水泥回轉(zhuǎn)窯先進控制軟件設(shè)計與集成

孫莉

摘 要：提出建立專家規(guī)則得到回轉(zhuǎn)窯窯況的控制方案，對使用VC編寫的回轉(zhuǎn)窯先進控制算法流程及在DCS中的具體實現(xiàn)過程進行了詳細介紹。為避免DCS控制與本文控制算法發(fā)生沖突，進行了無擾切換的設(shè)計，介紹了控制算法的程序設(shè)計思路及界面設(shè)計。PID算法和回轉(zhuǎn)窯先進控制算法分別在現(xiàn)場實驗性運行。實驗性運行表明，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;專家規(guī)則;回轉(zhuǎn)窯;燒成帶溫度

中圖分類號：TP273+.4

文獻標志碼：A

引 言

我國新型干法水泥生產(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、自動化基礎(chǔ)比較完備的水泥企業(yè)開始融入PROFIBUS、FF等現(xiàn)場總線技術(shù)。對DCS，現(xiàn)場總線控制應(yīng)用于水泥燒成系統(tǒng)的研究主要集中于文獻[1-4]。水泥熟料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的鍛燒過程，是一個包含物理變化、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過程的多變量、多擾動、長滯后、時變及非線性過程。這給回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的建模和控制都帶來了極大的困難。為了解決水泥預(yù)分解窯的控制難題，許多學(xué)者進行了大量相關(guān)研究。Jager[5-6]等研究了專家系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)過程中的應(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]介紹了基于專家系統(tǒng)的水泥回轉(zhuǎn)窯故障診斷問題。

我國新型干法水泥生產(chǎn)線已經(jīng)基本實現(xiàn)基礎(chǔ)自動化控制，但對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的先進控制研究主要集中在分解爐，而對于熟料燒成的主體部分回轉(zhuǎn)窯的研究主要是進行仿真研究，真正用于實際的很少。因此，對于水泥回轉(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。窯況可以通過改變燒成帶溫度和窯速來消除其影響。在回轉(zhuǎn)窯控制過程中，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，通過改變窯頭喂煤來控制燒成帶溫度。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，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)窯況不同進行適當調(diào)整。為此我們設(shè)計了基于專家規(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)時間長等問題，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，通過模糊合成推理算法獲得模糊控制決策表，提高對回轉(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)窯控制包括窯況識別模塊，燒成帶溫度設(shè)定模塊，燒成帶溫度軟測量模塊，模糊PID控制模塊和窯速控制模塊。切換開關(guān)是用于選擇采用本文基于專家規(guī)則的窯況識別模塊。窯況是影響燒成帶溫度的主要因素之一，但可以通過改變燒成帶溫度和窯速來消除其影響。所以我們設(shè)計了基于窯況、以專家規(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)窯況的不同對燒成帶溫度設(shè)定值進行校正，建立了基于專家經(jīng)驗的回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度設(shè)定值校正模塊。

根據(jù)專家經(jīng)驗，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)窯先進控制算法采用VC編寫，利用soL服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲和交換平臺，并完成規(guī)則庫的存儲。這樣就實現(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中的具體實現(xiàn)過程。

（1） DCS控制/回轉(zhuǎn)窯先進控制切換

DCS是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，系統(tǒng)通過DCS實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，從而達到調(diào)節(jié)參數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。對現(xiàn)場設(shè)備的控制既可以通過回轉(zhuǎn)窯先進控制系統(tǒng)也可以在操作員站直接通過DCS進行控制，這樣在本控制系統(tǒng)的運行中就可能出現(xiàn)與操作員同時控制一個設(shè)備的情況，可能導(dǎo)致現(xiàn)場設(shè)備的誤動作，所以我們根據(jù)廠家要求，在DCS相應(yīng)崗位的操作畫面中設(shè)有手自動轉(zhuǎn)換按鈕，用于回轉(zhuǎn)窯先進控制系統(tǒng)和操作員控制的切換，兩種方式的無擾切換是通過CBF組態(tài)軟件的一種選擇模塊實現(xiàn)。

（2）回轉(zhuǎn)窯先進控制算法實現(xiàn)

本算法采用VC工具，基于面向?qū)ο笏枷脒M行算法編程，將算法程序封裝在CFuzzy類和CKiln-Control類中，其中CKilnControl類繼承于CFuzzy類。CFuzzy類主要用于模糊控制算法的計算，CKilnControl類包括回轉(zhuǎn)窯窯況識別，窯速比值控制，基于專家規(guī)則的窯速調(diào)整，基于專家規(guī)則的燒成帶溫度設(shè)定及模糊PID控制算法實現(xiàn)，PID三個參數(shù)的調(diào)整調(diào)用CFuzzy類的函數(shù)實現(xiàn)。控制算法流程如圖2所示。

（3）采樣時間的確定

本系統(tǒng)采樣時間的選擇遵循Shannon采樣定理，即

式中ωmax為采樣信號的上限角頻率。在此范圍內(nèi)，綜合考慮工藝要求和現(xiàn)場設(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，進行初始參數(shù)的整定。初始參數(shù)整定時，首先根據(jù)經(jīng)驗值大致確定一組參數(shù)，然后采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，進行離線觀察調(diào)整。離線調(diào)整參數(shù)時，PID控制算法雖然連上OPCServer，但手自動按鈕設(shè)在手動，所以只是由DCS讀數(shù)據(jù)，而不會參與控制。

通過接口軟件的趨勢頁面或通過查詢數(shù)據(jù)庫觀察所整定的參數(shù)是否可以適合實際情況的變化。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，整定的三個參數(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所對應(yīng)的比例因子分別為0.00005，0.0002，0.0002：相比較來說，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)都自動保存在OPT.ini文件中，在進行控制時會自動掉用，因此只須在更改控制參數(shù)時進行參數(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值和斜率，以及上下限保護，閾值等參數(shù)。

圖5為控制方式選擇界面，當設(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行控制了。我們可以選擇多種控制方式，如可以僅僅進行燒成帶溫度模糊PID控制，也可以選擇窯速控制，當然也可以二者都進行控制一選擇回轉(zhuǎn)窯控制方式。在進行控制之前應(yīng)首先進行窯況識別，在窯況識別較好時再投入算法進行控制。

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)窯主要可測數(shù)據(jù)從DCS通過OPC傳給算法程序，經(jīng)過算法程序的計算，一方面將控制變量通過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)線進行了實驗性運行。由于燒成帶溫度無法直接測量，我們將代表熟料質(zhì)量的f-Ca0（每小時檢測一次）含量和反應(yīng)燒成帶溫度的窯主機電流來作對比。表2和3分別是算法投入前、后24小時f-CaO（%）含量表。從表2中可看出算法投入前f-CaO（%）波動較大（0.6%- 2.23%），熟料質(zhì)量不穩(wěn)定，f-Ca024小時平均含量為1.074，基本達到質(zhì)量要求。從表3中可看出算法投入后，f-Ca0（%）波動明顯減小，熟料合格率較大幅度增加。f-CaO（%）基本在1%附近，f-Ca024小時平均含量為0.984，達到質(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小時運行曲線，采用本算法后的窯主機電流波動明顯比PID算法小，即使窯況不穩(wěn)定時波動也較PID算法小。而且本算法比PID控制時更少的需要人工干預(yù)，能長時間穩(wěn)定運行。由此可見，對比PID算法，顯然本文設(shè)計的回轉(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f_CaO（%）含量表。

圖7和圖8分別是PID和本文控制算法投入運行24小時窯主機電流曲線圖。控制接口軟件中，在DCS控制系統(tǒng)中進行先進控制算法的實驗性運行。本文對回轉(zhuǎn)窯先進控制算法的應(yīng)用進行了詳細的闡述，并與傳統(tǒng)的PID控制進行了對比。通過對比應(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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