐，而對(duì)于熟料燒成的主體部分回轉(zhuǎn)窯的研究主要是進(jìn)行仿真研究，真正用于實(shí)際的很少。因此，對(duì)于水泥回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用控制研究是非常有必要的。

1 回轉(zhuǎn)窯控制方案

1.l 參數(shù)選擇

在生料成分穩(wěn)定的情況下，影響回轉(zhuǎn)窯熟料質(zhì)量的因素主要是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶溫度和窯況。窯況可以通過(guò)改變燒成帶溫度和窯速來(lái)消除其影響。在回轉(zhuǎn)窯控制過(guò)程中，通常在保證生料下料量，系統(tǒng)風(fēng)量（有一定余量）的前提下，通過(guò)改變窯頭喂煤來(lái)控制燒成帶溫度。因此我們選擇燒成帶溫度，窯速作為被控量，生料下料量和窯頭喂煤為控制量。

1.2 控制方式選擇

①窯速控制

正常生產(chǎn)時(shí)，為保證回轉(zhuǎn)窯內(nèi)填充率的穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)窯窯速與生料下料量基本成正比。窯速還要根據(jù)窯況不同進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于專(zhuān)家規(guī)則的窯速比值控制系統(tǒng)。

②燒成帶溫度控制

為解決回轉(zhuǎn)窯溫度控制超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，本文提出了基于模糊PID的燒成帶溫度控制方法，即將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合，用模糊控制理論來(lái)整定PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)，建立參數(shù)模糊規(guī)則表，通過(guò)模糊合成推理算法獲得模糊控制決策表，提高對(duì)回轉(zhuǎn)窯的控制精度。

1.3 控制方案

本文控制方案如圖1所示，回轉(zhuǎn)窯控制包括窯況識(shí)別模塊，燒成帶溫度設(shè)定模塊，燒成帶溫度軟測(cè)量模塊，模糊PID控制模塊和窯速控制模塊。切換開(kāi)關(guān)是用于選擇采用本文基于專(zhuān)家規(guī)則的窯況識(shí)別模塊。窯況是影響燒成帶溫度的主要因素之一，但可以通過(guò)改變燒成帶溫度和窯速來(lái)消除其影響。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了基于窯況、以專(zhuān)家規(guī)則的形式的燒成帶溫度設(shè)定模塊。

1.4 燒成帶溫度校正模塊

根據(jù)窯況的不同對(duì)燒成帶溫度設(shè)定值進(jìn)行校正，建立了基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度設(shè)定值校正模塊。

根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，本文得出如表1燒成帶溫度調(diào)整規(guī)則。

2 智能控制在DCS中的應(yīng)用

將回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制算法采用VC編寫(xiě)，利用soL服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換平臺(tái)，并完成規(guī)則庫(kù)的存儲(chǔ)。這樣就實(shí)現(xiàn)了算法程序與DCS之間的數(shù)據(jù)交換及控制了。下面介紹本控制算法在DCS中的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

（1） DCS控制/回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制切換

DCS是該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)通過(guò)DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)參數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制既可以通過(guò)回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制系統(tǒng)也可以在操作員站直接通過(guò)DCS進(jìn)行控制，這樣在本控制系統(tǒng)的運(yùn)行中就可能出現(xiàn)與操作員同時(shí)控制一個(gè)設(shè)備的情況，可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的誤動(dòng)作，所以我們根據(jù)廠家要求，在DCS相應(yīng)崗位的操作畫(huà)面中設(shè)有手自動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕，用于回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制系統(tǒng)和操作員控制的切換，兩種方式的無(wú)擾切換是通過(guò)CBF組態(tài)軟件的一種選擇模塊實(shí)現(xiàn)。

（2）回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制算法實(shí)現(xiàn)

本算法采用VC工具，基于面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行算法編程，將算法程序封裝在CFuzzy類(lèi)和CKiln-Control類(lèi)中，其中CKilnControl類(lèi)繼承于CFuzzy類(lèi)。CFuzzy類(lèi)主要用于模糊控制算法的計(jì)算，CKilnControl類(lèi)包括回轉(zhuǎn)窯窯況識(shí)別，窯速比值控制，基于專(zhuān)家規(guī)則的窯速調(diào)整，基于專(zhuān)家規(guī)則的燒成帶溫度設(shè)定及模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)，PID三個(gè)參數(shù)的調(diào)整調(diào)用CFuzzy類(lèi)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)?？刂扑惴鞒倘鐖D2所示。

（3）采樣時(shí)間的確定

本系統(tǒng)采樣時(shí)間的選擇遵循Shannon采樣定理，即

式中ωmax為采樣信號(hào)的上限角頻率。在此范圍內(nèi)，綜合考慮工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件，取T-Imin作為系統(tǒng)采樣周期。

（4）模糊PID初始參數(shù)的整定

本文所設(shè)計(jì)的模糊自調(diào)整PID控制系統(tǒng)由兩部分組成：初始參數(shù)的整定部分和PID三參數(shù)的微調(diào)部分。在窯況穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行初始參數(shù)的整定。初始參數(shù)整定時(shí)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值大致確定一組參數(shù)，然后采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行離線觀察調(diào)整。離線調(diào)整參數(shù)時(shí)，PID控制算法雖然連上OPCServer，但手自動(dòng)按鈕設(shè)在手動(dòng)，所以只是由DCS讀數(shù)據(jù)，而不會(huì)參與控制。

通過(guò)接口軟件的趨勢(shì)頁(yè)面或通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)觀察所整定的參數(shù)是否可以適合實(shí)際情況的變化。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，整定的三個(gè)參數(shù)值分別為：P：0.0015，I：0.004，D：O.003，模糊PID輸出參數(shù)△KP，△Ki，△Kd所對(duì)應(yīng)的比例因子分別為0.00005，0.0002，0.0002：相比較來(lái)說(shuō)，此種情況下的控制效果最佳。

回轉(zhuǎn)窯控制界面如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3為燒成帶溫度模糊PID控制參數(shù)設(shè)置界面，主要用于設(shè)置PID參數(shù)值，模糊控制參數(shù)值，以及相關(guān)的保護(hù)參數(shù)設(shè)置，如閾值，上下限等。圖3和圖4的參數(shù)都自動(dòng)保存在OPT.ini文件中，在進(jìn)行控制時(shí)會(huì)自動(dòng)掉用，因此只須在更改控制參數(shù)時(shí)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

圖4為窯速控制參數(shù)設(shè)置界面，用于設(shè)置窯速比值控制的基準(zhǔn)值和斜率，以及上下限保護(hù)，閾值等參數(shù)。

圖5為控制方式選擇界面，當(dāng)設(shè)置好燒成帶溫度控制參數(shù)和窯速控制參數(shù)后，即可在條件允許的情況下進(jìn)行控制了。我們可以選擇多種控制方式，如可以僅僅進(jìn)行燒成帶溫度模糊PID控制，也可以選擇窯速控制，當(dāng)然也可以二者都進(jìn)行控制一選擇回轉(zhuǎn)窯控制方式。在進(jìn)行控制之前應(yīng)首先進(jìn)行窯況識(shí)別，在窯況識(shí)別較好時(shí)再投入算法進(jìn)行控制。

圖6為水泥回轉(zhuǎn)窯控制監(jiān)控界面。算法投入使用后，回轉(zhuǎn)窯主要可測(cè)數(shù)據(jù)從DCS通過(guò)OPC傳給算法程序，經(jīng)過(guò)算法程序的計(jì)算，一方面將控制變量通過(guò)OPC傳回DCS，另一方面顯示在監(jiān)控界面上，使我們一目了然。3智能控制應(yīng)用效果

本文回轉(zhuǎn)窯控制算法在山水安丘二期熟料生產(chǎn)線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行。由于燒成帶溫度無(wú)法直接測(cè)量，我們將代表熟料質(zhì)量的f-Ca0（每小時(shí)檢測(cè)一次）含量和反應(yīng)燒成帶溫度的窯主機(jī)電流來(lái)作對(duì)比。表2和3分別是算法投入前、后24小時(shí)f-CaO（%）含量表。從表2中可看出算法投入前f-CaO（%）波動(dòng)較大（0.6%- 2.23%），熟料質(zhì)量不穩(wěn)定，f-Ca024小時(shí)平均含量為1.074，基本達(dá)到質(zhì)量要求。從表3中可看出算法投入后，f-Ca0（%）波動(dòng)明顯減小，熟料合格率較大幅度增加。f-CaO（%）基本在1%附近，f-Ca024小時(shí)平均含量為0.984，達(dá)到質(zhì)量要求，既保證了熟料的合格率，又降低了燃料（煤）的消耗量。圖8和圖9分別是PID算法和本文算法24小時(shí)運(yùn)行曲線，采用本算法后的窯主機(jī)電流波動(dòng)明顯比PID算法小，即使窯況不穩(wěn)定時(shí)波動(dòng)也較PID算法小。而且本算法比PID控制時(shí)更少的需要人工干預(yù)，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見(jiàn)，對(duì)比PID算法，顯然本文設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)窯控制算法更加有效。

表2和3分別是算法投入前、后24小時(shí)f_CaO（%）含量表。

圖7和圖8分別是PID和本文控制算法投入運(yùn)行24小時(shí)窯主機(jī)電流曲線圖?？刂平涌谲浖?，在DCS控制系統(tǒng)中進(jìn)行先進(jìn)控制算法的實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行。本文對(duì)回轉(zhuǎn)窯先進(jìn)控制算法的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并與傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)對(duì)比應(yīng)用效果，得出如下結(jié)論：本文控制算法效果明顯比PID控制效果要好，能夠在保證熟料質(zhì)量的前提下，減少煤耗，降低成本。

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