水泥熟料煅燒過程先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛美盛 王一豐 秦宇海

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院；2.江蘇龐景節(jié)能科技有限公司）

水泥熟料煅燒過程將生料預(yù)熱、分解后煅燒成熟料，是水泥生產(chǎn)過程的中心環(huán)節(jié)，其重要生產(chǎn)設(shè)備有預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯及篦冷機(jī)等。 水泥熟料煅燒過程的煤耗量幾乎占據(jù)了整個(gè)水泥生產(chǎn)過程的煤耗量［1～3］。

目前， 國內(nèi)絕大多數(shù)水泥企業(yè)已經(jīng)普遍采用DCS 系統(tǒng)對水泥生產(chǎn)工藝參數(shù)和設(shè)備實(shí)施測控［4］。 但由于水泥熟料煅燒過程具有多變量、強(qiáng)耦合、大慣性和大滯后的特性，所以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制十分困難，控制效果常常不佳。 目前，水泥熟料煅燒過程自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)往往只針對其中的某一個(gè)設(shè)備，較少對整體進(jìn)行優(yōu)化；控制算法大多采用常規(guī)PID 策略，控制效果難以滿足生產(chǎn)要求。

為了實(shí)現(xiàn)水泥熟料煅燒過程的自動(dòng)控制與優(yōu)化，需要考慮分解爐、回轉(zhuǎn)窯及篦冷機(jī)等設(shè)備的自身特性與相互影響，針對系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)先進(jìn)控制策略。 筆者以機(jī)架式服務(wù)器為硬件平臺(tái)，采用廣義預(yù)測控制算法、 選擇控制策略和OPC 技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套水泥熟料煅燒過程先進(jìn)控制系統(tǒng)。

1 水泥熟料煅燒工藝流程簡介

鶴壁市某水泥廠設(shè)計(jì)日產(chǎn)5kt 水泥熟料生產(chǎn)線采用五級(jí)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)預(yù)熱器、TSD 型分解爐和第3 代篦冷機(jī)。 水泥生料顆粒經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入分解爐預(yù)分解；隨后在回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行固相放熱反應(yīng)，生料顆粒變?yōu)橐合嗳廴隗w，形成熟料；最終在篦冷機(jī)中冷卻成固體。 其工藝流程如圖1所示。

圖1 水泥熟料煅燒工藝流程框圖

水泥熟料煅燒過程各生產(chǎn)環(huán)節(jié)相互影響、工況復(fù)雜多變，關(guān)鍵控制參數(shù)分解爐爐溫、篦冷機(jī)熟料料層厚度具有大滯后、大慣性、非線性及強(qiáng)耦合等特性。 原DCS 常規(guī)控制器大多無法投自動(dòng)，需要操作工手動(dòng)調(diào)節(jié)；該系統(tǒng)已投產(chǎn)運(yùn)行十余年，控制系統(tǒng)老舊，部分儀表精度不足，導(dǎo)致水泥熟料煅燒過程關(guān)鍵回路控制品質(zhì)不佳。

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 水泥熟料煅燒過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水泥熟料煅燒過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為操作員站和控制站兩部分。 操作員站由兩臺(tái)搭載Microsoft Windows Server 2003 的工控機(jī)組成，采用施耐德Monitor Pro 7.2 組態(tài)軟件， 其中一臺(tái)操作員站采用SQL Server 2000 完成整個(gè)水泥生產(chǎn)工藝的數(shù)據(jù)記錄。 控制站由Quantum 140 系列PLC 組成。 操作員站與控制站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接；控制站通過MB+電纜和中繼器與遠(yuǎn)程I/O 模塊通信， 各遠(yuǎn)程I/O 模塊采用INTERBUS組建。

2.2 水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于生產(chǎn)現(xiàn)場的計(jì)算機(jī)設(shè)備過于陳舊，為此添加一臺(tái)DELL PowerEdge R220 服務(wù)器作為先進(jìn)控制工作站，用以部署系統(tǒng)。 為了保證模塊的獨(dú)立性與用戶友好性，先進(jìn)控制系統(tǒng)分為用戶圖形界面、信息處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊（圖2）。用戶圖形界面實(shí)現(xiàn)用戶與先進(jìn)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互；信息處理模塊根據(jù)用戶圖形界面的控制要求提供數(shù)據(jù)處理與先進(jìn)控制器計(jì)算；數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS 系統(tǒng)的通信連接。軟件通過Matlab 實(shí)現(xiàn)。

圖2 水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)通信模塊

先進(jìn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場DCS 通過局域網(wǎng)連接，基于OPC DA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。 OPC DA 協(xié)議采用客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)， 以COM/DCOM 為技術(shù)基礎(chǔ)［5］。各硬件提供商根據(jù)硬件特性，將硬件驅(qū)動(dòng)程序按OPC 服務(wù)器格式封裝；只需將先進(jìn)控制工作站與DCS 操作員站連接在同一子網(wǎng)，各自按服務(wù)器與客戶端模式的要求正確配置COM/DCOM，即可通過OPC DA 協(xié)議建立連接，實(shí)現(xiàn)通信。

數(shù)據(jù)通信模塊首次與DCS 的OPC 服務(wù)器建立連接時(shí)，根據(jù)信息處理模塊的數(shù)據(jù)點(diǎn)表需求建立創(chuàng)建組對象與項(xiàng)對象，而后根據(jù)信息處理模塊的請求對各個(gè)項(xiàng)對象執(zhí)行讀寫操作，為信息處理模塊的信息處理提供服務(wù)。

2.2.2 信息處理模塊

信息處理模塊主要包括用戶圖形界面信息讀寫、數(shù)據(jù)通信模塊信息讀寫、參數(shù)配置文件讀取、數(shù)據(jù)濾波處理、先進(jìn)控制計(jì)算、控制器無擾切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)警處理。

信息處理模塊需要接收來自用戶圖形界面的各控制回路的設(shè)定值、控制量限幅值與投切指令，并將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)濾波值、先進(jìn)控制器計(jì)算的控制量和報(bào)警信息通過用戶圖形界面反饋給用戶。 根據(jù)用戶圖形界面的操作信息，信息處理模塊對來自數(shù)據(jù)通信模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算， 將結(jié)果再通過數(shù)據(jù)通信模塊寫入OPC 服務(wù)器，并讀取配置文件中的參數(shù)。 現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備與測量裝置情況復(fù)雜，一般需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍截?cái)嗯c均值濾波。 先進(jìn)控制器通過先進(jìn)控制算法解決常規(guī)控制器難以解決的系統(tǒng)控制問題。 在手動(dòng)/自動(dòng)控制器之間或不同自動(dòng)控制器之間切換時(shí)，需要將未投用的自動(dòng)控制器的被控量設(shè)定值置為測量數(shù)據(jù)濾波值，控制量置為手動(dòng)操作控制量或正在投運(yùn)的自動(dòng)控制器控制量。 均值濾波、控制器算法實(shí)現(xiàn)等計(jì)算與生產(chǎn)情況分析需要使用歷史數(shù)據(jù)，所以該模塊具有存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)信息的功能，以供相應(yīng)程序調(diào)用。 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，用戶不必頻繁操作，由系統(tǒng)對控制量與被控量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在異常工況發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

2.2.3 用戶圖形界面

用戶圖形界面的實(shí)現(xiàn)，使用戶能夠方便地發(fā)送操作的指令與數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；并且直觀地接收交互式系統(tǒng)的信息表示，了解反饋信息［6］。該水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)的用戶圖形界面如圖3 所示，共有5 部分：通信連接面板、報(bào)警畫面面板、篦冷機(jī)控制面板、分解爐爐溫控制面板和回轉(zhuǎn)窯溫度控制面板。

圖3 先進(jìn)控制系統(tǒng)用戶圖形界面

通信連接面板通過數(shù)據(jù)通信模塊建立或斷開與OPC 服務(wù)器的連接并顯示其狀態(tài)；報(bào)警畫面面板基于用戶選擇，對來自信息處理模塊的報(bào)警信息進(jìn)行顯示或暫停；各控制面板通過將被控量設(shè)定值、控制量限幅值與控制器投切信號(hào)傳遞給信息處理模塊，進(jìn)行控制器計(jì)算與投切處理。

3 先進(jìn)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

先進(jìn)控制器隸屬于信息處理模塊，是先進(jìn)控制系統(tǒng)的核心。 水泥熟料煅燒過程對象繁多、耦合嚴(yán)重，大多數(shù)對象具有大慣性、大滯后和非線性的特性， 難以設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與優(yōu)化；同時(shí)還存在原材料與燃料質(zhì)量不均、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差及關(guān)鍵參數(shù)測量困難等問題［7］。 筆者依據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，考慮各對象自身特性與相互關(guān)系，設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)控制器，通過合理選擇、分別控制各生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，以期實(shí)現(xiàn)水泥熟料煅燒各個(gè)子工藝過程的穩(wěn)定運(yùn)行，并提升整個(gè)水泥熟料煅燒過程的穩(wěn)定運(yùn)行水平。

由圖1 可知，物料經(jīng)由預(yù)熱器→分解爐→回轉(zhuǎn)窯→篦冷機(jī)， 但是熱風(fēng)氣流的順序是相反的，只有先把篦冷機(jī)料層控制穩(wěn)定住，才能讓它輸出的二、三次助燃熱風(fēng)溫度穩(wěn)定，從而為穩(wěn)定控制分解爐和回轉(zhuǎn)窯打下基礎(chǔ)。

3.1 篦冷機(jī)控制

回轉(zhuǎn)窯和分解爐的爐溫與各自的喂煤量直接相關(guān)，也受到二、三次風(fēng)風(fēng)溫的影響，所以通過調(diào)節(jié)喂煤量使回轉(zhuǎn)窯和分解爐的爐溫跟隨設(shè)定時(shí)，需要保證二、三次風(fēng)風(fēng)溫平穩(wěn)。 風(fēng)溫與一段篦冷機(jī)中熟料的料層厚度直接相關(guān)，故需要控制一段篦冷機(jī)料層厚度保持穩(wěn)定。 二、三段篦冷機(jī)料層厚度不影響風(fēng)溫，所以保證二、三段篦冷機(jī)料層厚度不損壞篦冷機(jī)即可。

在原控制方案中，操作工通過二室篦床壓力判斷熟料料層厚度， 手動(dòng)調(diào)節(jié)一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)料層厚度穩(wěn)定；二、三段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持恒定，僅起到推走熟料的作用。 一段篦冷機(jī)料層厚度控制回路的慣性時(shí)間、 滯后時(shí)間很大，手動(dòng)控制難以給定大小合適的操作量，導(dǎo)致料層厚度波動(dòng)劇烈，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

篦冷機(jī)控制回路對一段篦冷機(jī)料層厚度采用選擇控制，對二、三段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速采用比值控制，具體如圖4 所示。

圖4 篦冷機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

對于一段篦冷機(jī)控制，考慮到采用二室篦床壓力作為被控量會(huì)導(dǎo)致滯后時(shí)間常數(shù)過大，所以在料層黏稠度較低時(shí)，選擇篦冷機(jī)中滯后時(shí)間較小的G11 風(fēng)機(jī)電流作為被控變量。

由于需要根據(jù)料層黏稠度選擇執(zhí)行不同的控制回路， 故一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速控制器內(nèi)采用選擇控制結(jié)構(gòu)。 選擇控制結(jié)構(gòu)在控制回路中引入選擇器， 可以進(jìn)行多種被控變量測量值或控制器的選擇［8］。 將G11 風(fēng)機(jī)電流測量值與二室篦床壓力濾波值的比值作為料層黏稠度表征值。 在表征值不過高的情況下，選用滯后時(shí)間較小的G11風(fēng)機(jī)電流作為被控對象調(diào)節(jié)一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速；在表征值較高的情況下，選用二室篦床壓力作為被控對象。

本系統(tǒng)中，當(dāng)料層黏稠度表征值不大于0.34時(shí)，采用G11 風(fēng)機(jī)電流PID 控制器，其比例系數(shù)Kp取0.500、積分時(shí)間常數(shù)Ti取25s、微分時(shí)間常數(shù)Td取0.01s；當(dāng)表征值大于0.34 時(shí)，采用二室篦床壓力PID 控制器，其比例系數(shù)Kp取0.007、積分時(shí)間常數(shù)Ti取120s、 微分時(shí)間常數(shù)Td取0.10s。PID 控制器均為增量式，控制周期均取10s。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料的生產(chǎn)情況也會(huì)對回轉(zhuǎn)窯出料量造成影響， 導(dǎo)致一段篦冷機(jī)未來入料量波動(dòng)，所以控制器內(nèi)采用了靜態(tài)前饋控制，使得一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速控制量能夠克服穩(wěn)態(tài)情況下窯內(nèi)生產(chǎn)情況帶來的干擾。 一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速控制器以窯電流均值變化量乘以固定增益0.1 作為前饋，與PID 控制器的計(jì)算結(jié)果相加作為最終一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速給定值，并輸入DCS 系統(tǒng)。

對于二、三段篦冷機(jī)，選擇比值控制使這兩段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速以各自比值跟隨一段篦冷機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)監(jiān)控二、 三段篦床壓力不大于各自安全上限。 若該段篦床壓力最大值不大于其規(guī)定上限，則選擇較小比值；若該段篦床壓力最大值大于其規(guī)定上限，則選擇較大比值。 本系統(tǒng)中，二段篦床壓力不大于其上限設(shè)定值時(shí)，比值參數(shù)取1.5；二段篦床壓力大于其上限設(shè)定值時(shí)， 比值參數(shù)取1.8。 三段篦床壓力不大于其上限設(shè)定值時(shí)，比值參數(shù)取2.0；三段篦床壓力大于其上限設(shè)定值時(shí)，比值參數(shù)取2.2。 控制周期均取10s。

3.2 回轉(zhuǎn)窯控制

回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)溫度對水泥熟料產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響。 現(xiàn)場回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)溫度測量值的精度僅為4℃，無法作為被控變量，所以現(xiàn)場選擇回轉(zhuǎn)窯窯頭喂煤量作為被控變量。

在現(xiàn)場DCS 系統(tǒng)中，已經(jīng)設(shè)有窯頭喂煤轉(zhuǎn)子秤PID 控制回路。 但轉(zhuǎn)子秤計(jì)量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致喂煤量實(shí)際值并不穩(wěn)定。 窯頭喂煤風(fēng)壓可以反映實(shí)際窯頭喂煤量，所以現(xiàn)場操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)窯頭喂煤風(fēng)壓測量值以穩(wěn)定窯頭喂煤量的實(shí)際值，致使窯頭喂煤量實(shí)際值波動(dòng)較大。

回轉(zhuǎn)窯窯頭喂煤風(fēng)壓控制回路采用PID 控制策略，將DCS 系統(tǒng)中的窯頭喂煤量設(shè)定值作為控制量，將窯頭喂煤風(fēng)壓測量值的均值濾波值作為被控量。 DCS 系統(tǒng)的喂煤轉(zhuǎn)子秤PID 控制回路作為內(nèi)回路，整體形成串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。 通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)喂煤量設(shè)定值，保證窯頭喂煤量實(shí)際值的穩(wěn)定。 回轉(zhuǎn)窯控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 回轉(zhuǎn)窯控制結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中，窯頭喂煤風(fēng)壓PID 控制器的比例系數(shù)Kp取0.500、積分時(shí)間常數(shù)Ti取10s、微分時(shí)間常數(shù)Td取0.05s，控制周期取5s。

3.3 分解爐控制

當(dāng)水泥生料喂料量為定值時(shí)，分解爐爐溫對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)水泥熟料的質(zhì)量影響較大，故分解爐爐溫的穩(wěn)定對水泥熟料質(zhì)量至關(guān)重要。

在原控制方案中，操作工通過改變分解爐喂煤量來調(diào)節(jié)分解爐爐溫。 由于分解爐爐溫控制回路的滯后時(shí)間很長，喂煤量保持不變的情況下爐溫波動(dòng)往往很大。 針對分解爐對象存在的問題，分解爐控制回路選擇工程背景強(qiáng)、對時(shí)滯和階次變化魯棒性強(qiáng)的廣義預(yù)測控制算法（GPC）［9～11］作為控制律。 分解爐控制結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 分解爐控制結(jié)構(gòu)框圖

為了保證控制器在測量設(shè)備異常時(shí)仍然可以運(yùn)行，用戶可將五級(jí)下料管出口溫度作為可選被控對象，根據(jù)現(xiàn)場儀表運(yùn)行情況以及測量值與窯電流的相關(guān)性進(jìn)行選擇切換。 筆者通過分析歷史數(shù)據(jù)，采用遞推最小二乘法辨識(shí)分解爐出口溫度與分解爐喂煤量、五級(jí)下料管出口溫度與分解爐喂煤量的差分方程模型， 并用于GPC 控制計(jì)算。 由于常規(guī)GPC 算法會(huì)對高維矩陣在線求逆，計(jì)算量過于龐大，因此筆者采用階梯式廣義預(yù)測控制（SGPC）算法，通過引入階梯因子，將常規(guī)GPC 算法中的高維矩陣求逆變成向量、 標(biāo)量運(yùn)算，大幅降低了計(jì)算量［12］。

分解爐出口溫度與分解爐喂煤量的差分方程模型為：

y1（k）=0.4033·u（k-21）+0.9769·y1（k-1）

式中 u（k-21）——21 個(gè)控制周期前的分解爐喂煤量，t/h；

y1（k）——當(dāng)前分解爐出口溫度，℃；

y1（k-1）——上一控制周期的分解爐出口溫度，℃。

其SGPC 控制器參數(shù)為：控制周期3s，預(yù)測步長80，控制步長20，柔化因子0.98，階梯因子1，控制量權(quán)重因子15。

五級(jí)下料管出口溫度與分解爐喂煤量的差分方程模型為：

y2（k）=0.2983·u（k-21）+0.9878·y2（k-1）

式中 y2（k）——當(dāng)前五級(jí)下料管出口溫度，℃；y2（k-1）——上一控制周期的五級(jí)下料管出口溫度，℃。

其SGPC 控制器參數(shù)為：控制周期3s，預(yù)測步長80，控制步長20，柔化因子0.99，階梯因子1，控制量權(quán)重因子10。

4 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)效果

筆者設(shè)計(jì)的水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)成功應(yīng)用在鶴壁市某水泥廠。 重要工藝參數(shù)的優(yōu)化效果較明顯。 二室篦床壓力投運(yùn)前后的控制效果對比如圖7 所示，該變量設(shè)定值為4.8kPa，投運(yùn)前水泥熟料煅燒過程運(yùn)行4 000s 的二室篦床壓力絕對誤差積分（IAE）為1 137.7，投運(yùn)后IAE為350.4。分解爐出口溫度投運(yùn)前后的控制效果對比如圖8 所示，該變量設(shè)定值為865℃，投運(yùn)前水泥熟料煅燒過程運(yùn)行4 000s 的分解爐出口溫度IAE為25 815，投運(yùn)后IAE為6 702。

圖7 二室篦床壓力控制效果對比

圖8 分解爐出口溫度控制效果對比

回轉(zhuǎn)窯窯頭喂煤風(fēng)壓投運(yùn)前后的控制效果對比如圖9 所示，該變量設(shè)定值為24.5kPa，投運(yùn)前水泥熟料煅燒過程運(yùn)行4 000s 的回轉(zhuǎn)窯窯頭喂煤風(fēng)壓IAE為640.4，投運(yùn)后IAE為366.0。 回轉(zhuǎn)窯窯電流均值投運(yùn)前后的控制效果對比如圖10所示，投運(yùn)前水泥熟料煅燒過程運(yùn)行4 000s 的窯電流標(biāo)準(zhǔn)差為45.9A，投運(yùn)后為19.4A。

圖9 回轉(zhuǎn)窯窯頭喂煤風(fēng)壓控制效果對比

圖10 回轉(zhuǎn)窯窯電流均值控制效果對比

5 結(jié)束語

針對目前水泥熟料煅燒工藝自動(dòng)化程度低、工況波動(dòng)大的問題，筆者以鶴壁市某水泥廠實(shí)際生產(chǎn)工況為背景， 在其原有DCS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于廣義預(yù)測控制和選擇控制策略，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)。 實(shí)際投運(yùn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定各生產(chǎn)設(shè)備的重要過程參數(shù)與系統(tǒng)的整體工況，同時(shí)簡化了操作人員的工作，生產(chǎn)自動(dòng)化程度有所提升。