水泥回轉窯先進控制軟件設計與集成

孫莉

摘 要：提出建立專家規則得到回轉窯窯況的控制方案，對使用VC編寫的回轉窯先進控制算法流程及在DCS中的具體實現過程進行了詳細介紹。為避免DCS控制與本文控制算法發生沖突，進行了無擾切換的設計，介紹了控制算法的程序設計思路及界面設計。PID算法和回轉窯先進控制算法分別在現場實驗性運行。實驗性運行表明，回轉窯控制算法效果明顯比PID控制效果要好。

關鍵詞：窯況;模糊PID;專家規則;回轉窯;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線已經普遍采用了DCS控制系統。DCS已經成為水泥生產線的主流控制方式，只是根據各企業不同情況，或在具體的控制環節配置PLC，或在規模較大、自動化基礎比較完備的水泥企業開始融入PROFIBUS、FF等現場總線技術。對DCS，現場總線控制應用于水泥燒成系統的研究主要集中于文獻[1-4]。水泥熟料在回轉窯內的鍛燒過程，是一個包含物理變化、化學反應等復雜過程的多變量、多擾動、長滯后、時變及非線性過程。這給回轉窯系統的建模和控制都帶來了極大的困難。為了解決水泥預分解窯的控制難題，許多學者進行了大量相關研究。Jager[5-6]等研究了專家系統、過程控制系統和集散控制系統在水泥生產過程中的應用;Chiang[7]研究了水泥懸浮預熱回轉窯的模糊控制;Correcher[8]介紹了基于專家系統的水泥回轉窯故障診斷問題。

我國新型干法水泥生產線已經基本實現基礎自動化控制，但對水泥回轉窯系統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，對于水泥回轉窯的應用控制研究是非常有必要的。

1 回轉窯控制方案

1.l 參數選擇

在生料成分穩定的情況下，影響回轉窯熟料質量的因素主要是回轉窯內燒成帶溫度和窯況。窯況可以通過改變燒成帶溫度和窯速來消除其影響。在回轉窯控制過程中，通常在保證生料下料量，系統風量（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

正常生產時，為保證回轉窯內填充率的穩定，回轉窯窯速與生料下料量基本成正比。窯速還要根據窯況不同進行適當調整。為此我們設計了基于專家規則的窯速比值控制系統。

②燒成帶溫度控制

為解決回轉窯溫度控制超調量大、調節時間長等問題，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的PID控制結合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例、積分、微分系數，建立參數模糊規則表，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，回轉窯控制包括窯況識別模塊，燒成帶溫度設定模塊，燒成帶溫度軟測量模塊，模糊PID控制模塊和窯速控制模塊。切換開關是用于選擇采用本文基于專家規則的窯況識別模塊。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。所以我們設計了基于窯況、以專家規則的形式的燒成帶溫度設定模塊。

1.4 燒成帶溫度校正模塊

根據窯況的不同對燒成帶溫度設定值進行校正，建立了基于專家經驗的回轉窯燒成帶溫度設定值校正模塊。

根據專家經驗，本文得出如表1燒成帶溫度調整規則。

2 智能控制在DCS中的應用

將回轉窯先進控制算法采用VC編寫，利用soL服務器作為數據存儲和交換平臺，并完成規則庫的存儲。這樣就實現了算法程序與DCS之間的數據交換及控制了。下面介紹本控制算法在DCS中的具體實現過程。

（1） DCS控制/回轉窯先進控制切換

DCS是該系統的執行機構，系統通過DCS實現對現場設備的控制，從而達到調節參數，穩定系統運行狀態的目的。對現場設備的控制既可以通過回轉窯先進控制系統也可以在操作員站直接通過DCS進行控制，這樣在本控制系統的運行中就可能出現與操作員同時控制一個設備的情況，可能導致現場設備的誤動作，所以我們根據廠家要求，在DCS相應崗位的操作畫面中設有手自動轉換按鈕，用于回轉窯先進控制系統和操作員控制的切換，兩種方式的無擾切換是通過CBF組態軟件的一種選擇模塊實現。

（2）回轉窯先進控制算法實現

本算法采用VC工具，基于面向對象思想進行算法編程，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類包括回轉窯窯況識別，窯速比值控制，基于專家規則的窯速調整，基于專家規則的燒成帶溫度設定及模糊PID控制算法實現，PID三個參數的調整調用CFuzzy類的函數實現。控制算法流程如圖2所示。

（3）采樣時間的確定

本系統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，綜合考慮工藝要求和現場設備條件，取T-Imin作為系統采樣周期。

（4）模糊PID初始參數的整定

本文所設計的模糊自調整PID控制系統由兩部分組成：初始參數的整定部分和PID三參數的微調部分。在窯況穩定時，進行初始參數的整定。初始參數整定時，首先根據經驗值大致確定一組參數，然后采集現場實時數據，進行離線觀察調整。離線調整參數時，PID控制算法雖然連上OPCServer，但手自動按鈕設在手動，所以只是由DCS讀數據，而不會參與控制。

通過接口軟件的趨勢頁面或通過查詢數據庫觀察所整定的參數是否可以適合實際情況的變化。經過現場調試，整定的三個參數值分別為：P：0.0015，I：0.004，D：O.003，模糊PID輸出參數△KP，△Ki，△Kd所對應的比例因子分別為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控制參數設置界面，主要用于設置PID參數值，模糊控制參數值，以及相關的保護參數設置，如閾值，上下限等。圖3和圖4的參數都自動保存在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時進行參數設置。

圖4為窯速控制參數設置界面，用于設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。

圖5為控制方式選擇界面，當設置好燒成帶溫度控制參數和窯速控制參數后，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窯控制方式。在進行控制之前應首先進行窯況識別，在窯況識別較好時再投入算法進行控制。

圖6為水泥回轉窯控制監控界面。算法投入使用后，回轉窯主要可測數據從DCS通過OPC傳給算法程序，經過算法程序的計算，一方面將控制變量通過OPC傳回DCS，另一方面顯示在監控界面上，使我們一目了然。3智能控制應用效果

本文回轉窯控制算法在山水安丘二期熟料生產線進行了實驗性運行。由于燒成帶溫度無法直接測量，我們將代表熟料質量的f-Ca0（每小時檢測一次）含量和反應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%），熟料質量不穩定，f-Ca024小時平均含量為1.074，基本達到質量要求。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，能長時間穩定運行。由此可見，對比PID算法，顯然本文設計的回轉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控制系統中進行先進控制算法的實驗性運行。本文對回轉窯先進控制算法的應用進行了詳細的闡述，并與傳統的PID控制進行了對比。通過對比應用效果，得出如下結論：本文控制算法效果明顯比PID控制效果要好，能夠在保證熟料質量的前提下，減少煤耗，降低成本。

參考文獻

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