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        水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運行中存在的問題及改進建議

        2021-01-26 14:31:49王恒兵陸小松王松華
        四川水泥 2021年11期
        關(guān)鍵詞:操作員波動專家

        王恒兵 陸小松 王松華

        (安徽海螺信息技術(shù)工程有限責任公司,安徽 蕪湖 241000)

        1 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)介紹

        水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)指代替操作員進行風、煤、料等的調(diào)節(jié)操作,設備的正常啟動、停止、設備故障跳停等仍由操作員根據(jù)需要在DCS 中進行控制。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)通過OPC 協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)交換,將DCS 系統(tǒng)相關(guān)的控制變量數(shù)據(jù)讀入專家系統(tǒng),通過模型計算得出操作變量數(shù)值,寫入DCS 系統(tǒng),DCS 系統(tǒng)將該操作變量數(shù)值給定到現(xiàn)場控制設備進行調(diào)節(jié)。

        先進過程控制(APC,Advanced Process Control):先進過程控制是對那些不同于常規(guī)單回路控制,比常規(guī)PID 控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱,而非專指某種計算機控制算法。先進過程控制的任務是用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好,甚至無法控制的復雜工業(yè)過程控制問題[1]。

        模型預測控制(MPC,Model Predictive Control):模型預測控制是一類特殊的控制。它的當前控制動作是在每一個采樣瞬間通過求解一個有限時域開環(huán)最優(yōu)控制問題而獲得。過程的當前狀態(tài)作為最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài),解得的最優(yōu)控制序列只實施第一個控制作用,這是它與那些使用預先計算控制率的算法的最大不同。本質(zhì)上模型預測控制求解一個開環(huán)最優(yōu)控制問題。它的思想與具體的模型無關(guān),但是實現(xiàn)則與模型有關(guān)。

        操作變量(MV,Manipulated Variable):操作變量是指在自動控制系統(tǒng)中,用來克服干擾對被控變量的影響,實現(xiàn)控制作用的變量。

        控制變量(CV,Controlled Variable):受操作變量和干擾變量影響的過程輸出。

        干擾變量(DV,Disturbance Variable):不能設置的過程輸入,相當于關(guān)掉控制的操作變量。

        時間常量(TC,Time Constant):操作變量發(fā)生變化時,控制變量開始有響應至基本達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間。

        軟儀表(VOA,Virtual Online Analyzers):預測性軟件過程工具,稱為虛擬在線分析儀。

        中控操作界面有切換按鈕,操作員可根據(jù)實際情況選擇由人工操作還是由專家自動操作系統(tǒng)操作,在系統(tǒng)出現(xiàn)報警時會自動退出專家自動操作系統(tǒng),保持最后設定值,同時提示操作員進行人工干預。按照水泥生產(chǎn)“三磨一燒”的工藝系統(tǒng)劃分,水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)相對應的建立了原料粉磨、原煤粉磨、水泥粉磨及熟料燒成四個控制系統(tǒng),獨立運行,配置靈活[2]。

        2 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)控制特點分析

        水泥生產(chǎn)控制技術(shù),歷經(jīng)了模糊控制、專家規(guī)則控制到如今的模型預測控制。

        模型預測控制是上世紀70 年代左右提出的新型控制理論,預測控制的產(chǎn)生并非來源于理論發(fā)展的需要,而是從實踐中發(fā)展起來的。很長一段時期以來,PID 幾乎作為一種全能的控制器,應用于過程控制中,因其無需知道控制對象模型,參數(shù)較少且易調(diào)試的特點,應用非常廣泛,當控制從回路發(fā)展到系統(tǒng)時,單回路的PID 控制很難保持全局良好的性能,對約束處理能力的提升,以及由回路調(diào)節(jié)發(fā)展到優(yōu)化時,PID 則難以實現(xiàn)。這個時候模型預測控制得到大力發(fā)展,應用越來越廣泛,成為最具代表性的一種算法,它具有多變量和滾動優(yōu)化的特性,可以在實際應用過程中不斷完善預測控制,使預測控制更加有效。該系統(tǒng)具有以下特點:

        (1)模型精度要求不高,建模方便,過程描述可由簡單實驗獲得;

        (2)采用非最小化的模型,系統(tǒng)穩(wěn)定性較好;

        (3)采用滾動優(yōu)化策略,而非全局一次優(yōu)化,能及時彌補由于模型失配、畸變、干擾等因素引起的不確定性,動態(tài)性能較好;

        (4)易將算法推廣到有約束、大遲延、非最小相位、非線性等實際過程,尤為重要的是,它能有效地處理多變量、有約束的問題。

        水泥工藝流程通常分為原料粉磨系統(tǒng)、熟料燒成系統(tǒng)和水泥粉磨系統(tǒng)三個部分,俗稱“兩磨一燒”,具有非線性、大滯后、強耦合等特點,一直以來都是專家優(yōu)化控制的難點。目前,國內(nèi)大多水泥生產(chǎn)企業(yè)對于水泥生產(chǎn)過程的控制仍以操作員手動操作控制為主。結(jié)合各種控制方式的特點,傳統(tǒng)的PID 算法、單一的專家控制或模糊控制,難以對水泥生產(chǎn)過程進行較好地控制。而預測控制算法是一種非常適合復雜工業(yè)控制的優(yōu)化控制算法,并已在多個領域取得成功應用[3]。

        模型預測水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對水泥生產(chǎn)過程風、煤、料等關(guān)鍵參數(shù)的多變量自動操作控制,以自動導航的方式、高頻小幅地逼近最優(yōu)參數(shù),實現(xiàn)燒成、原料磨、煤磨、水泥磨系統(tǒng)的專家級控制,達到節(jié)能環(huán)保、提產(chǎn)增效的效果,極大地降低操作員的勞動強度,減少人為因素的影響。

        3 目前水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運行存在的問題

        水泥生產(chǎn)過程追求的是穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)。但是原燃材料波動、架倉、斷料、煤質(zhì)波動以及固廢漿渣、垃圾焚燒等協(xié)同處置都給系統(tǒng)穩(wěn)定控制帶來了擾動,同時主機設備、分析儀器、執(zhí)行器死區(qū)、煤粉秤壓力波動等也給系統(tǒng)調(diào)節(jié)帶來了挑戰(zhàn)。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)從模糊邏輯控制,到專家系統(tǒng)控制再到模型預測優(yōu)化控制,在探索中不斷發(fā)展,但總體系統(tǒng)投運率不高,究其原因主要存在以下難點問題:

        (1)控制軟件設計與生產(chǎn)操作脫節(jié)。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)是由專業(yè)軟件公司進行開發(fā)、調(diào)試,一般都是標準產(chǎn)品,開發(fā)人員缺少現(xiàn)場操作工藝知識,對水泥生產(chǎn)工藝機理不熟悉,無法從生產(chǎn)操作角度解決問題。生產(chǎn)人員又不懂軟件開發(fā),需要雙方深入地溝通交流。

        (2)控制需求與生產(chǎn)管理指標的平衡矛盾。各公司的管理指標側(cè)重點不同,有些公司要求生產(chǎn)線降煤耗,又要求增加余熱發(fā)電量,這兩者存在矛盾;有些公司對過程控制參數(shù)要求不一,系統(tǒng)控制時要求嚴格,操作員手動控制時又能接受更高的邊界,這為專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的成功應用帶來了難度。

        (3)原燃材料質(zhì)量波動大,協(xié)同處置擾動強。部分水泥公司石灰石為外購,質(zhì)量控制難度大,原煤等材料來源廣,品質(zhì)波動大,源頭上無法進行有效的質(zhì)量管控。隨著生產(chǎn)線協(xié)同處置固、危廢等,給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了較強的擾動,這些擾動又無法測量和控制,操作員手動操作也是憑經(jīng)驗進行嘗試調(diào)整。

        (4)關(guān)鍵測點儀器儀表工作不理想,設備響應存在死區(qū)。國內(nèi)水泥熟料生產(chǎn)線普遍存在窯尾高溫氣體分析儀運行不理想的狀況,閥門與執(zhí)行器間存在死區(qū),即執(zhí)行器動作了而實際閥門沒有動作,另一方面下料不暢也是制約系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要因素。

        (5)系統(tǒng)運維不及時,用戶體驗差。水泥工廠一般只是系統(tǒng)的使用者,運維工作大多進行外包。當原燃材料出現(xiàn)大的質(zhì)量波動,或者因工藝設備技改導致的控制方式變化,原有控制模型難以適應,如果運維工作不能及時跟進,將會嚴重影響系統(tǒng)的投運,讓用戶體驗變差,系統(tǒng)使用意愿降低。

        上述系統(tǒng)運行過程中常遇到的問題,是制約水泥專家優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在。其中工藝、設備是基礎,在系統(tǒng)實施前,應充分梳理工藝、設備等方面存在的問題,進行相應的改造,提高系統(tǒng)的適用性。同時管理思路也需要同步轉(zhuǎn)變。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)是一套系統(tǒng)工程,需要各專業(yè)的協(xié)調(diào)配合才能高效推進,有效使用。

        4 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運行問題的改進措施

        針對系統(tǒng)運行存在的問題,我們嘗試做了以下幾方面改進,并取得了一定的成效[4]。

        (1)軟件開發(fā)應用。選擇技術(shù)成熟、系統(tǒng)開放度高的軟件平臺進行深度合作,跟蹤學習軟件開發(fā)調(diào)試過程,掌握軟件應用能力,自主開展系統(tǒng)推廣實施,利用對水泥生產(chǎn)工藝機理熟悉、應用場景多的優(yōu)勢,結(jié)合不同類型算法的特點,不斷對系統(tǒng)軟件進行優(yōu)化、迭代,解決軟件設計與生產(chǎn)操作脫節(jié)以及運維不及時的問題。

        (2)原燃材料管理。原燃材料品質(zhì)波動,垃圾處理裝置投運給生產(chǎn)控制帶來較強的擾動,系統(tǒng)控制受其影響,效果欠佳,針對原燃材料波動,我們要求工廠加強物料、物流和品控管理,盡可能減少品種切換頻次,保證物料穩(wěn)定,做好原燃材料預均化、垃圾處理搭配,保證原燃材料品質(zhì)穩(wěn)定,進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

        (3)異常工況處理。主機設備異常和工藝異常工況是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要因素,異常工況出現(xiàn)頻次低,持續(xù)時間短,且大部分有規(guī)律可循,但個別異常工況,如喂煤秤壓力波動、預熱器塌料、斷料等,存在較大的隨機性和不可預知性,系統(tǒng)分析建模時我們針對具體異常工況建立特定算法模型,配合規(guī)則控制、邏輯判斷進行異常工況檢測、判斷和處理,以提高系統(tǒng)適用性。

        我們選取了2 個典型的應用場景,對煤磨出口溫度和分解爐喂煤秤壓力進行了分析。煤磨出口溫度投運前平均波動幅度8.5℃,投運后平均波動幅度5.1℃,波動幅度下降40%,分解爐喂煤秤壓力投運前平均波動幅度1.5kPa,投運后平均波動幅度0.5kPa,波動幅度下降60%以上,分解爐溫度受喂煤秤壓力影響波動幅度由21℃下降到15℃以內(nèi),波幅下降28%。通過多回路、多場景的應用,系統(tǒng)控制穩(wěn)定性逐步提升,適應性進一步加強。

        5 水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運行管理的建議

        (1)建立系統(tǒng)運維保障機制。把系統(tǒng)功能優(yōu)化和參數(shù)調(diào)優(yōu)作為一個常態(tài)性工作來抓,系統(tǒng)投運后需要根據(jù)原燃材料,設備運行狀態(tài)、系統(tǒng)工況等條件的變化而進行不斷優(yōu)化調(diào)整。因此,系統(tǒng)運行維護是一項長期持續(xù)性的工作,需要堅持不懈地持續(xù)下去,才能最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)的作用[5]。

        (2)不斷優(yōu)化提升裝備運行質(zhì)量。加大對煤粉秤、噴煤管道、氣體分析儀等關(guān)鍵設備的改造、優(yōu)化和升級,改善系統(tǒng)運行環(huán)境,提升系統(tǒng)運行質(zhì)量。

        (3)加強進廠原燃材料管控。實行精細化管理,盡可能保證輔材品質(zhì)穩(wěn)定,顆粒符合研磨要求;保證原煤均化效果,穩(wěn)定煤粉熱值;保證物流通道通暢,減少斷料發(fā)生頻次。

        6 結(jié)束語

        水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的應用可以從很大程度上減少由操作員水平和情緒對生產(chǎn)線穩(wěn)定的影響,可以有效地對生產(chǎn)線的指標進行優(yōu)化。水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制方法也在不斷地更新,現(xiàn)在所用的模型預測控制簡單方便,易于操作,穩(wěn)定性好,能有效地處理問題而被廣泛推廣應用。進一步降低操作人員的勞動強度,減少人為因素帶來的影響。同時要對水泥專家優(yōu)化控制系統(tǒng)運行的問題積極改進,從軟件開發(fā)應用、原材料管理、異常工況處理等方面入手進行改進,不斷優(yōu)化。建立系統(tǒng)運維保障機制,不斷優(yōu)化提升裝備運行質(zhì)量,及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題并給予解決,才能發(fā)揮控制系統(tǒng)的最大作用,以此保證水泥的生產(chǎn)質(zhì)量。

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