新型干法水泥生產過程控制策略優化

王汪洋

(武漢建筑材料工業設計研究院有限公司,湖北 武漢 430070)

新型干法水泥生產雖在工藝上有了很大的改進,明顯提高了優質性、環保性、高效性,但距離理想的均衡穩定狀態還有一段路程。多變量、強禍合的過程使系統的控制精度較低,水泥均衡溫度的生產以及熟料的質量很難保證,造成單位產量的能耗增加而勞動生產率下降。因此,提出粉磨過程的多模型的預測及優化系統,利用專家系統實現對回轉窯生產過程的聯合控制,對降低單位產量能耗,提高生產效率具有重要意義。

1 常規控制策略

1.1 粉磨過程常規控制策略

在烘干粉磨系統生產中,為使粉磨作業處于良好狀態,實現自動調節優化控制,計算機、自動化儀表、網絡通信技術的運用越來越廣泛。生料粉磨系統的自動控制實現極大地提高了后續工序的穩定性,準確的原料配比控制,確保粉磨機內的鐵粉、粘土、石灰石及其它校正原料的配比符合標準。其次調節粉磨機的物料喂入量,保障磨機負荷良好,可在最佳負荷點工作,以提高粉磨效率。

1.2 回轉窯系統常規控制策略

在窯內物料緞燒過程中,為維持最佳的熱工狀態與熱力分布,需密切關注各項工藝的熱工參數,燃料燃燒及氣流的溫度、不同溫度帶物料滯留時間等。回轉窯系統的主要被控參數有氮氧化物濃度、燒成帶溫度、窯尾溫度,主要控制參數有主排風機轉速、窯進煤量、回轉窯轉速。其中,燒成帶溫度和窯尾溫度是保證熱工過程穩定,常規控制策略主要有燒成帶溫度控制回路、窯尾溫度控制回路。

1.3 常規控制策略的局限性

水泥生產過程常規控制設立許多個獨立的自動控制調節回路,先進行單回路的調節控制,再鏈接這些回路以實現整個生產過程的控制。但水泥生產過程的輸入輸出變量多,并且他們之間存在著揭合關系,各控制器之間的常規控制是相互獨立的,很難應付強禍合、多變量的過程,導致系統的控制精度較低,難以確保水泥均衡溫度的生產及熟料的質量,使得勞動生產率降低、單位產量能耗提高。

2 生產過程控制策略優化

2.1 粉磨過程多模型預測及負荷控制策略優化

2.1.1 粉磨過程多模型預測控制模型策略

最常用的粉磨設備為球磨機,粉磨過程的被控變量是磨機負載,選粉機的出料流速操縱變量是喂料流速,選粉速率主要干擾變量是磨機內物料的硬度。非線性系統多模型預測控制策略能使粉磨機在不同的工況點穩定運行,避免“空磨”、“飽磨”現象。在此基礎上,可實現磨機負荷設定值的優化。

2.1.2 磨機負荷優化控制策略

研究表明,隨著磨機負荷的增大磨音特性曲線單調遞減,磨音變小、頻率降低,則磨機負荷增大,反之則減小。以磨音信號和磨機出入口壓差作為主控制參數,構成的控制回路作為系統的外環,外環根據磨機負荷控制回路的設定值與當前測量信號的偏差,應用磨機負荷優化控制器計算得到最優負荷值并以此作為設定值。由磨機系統與多模型預測控制器構成的磨機負荷控制回路作為系統的內環,內環應用多模型預測控制器與外環提供的設定值計算獲得當前最優輸入△U,并運用于粉磨過程,從而使球磨機的工作效率達到最高。

2.2 回轉窯生產過程控制策略優化

2.2.1 回轉窯生產過程專家系統控制策略

專家系統是一類包含知識和推理的智能計算機程序,是運用基于知識的程序設計方法搭建的計算機系統。它擁有某個特殊領域內專家的經驗與知識,即那些解決專業問題非常熟悉的人們。這種專門技術來源于處理問題的豐富經驗與扎實專業知識,并能像專家那樣運用這些知識,通過演算推理,對該領域內的問題作出決策。專家系統主要包括知識庫、知識獲取、推理機、推理咨詢等組成要素。

2.2.2 回轉窯生產過程的專家規則

操作員在判斷回轉窯工況時,一般關注溫度及功率(一般指電流或轉速的變動),并兼顧壓力的變化。回轉窯在穩定狀態下的控制程序是通過投產后實際摸索來確定的。窯系統的操縱變量主要有原料喂入量、窯轉速預熱器主排風機轉數和入口風門開度、蓖冷機三室通風量、窯進煤量分解爐入口三次風風門開度。在進行專家控制時,根據四項被控變量的上下限來檢驗它們的實際輸出值。

2.3 模型預測控制與專家系統組合控制策略

模型預測控制具有較強的抗干擾能力,控制器能快速抑制一些隨機擾動。在回轉窯系統中,隨機擾動包括生料的化學成分及細度、周圍環境的溫度及濕度、燃料質量的變化等。比如“窯皮脫落”問題會造成燒成帶溫度快速降低、反應不穩定,MPC控制器難以解決,預測模型產生了很大的變化。在MPC控制的基礎之上,合理運用現場操作員的知識與經驗,搭建專家系統,根據操作員模型與一系列規則,逐步調節直到被控變量恢復到原先的允許范圍內,使系統很快回到干擾前的狀態,控制器校正后反饋的預測模型跟原來的模型相比變化較小,計算出來的操縱變量增量也很小。

3 結語

新型干法水泥生產過程具有非線性、大時滯、時變以及多變量禍合等多個特點,用常規的控制策略解決這些問題有很大的難度,但通過專家系統與模型預測控制進行組合控制的控制策略卻能夠較輕松地解決,并能保障窯系統穩定地均衡運行,降低能耗,降低生產成本。