仿人思想在水泥篦冷機環節的開發與應用

師留剛，夏中清，楊中強，梁曉林

仿人思想在水泥篦冷機
環節的開發與應用

師留剛11，夏中清22，楊中強33，梁曉林44

針對篦冷機滯后性強、系統非線性、無法直接觀測料層厚度等工藝難點，文中提出運用仿人控制的思想，設計基于規則的單控制量仿人智能控制器，并開發相應的軟件。該控制器實際運行結果表明，仿人控制器在運行中不僅節省人工投入，實現了自動控制，而且可將篦冷機的風室壓力控制在一定范圍內，使工況更加穩定。

篦冷機；仿人控制；DCS

熟料的冷卻是水泥生產工藝中非常重要的環節，它的主要作用是降低出窯熟料的溫度，提高熟料質量，促進熱量回收。而這些作用的實現主要依賴于篦冷機的穩定運行[1-2]。在水泥的實際生產中，由于測點有限、工況變化頻繁，導致整個冷卻系統具有非線性、強耦合、大滯后以及時變性的特點，所以篦冷機的控制是水泥生產中較難突破的熱點[3]。目前國內的水泥生產線中，對篦冷機的控制仍采用人工控制方式。

雖然在科學研究中，仿真效果好的算法很多，但在實際工程中，人工控制在很多方面都無法取代[4-6]。在現實中，人類思維不僅可以建立比較明確的先驗知識，也可以自主融合各個學科的知識，在理想情況下，可以實現較為穩定并且優秀的控制。如果計算機能夠模仿人的控制，就可以在不了解各參數數據特點的情況下進行有效的控制，并通過不斷地變換控制策略來實現智能控制[7]。

基于上述現實，筆者以山水集團平陰分公司DCS系統為基礎，設計了第三代往復推動式篦冷機風機和篦速自動控制系統。

1　水泥篦冷機工藝分析

在水泥生產過程中，回轉窯內的熟料從窯頭緩慢滑入篦冷機，這時熟料溫度在1 400℃左右。篦冷機從風室向上鼓風，使熟料在篦床內迅速冷卻，冷卻可以使熟料中的礦物元素迅速結晶并快速穩定。與此同時，冷卻熟料風的一部分被送入回轉窯和分解爐加以利用，剩余的熱風通過余熱發電實現能量再利用。

2　篦冷機自動控制系統設計

2.1仿人智能思想

仿人智能控制就是利用人類的經驗和知識，運用計算機語言化對人類神經決策系統進行模仿，最早是由重慶大學周其鑒教授、柏崇國教授等提出的。自仿人智能控制提出以來，就開始應用于各個領域，它不需明確參數之間的邏輯關系，只需要依據人類的經驗知識，因此這種控制思想也逐步在一些控制中充分顯示了它的優越性。

仿人智能控制在控制中一般分為特征模型、特征記憶、特征辨識、控制（決策）模態集合、啟發與直覺推理規則幾部分。

2.2控制系統整體方案

按照冷卻系統控制需求，需要通過OPC從DCS過程站采集數據存儲到數據庫中，然后優化軟件再從數據庫中讀取數據進行計算，最后再通過OPC寫回DCS過程站中，具體框架如圖1所示。

圖1　水泥熟料控制系統軟件數據交互

圖2　OPC的建立

2.3OPC配置

OPC網關需要在CBF組態軟件中進行新建和打開讀寫權限的操作，具體如圖2所示。

2.4數據采集系統和數據庫的開發

數據采集系統主要實現DCS與數據的交互，在這過程中，首先確定OPC Sever名稱，然后與數據讀映射連接，生成OPC Group，表中每個列即OPC Item，然后進行數據通訊。

數據庫采用微軟公司的SQL SEVER2000數據庫，此數據庫較為穩定，并支持在WINDOWS上運行與開發，是較為典型的關系型數據庫。數據庫的記錄以表的形式存放。

2.5自動控制系統的開發

根據仿人智能思想的過程，首先必須確定特征模型Φ。在山水平陰水泥廠中，根據篦冷機工作的特點，一風室篦下壓力分為很高、較高、稍高、稍低、較低、很低以及掉窯皮7個特征模型，對應的特征記憶量記為設定值+1 000、設定值+700、設定值+500、設定值-200、設定值-400、設定值-600以及篦壓9 000Pa等7種?？刂频闹饕兞繛轶骼錂C篦速，主要觀測變量只有一個——一風室篦下壓力。因此特征辨識主要采取篦壓辨識，則特征模型Φ中擁有特征狀態和采取的控制決策ψ，如表1。

表1　特征狀態和控制決策

記憶特征集合設計完后，接下來要完善控制決策集合，即規則庫ψ，用ψi：Fi?IF（條件）THEN（操作）表達。u為控制輸出。

在穩定工況下，控制器設計為“超過閾值就動作，小于閾值馬上回調”的形式，以正步長1為例，則IF 500≤e≤700 THEN u=λ4；IF 500≥e THEN u=u-λ4

在這種情況下，每次判斷每次的動作根據正常工況的7個特征向量，則有6個穩定控制模態操作，依次為：

ψ1：IF 500≤e≤700 THEN u=λ4；

ψ2：IF 700≤e≤1 000 THEN u=λ4+λ5；

ψ3：IF 1000≤e≤max THEN u=λ4+λ5+λ6；

ψ4：IF-200≤e≤-400 THEN u=λ7；

ψ5：IF-400≤e≤-600 THEN u=λ7+λ8；

ψ6：IF-600≥e THEN u=λ7+λ8+λ9。

當輸出量達到最大（?。┬谐虝r（ψ7或ψ8），以上狀態均不起作用，不會再判斷，直到有下降情況。當篦壓達到max，則直接將篦床速度加快到最大值λ10（這種情況一般掉窯皮的時候才會出現）。當出現掉窯皮的情況時（ψ9），一旦誤差比最大值小則運用抑制超調的思想，根據操作經驗我們取穩定狀態的輸出即IF e≤max THEN u=λ1并且之前模態操作下的操作標志位重新清零計算。

2.6軟件的整體設計

該自動控制系統的算法部分主要通過VC++6.0編寫，將整個自動控制系統軟件裝到工程師站上，使用者通過密碼的認證后就可以啟動自動控制軟件，在此過程中首先應在篦冷機中制作接口程序（如圖3）。

2.7工程應用

圖3　手動自動切換接口

圖4　篦冷機手動控制曲線圖

圖5　篦冷機自動控制曲線圖

將該自動控制系統應用到山水平陰水泥廠5 000t/d生產線上，篦冷機一段篦壓控制曲線如圖4和圖5所示。其中圖4為手動控制，圖5為自動控制。

由圖4、圖5可以看出，自動狀態下，篦冷機篦壓波動效果顯著減小，有利于工況穩定，從而促進熟料質量變好。

3　結語

本文將仿人智能控制思想運用到水泥生產篦冷機環節的控制上，并根據山水平陰水泥廠的工況人為設定好一系列控制規則，設計了自動控制系統，實現了對篦冷機的自動控制。與原來的人工控制相比，省時省力，并且減少了波動范圍，具有一定的使用價值。

[1]范開俊，金曉明.水泥生產生料配料過程控制綜述[J].硅酸鹽通報，2008，27（4）:759-765.

[2]張加良.新型干法水泥生產線燒成與冷卻過程控制研究[D].濟南:自動化與電氣工程學院，2011.

[3]吳姝芹，王孝紅，申濤，等.先進控制在熟料冷卻系統中的應用[J].中國水泥，2007，（5）:55-57.

[4]蔣佩汪，賴旭芝，曹衛華，等.火道目標溫度優化設定模型研究及其應用[J].計算機測量與控制，2001，23（10）:30-33.

[5]羅健旭，邵惠鶴.軟測量建模數據的過失誤差偵破——一種基于聚類分析的方法[J].儀器儀表學報，2005，26（3）:239-241.

[6]Alexander Fax J,Richard M Murray.Information flow and cooperative control of vehicle formations.IEEE Transactions on Automatic Control. 2004.

[7]張利建.仿人智能控制算法研究[D].青島:青島科技大學，2007.

Research and Application of the Human Simulated Intelligence on Cement Cooleerr

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2016-07-06；編輯：呂光