水泥粉磨智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

魏燦，俞利濤，童睿，王純良

1 引言

中材邦業(yè)（杭州）智能技術(shù)有限公司與中材（天津）粉體技術(shù)裝備有限公司聯(lián)合開發(fā)、實(shí)施的水泥粉磨智能控制系統(tǒng)于2018年9月在雙鴨山新時(shí)代水泥有限責(zé)任公司1號(hào)水泥粉磨生產(chǎn)線成功投入運(yùn)行，在三方項(xiàng)目組成員的共同努力及天津院技術(shù)專家隊(duì)伍的大力支持下，已取得“安全、穩(wěn)定、連續(xù)、自動(dòng)、優(yōu)化”運(yùn)行的良好效果，正常工況下投用率在95%以上，主要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差降低30%以上，平均噸水泥電耗降低1.0kWh以上。

2 水泥粉磨智能控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中材水泥粉磨智能控制系統(tǒng)[1]包括APS一鍵啟停技術(shù)（融合了模擬量自動(dòng)控制、順序控制、超馳控制等）、輥磨自動(dòng)投料系統(tǒng)、基于預(yù)測(cè)模型控制的APC智能控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)和在線激光粒度分析儀。水泥粉磨智能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

水泥輥磨智能控制系統(tǒng)功能如下：

（1）所有設(shè)備一鍵啟停，并在啟停過程中實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵模擬量的自動(dòng)控制、水泥輥磨自動(dòng)投料落輥和在線粒度分析儀自動(dòng)運(yùn)行。

（2）系統(tǒng)正常運(yùn)行后，APC控制系統(tǒng)自動(dòng)投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、料量、壓力等參數(shù)的自動(dòng)控制。

（3）自學(xué)習(xí)水泥品種特征，自動(dòng)切換控制策略。

（4）自學(xué)習(xí)生產(chǎn)工況特征，建立專家?guī)?；自?dòng)識(shí)別當(dāng)前工況，自動(dòng)切換控制策略。

（5）水泥磨系統(tǒng)全流程全工況的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)水泥磨系統(tǒng)無人值守的第一步。

圖1 水泥粉磨智能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

傳統(tǒng)水泥粉磨控制算法包括，預(yù)測(cè)模型控制MPC、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、模糊邏輯、專家算法、最優(yōu)控制等，水泥粉磨智能優(yōu)化控制平臺(tái)在此基礎(chǔ)上引入大數(shù)據(jù)算法模型理論，進(jìn)行自主尋優(yōu)，以產(chǎn)量最大化、質(zhì)量最優(yōu)化、電耗最小化、設(shè)備安全運(yùn)行為尋優(yōu)約束條件，利用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和當(dāng)前實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)構(gòu)成記憶矩陣。矩陣的行向量代表某一時(shí)刻所有測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，列向量代表測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)。再通過平臺(tái)內(nèi)部大數(shù)據(jù)算法進(jìn)行運(yùn)算，梳理磨機(jī)本體和各個(gè)子系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)關(guān)系，形成輸入量和輸出量關(guān)系的映射模型。優(yōu)化平臺(tái)輸出最優(yōu)值以及控制約束條件，以供質(zhì)量控制器、產(chǎn)量控制器、溫度控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.1 APS一鍵啟停系統(tǒng)

2.1.1 水泥粉磨系統(tǒng)一鍵啟停的實(shí)施（圖2）

水泥粉磨可通過APS一鍵啟停系統(tǒng)降低主機(jī)設(shè)備的空運(yùn)轉(zhuǎn)率，從而更大限度地降低電耗。同時(shí)可降低操作員的操作強(qiáng)度，減少誤操作，使操作流程規(guī)范統(tǒng)一。

該部分工作具體分三個(gè)步驟實(shí)施：

（1）修改DCS邏輯，將水泥粉磨系統(tǒng)按照工藝流程分組，在邏輯上實(shí)現(xiàn)組起組停，并添加必要的順序聯(lián)鎖、保護(hù)聯(lián)鎖；

（2）待所有設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，結(jié)合專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)逐步投料；

（3）待粉磨系統(tǒng)在設(shè)定的產(chǎn)量下正常運(yùn)行后，自動(dòng)將APC控制系統(tǒng)投入，實(shí)現(xiàn)粉磨系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2.1.2 水泥輥磨自動(dòng)落輥程序（圖3）

將粉體公司技術(shù)專家及水泥廠技術(shù)人員提供的投料落輥步序及經(jīng)驗(yàn)梳理成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，通過ICE編程實(shí)現(xiàn)水泥輥磨的自動(dòng)投料落輥功能：當(dāng)具備投料條件時(shí)（磨機(jī)壓差大于設(shè)定值），根據(jù)水泥品種按一定的梯度自動(dòng)逐步加壓、加料、加風(fēng)，并時(shí)刻監(jiān)視磨機(jī)振動(dòng)、料層、溫度等關(guān)鍵參數(shù)；通過專家算法進(jìn)行工況辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料落輥。

2.2 APC智能控制系統(tǒng)

圖2 水泥輥磨一鍵啟停DCS界面

圖3 水泥輥磨自動(dòng)落輥程序

該系統(tǒng)能夠全工況自適應(yīng)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)，識(shí)別水泥品種和生產(chǎn)工況，自動(dòng)切換控制策略，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)，穩(wěn)定關(guān)鍵控制變量，實(shí)時(shí)監(jiān)控磨機(jī)狀態(tài)，在線實(shí)時(shí)分析細(xì)度。

通過自動(dòng)調(diào)節(jié)喂料量、自動(dòng)調(diào)節(jié)選粉機(jī)轉(zhuǎn)速（配備在線粒度分析儀）、自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和自動(dòng)調(diào)節(jié)冷熱循環(huán)風(fēng)閥，穩(wěn)定生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)量，減少異常停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泥粉磨的智能控制，降低單位電耗。

水泥輥磨智能控制系統(tǒng)DCS界面見圖4，水泥輥磨智能控制系統(tǒng)ICE界面見圖5。

2.3 在線粒度分析儀（圖6）

圖4 水泥輥磨智能控制系統(tǒng)DCS界面

圖6 在線激光粒度分析儀現(xiàn)場(chǎng)安裝

本系統(tǒng)選配英國(guó)XOPTIX在線粒度分析儀，通過在線粒度分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泥產(chǎn)品的粒度分布，包括：＜3μm、3～10μm、10～32μm、32～45μm、45～80μm、＞45μm、＞80μm以及水泥比表面積。

智能控制系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)掃描在線分析儀的實(shí)時(shí)細(xì)度數(shù)據(jù)，使風(fēng)量和喂料量實(shí)時(shí)保持在最佳狀態(tài)。系統(tǒng)的安全機(jī)制保證水泥磨生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定，避免異常工況的發(fā)生，從而達(dá)到提產(chǎn)降耗、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

3 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

（1）提高全工況系統(tǒng)投用率

智能控制系統(tǒng)特殊工況診斷及自動(dòng)處理功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)磨機(jī)和各倉(cāng)倉(cāng)位的狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別異常工況并且自動(dòng)采取措施，最大程度保證智能控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。水泥磨智能控制系統(tǒng)于2018年9月進(jìn)入連續(xù)試運(yùn)行階段，全工況下保持較高的投運(yùn)率。以9月最新投運(yùn)數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行KPI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全工況下智能控制系統(tǒng)投運(yùn)率在95%以上，如表1所示。

（2）提高穩(wěn)定性

系統(tǒng)投運(yùn)以后，穩(wěn)流倉(cāng)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了70%以上。穩(wěn)流倉(cāng)穩(wěn)定后，操作員可將倉(cāng)位設(shè)置在最佳點(diǎn)，既能保證產(chǎn)量最大，又能避免常規(guī)控制時(shí)的倉(cāng)位波動(dòng)過大，導(dǎo)致下料口堵塞而停磨的情況發(fā)生。投運(yùn)前后運(yùn)行曲線對(duì)比見圖7。

（3）提高水泥質(zhì)量合格率

表1 9月份ICE平臺(tái)軟件KPI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖7 智能優(yōu)化控制系統(tǒng)投用前后穩(wěn)流倉(cāng)料位波動(dòng)

水泥磨智能控制系統(tǒng)明顯改善了水泥質(zhì)量，有效降低了水泥45μm篩篩余的標(biāo)準(zhǔn)偏差，由0.97降低為0.75，比表面積合格率均為100%。在線粒度分析儀提供實(shí)時(shí)穩(wěn)定可信的粒度分布數(shù)據(jù)，同時(shí)為實(shí)時(shí)優(yōu)化控制選粉機(jī)提供依據(jù)，為保證水泥質(zhì)量提供實(shí)時(shí)參考。當(dāng)在線粒度分析儀測(cè)量到45μm篩篩余偏離設(shè)定范圍時(shí)，APC會(huì)及時(shí)調(diào)整選粉機(jī)，將45μm篩篩余調(diào)整到設(shè)定范圍內(nèi)，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。圖8展示了在線粒度分析儀所測(cè)的整體粒度分布。

（4）提產(chǎn)節(jié)能

圖8 在線粒度分析儀45μm篩篩余及比表面積數(shù)據(jù)與化驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比

水泥磨智能控制系統(tǒng)明顯地改善了水泥磨系統(tǒng)工況，使風(fēng)量、料量、輥磨做功達(dá)到一個(gè)最佳的平衡狀態(tài)，實(shí)時(shí)判斷磨機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)判斷磨況正常時(shí)，將喂料量進(jìn)行最大化控制，當(dāng)判斷磨況異常時(shí)，則進(jìn)行減產(chǎn)操作，因此可以在磨機(jī)做功狀態(tài)好的情況下，盡可能地提高產(chǎn)量，降低電耗。投用智能控制系統(tǒng)后，水泥磨生產(chǎn)較為穩(wěn)定，每班電耗指標(biāo)相對(duì)人工操作波動(dòng)較小，在相同配比的情況下，三大主機(jī)設(shè)備平均噸水泥電耗可降低1.1kWh左右?？刂葡到y(tǒng)投用前后電耗統(tǒng)計(jì)表（數(shù)據(jù)來源：水泥廠生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)）見表2。

（5）降低工作強(qiáng)度等

水泥磨智能控制系統(tǒng)的一鍵啟停功能，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，啟動(dòng)時(shí)間由人工操作15～20min縮短到8～10min，有效降低了主機(jī)設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低了電耗。

4 結(jié)語(yǔ)

中材水泥粉磨智能控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了公司水泥粉磨系統(tǒng)控制技術(shù)的智能化，提升了公司高端裝備的制造能力，可給用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，大大提升水泥生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化、信息化管理水平，有助于增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

表2 控制系統(tǒng)投用前后電耗統(tǒng)計(jì)表（數(shù)據(jù)來源：水泥廠生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)）