任志鵬

（同煤集團建材公司， 山西 大同 037000）

水泥閉路預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調控制研究

任志鵬

（同煤集團建材公司， 山西 大同 037000）

中圖分類號：TQ172

文獻標識碼：A

文章編號1007-6344（2020）09-0002-02

摘要：針對水泥閉路粉磨的預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)難以維持動態(tài)平衡的問題，本文基于水泥閉路粉磨系統(tǒng)工藝流程，通過分析相應的參數(shù)，建立系統(tǒng)模型，設計出水泥閉路粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制器，并提出預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制的方案。結果表明水泥閉路預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調控制能夠有效調節(jié)預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡問題，提高水泥粉磨的效率，增加水泥產(chǎn)量。

關鍵詞：預粉磨系統(tǒng)；終粉磨系統(tǒng)；協(xié)調控制

作者簡介：任志鵬（1992.1-），男，本科，2016年7月畢業(yè)于太原理工大學，助理工程師，研究方向：水泥相關設備研究。

0 緒論

水泥作為我國傳統(tǒng)型支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)量直接影響經(jīng)濟的發(fā)展，而水泥粉磨是水泥生產(chǎn)最后的工序，對水泥產(chǎn)量有決定性的影響力。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，水泥粉磨基于大數(shù)據(jù)的發(fā)展模式較為落后，在工藝流程中磨物料粗、穩(wěn)流倉料位頻繁波動等對生產(chǎn)效率有干擾作用的問題[1]，大多解決方案都是單因素控制[2]，因此基于水泥閉路粉磨系統(tǒng)工藝流程，通過分析相應的參數(shù)，建立系統(tǒng)模型，設計出水泥閉路粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制器，并提出預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制的方案，能夠有效地進行多因素協(xié)同控制，為提高水泥粉磨的效率提供科學途徑。

1 水泥閉路粉磨系統(tǒng)工藝分析

水泥閉路粉磨工藝流程主要包括：出入磨斗式提升機、選粉機、穩(wěn)流倉、輥壓機、循環(huán)風機、球磨機、后主排風機以及收塵器，不同設備相互連接、相互配合形成一個閉路系統(tǒng)[3]。喂料量首先是經(jīng)皮帶秤和穩(wěn)流倉，在輥壓機的作用下破碎，通過選粉機的篩選，較小破碎顆粒直接進入循環(huán)風機，較大破碎顆粒再回穩(wěn)流倉[4]。循環(huán)風機將小顆粒送入球磨機進行粉磨，然后由出磨斗式提升機送入選粉機重復篩選，粉磨合格的由后主排風機送入成品庫，粉磨不達標的重回球磨機循環(huán)粉磨[5]。為了避免整體研究的繁雜，本文將粉磨系統(tǒng)劃分為預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)，進行局部分析，以達到部分見整體的研究效果。預粉磨系統(tǒng)流程從喂料量到輥壓機再到穩(wěn)流倉，終粉磨系統(tǒng)由循環(huán)風機到球磨機再到回粉，其中球磨機到回粉進行循環(huán)。預粉磨系統(tǒng)和預粉磨系統(tǒng)在穩(wěn)流倉與循環(huán)風機和球磨機的部分緊密聯(lián)系。

2 水泥閉路粉磨系統(tǒng)參數(shù)的選取

喂料量是水泥閉路粉磨系統(tǒng)的始端，喂料量的變化關系到整個系統(tǒng)的運行，最先導致穩(wěn)流倉料位值波動，而穩(wěn)流倉料位值就是預粉磨系統(tǒng)所處的狀態(tài)，因此可將喂料量設置為輸入量，穩(wěn)流倉料位值設置為輸出量。與之對應的就是回粉量，能夠體現(xiàn)出終粉磨系統(tǒng)的一個輸出狀態(tài)，而回粉量是受循環(huán)風機轉速影響的，是終粉磨系統(tǒng)輸入端，因此循環(huán)風機轉速設置為終粉磨系統(tǒng)的輸入量，回粉量設置為終粉磨系統(tǒng)的輸出量。

參數(shù)設置好以后就需要確定數(shù)據(jù)，可以將工業(yè)現(xiàn)場作為數(shù)據(jù)來源，為了排除輥壓機跳停等干擾因素的影響，保障數(shù)據(jù)分析的可行性，可以采取均值濾波。具體操作方法如下：以10 為單位，對數(shù)據(jù)分組，求均值；數(shù)據(jù)采集周期T=1s；采樣點1 萬個；選取穩(wěn)定時間段的采樣點數(shù)據(jù)5000 個。根據(jù)均值濾波獲取以下曲線：喂料量濾波前后對比曲線、穩(wěn)流倉料位值濾波前后對比曲線、回粉量濾波前后對比曲線、循環(huán)風機轉速值濾波前后對比曲線。對比發(fā)現(xiàn)，喂料量、穩(wěn)流倉料位值、循環(huán)風機轉速、回粉量的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，基本可以確定不受其他外部因素的影響，能夠做下一步研究。

3 水泥閉路粉磨系統(tǒng)模型建立流程

3.1 預粉磨系統(tǒng)模型建立流程

預粉磨系統(tǒng)模型建立是根據(jù)其工藝流程，結合了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡算法，通過一系列的修正最終確定了權值矩陣和閾值矩陣。模型總共分為三層：輸入層（2 個節(jié)點）、隱含層以及輸出層（1 個節(jié)點）。輸入層設置的是喂料量n時刻的狀態(tài)，穩(wěn)流倉料位值n 時刻的狀態(tài)。隱含層設置的是神經(jīng)元輸出。輸出層設置的是穩(wěn)流倉料位值n+1 時刻的狀態(tài)。然后根據(jù)輸入層與隱含層的節(jié)點個數(shù)建立兩層之間的權值矩陣和閾值矩陣。為了使得誤差縮小到一定的范圍，便于研究，因此要將兩個矩陣進行一系列的修正，最終得到預粉磨系統(tǒng)的數(shù)學模型。最后在對輸入層的兩個節(jié)點進行滾動濾波的處理，即上文對于參數(shù)的處理，使得模型內(nèi)部的關系更加清晰。

3.2 終粉磨系統(tǒng)模型建立流程

終粉磨系統(tǒng)模型建立是根據(jù)其工藝流程，結合最小二乘支持向量的方法，根據(jù)上文所確定的四個變量，得到終粉磨循環(huán)風機轉速與回粉量n 時刻狀態(tài)下的樣本集，最終構建拉格朗日方程組，尋找最優(yōu)解，經(jīng)過計算得到各個參數(shù)的數(shù)值，獲得終粉磨系統(tǒng)模型。

4 水泥閉路粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制器的設計

水泥閉路粉磨工藝較為復雜，除了過程情況復雜，除了輥壓機跳停等設備故障造成的干擾，還有人為因素的干擾。為了使得水泥閉路粉磨系統(tǒng)的運行更穩(wěn)定，需要設計協(xié)調控制器，使得系統(tǒng)具備強抗干擾能力。

4.1 預粉磨系統(tǒng)控制器設計

對水泥閉路粉磨預粉磨系統(tǒng)模型進行變形,建立預粉磨系統(tǒng)線性函數(shù)：等式左邊為穩(wěn)流倉料位值在n+1 時刻的狀態(tài)，等式右邊為穩(wěn)流倉料位值在n 時刻的狀態(tài)，再加上干擾項。其中變量為喂料量在n 時刻的狀態(tài)。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況，首先確定輸出參數(shù)穩(wěn)流倉料位值的誤差區(qū)間及其誤差變化率區(qū)間，其次對區(qū)間進行均分，建立三角隸屬度函數(shù)，最后計算隸屬度，得到穩(wěn)流倉料位值的誤差、穩(wěn)流倉料位值誤差的變化速率、穩(wěn)流倉料位值的穩(wěn)定值的模糊規(guī)則表，最終得到比例參數(shù)、積分參數(shù)、積分參數(shù)n 時刻的值。再設定周期T，就可以得到預粉磨系統(tǒng)控制器。利用模糊PID 算法調節(jié)比例參數(shù)、積分參數(shù)、積分參數(shù)n 時刻的值，調節(jié)輸入量，達到預定目的。

4.2 終粉磨系統(tǒng)控制器設計

對水泥閉路粉磨終粉磨系統(tǒng)模型進行變形，建立終粉磨系統(tǒng)線性函數(shù)：等式左邊為終粉磨系統(tǒng)中回粉量在n+1 時刻的狀態(tài)，等式右邊為回粉量在n 時刻的狀態(tài)，其中變量為循環(huán)風機轉速在n 時刻的狀態(tài)。將等式右邊根據(jù)泰勒級數(shù)展開式進行變形，再通過非奇異變換，可以得到新的終粉磨系統(tǒng)方程。再通過將不確定因素以及干擾因素轉化為復合干擾項，化解上述方程式可得終粉磨系統(tǒng)設計滑模面，最終設計出基于干擾的終粉磨系統(tǒng)控制器。終粉磨系統(tǒng)所設計的滑?？刂破鳛榱藢崿F(xiàn)回粉量的輸出值多次發(fā)生變化，首先調節(jié)循環(huán)風機轉速，抑制干擾因素，然后使得輸出值與目標值匹配，實現(xiàn)了終粉磨系統(tǒng)控制器的有效運行。

5 預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制的方案

水泥廠目前的控制方案主要通過人工控制來協(xié)調，基于不同層次操作員的調控，可能造成水泥的質與量在較大范圍內(nèi)波動，一方面給水泥廠帶來輸出偏差，另一方面給水泥需求方帶來不穩(wěn)定原料供應狀況。因此建立預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)協(xié)調控制的方案能夠避免人工控制造成的內(nèi)部影響，降低干擾度，對于水泥粉磨系統(tǒng)有著助推力。協(xié)調控制方案是根據(jù)預粉磨系統(tǒng)控制器和終粉磨系統(tǒng)控制器的運行模式提出的，具體來說要根據(jù)不同工況的現(xiàn)實狀況進行實際調整，主要分為磨機協(xié)調控制與粒度控制，前者控制的預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)，后者控制的水泥質量。具體方案如下：

終粉磨系統(tǒng)優(yōu)先控制：當終粉磨系統(tǒng)波動較大，需要首先控制回粉量，以確保水泥質量，因此需要優(yōu)先控制循環(huán)風機轉速值，在保障輸入與輸出穩(wěn)定的情況下使得終粉磨系統(tǒng)得以控制；當粉磨系統(tǒng)本身較為穩(wěn)定，預粉磨系統(tǒng)穩(wěn)流倉料位值會根據(jù)終粉磨系統(tǒng)循環(huán)風機轉速的變化而動態(tài)變化，因此通過回粉量的控制來反作用于循環(huán)風機轉速，依次使得喂料量根據(jù)目標產(chǎn)量得以控制，從而實現(xiàn)預粉磨與終粉磨系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

終粉磨系統(tǒng)與預粉磨系統(tǒng)協(xié)同控制：當終粉磨系統(tǒng)與預粉磨系統(tǒng)都處于較大波動狀態(tài)，沒有平穩(wěn)運行，如果不加以控制，這種不平穩(wěn)狀態(tài)會逐步增加，導致極端情況發(fā)生。這種兩個系統(tǒng)都不平穩(wěn)時，采取終粉磨系統(tǒng)優(yōu)先控制無法在短時間內(nèi)形成動態(tài)平衡。因此需要對喂料量和回粉量同時進行控制，通過控制模型對參數(shù)進行微調，分階段逐步達到粉磨系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

預粉磨系統(tǒng)優(yōu)先控制：當表面上預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，喂料量和回粉量都呈現(xiàn)一定的平衡，系統(tǒng)整體運行順暢。但如果適當?shù)膹目刂颇Ｐ椭姓{整喂料量的輸入情況，回粉量的輸出情況也有明顯改善，這說明粉磨系統(tǒng)未能達到最優(yōu)動態(tài)平衡。為了進一步提升粉磨效率，需要對預粉磨系統(tǒng)進行優(yōu)先控制。通過調整喂料量的輸入量，改變循環(huán)風機轉速的狀態(tài)，從而影響下一時刻回粉量的輸出情況，經(jīng)過一系列模型參數(shù)的調整，最終形成新的穩(wěn)定狀態(tài)，再次達到動態(tài)平衡。

6 結束語

本文根據(jù)粉磨系統(tǒng)的控制模型，提供了三種不同的協(xié)調控制方案。綜上所述，結合不同的工況問題，水泥閉路預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)的協(xié)調控制能夠有效調節(jié)預粉磨系統(tǒng)與終粉磨系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡問題，提高水泥粉磨的效率，增加水泥產(chǎn)量。