水泥熟料煅燒過程先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

薛美盛 路元森 左佳斌 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)院自動化系；2.江蘇龐景節(jié)能科技有限公司）

水泥工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是我國繼電力、鋼鐵之后的第三大用煤大戶。數(shù)據(jù)顯示，煤耗占水泥熟料成本的50%～55%。截止到2020年年底，全國共有新型干法水泥生產(chǎn)線1 609條，熟料設(shè)計產(chǎn)能為18.4億噸，實際產(chǎn)能超過20億噸。2020年，熟料實際產(chǎn)量為15.79億噸，按照實際產(chǎn)能計算，產(chǎn)能利用率為77.5%。 產(chǎn)能利用率水平仍未達(dá)到合理區(qū)間［1］。 我國水泥工業(yè)整體能耗居高不下，產(chǎn)能浪費嚴(yán)重，需要提高生產(chǎn)技術(shù)含量和產(chǎn)品價值，目前降低煤耗是水泥企業(yè)節(jié)約成本、實現(xiàn)綠色發(fā)展的首要任務(wù)。

水泥熟料煅燒是一個多變量、大滯后、非線性、強(qiáng)耦合過程。 其中，分解爐爐溫與篦冷機(jī)熟料料層厚度等變量控制難度高，常導(dǎo)致整個過程工況難以保持穩(wěn)定，余熱回收效率低，先進(jìn)控制技術(shù)有望解決這一難題。 筆者以機(jī)架式服務(wù)器為硬件平臺，采用廣義預(yù)測控制算法結(jié)合前饋控制策略穩(wěn)定了爐溫和篦冷機(jī)料層厚度，設(shè)計并實現(xiàn)了一套水泥熟料煅燒過程先進(jìn)控制系統(tǒng)，在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果。

1 水泥熟料煅燒過程工藝

某廠設(shè)計年產(chǎn)量為4 000 t的水泥熟料生產(chǎn)線采用五級旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)預(yù)熱器、TSD型分解爐、水泥回轉(zhuǎn)窯和第4代篦冷機(jī)，其工藝流程如圖1所示。 由生料磨研磨后的水泥生料經(jīng)五級預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入分解爐進(jìn)行預(yù)分解，而后在回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行固相放熱反應(yīng)，變?yōu)槌室合嗟娜廴隗w，形成水泥熟料，熟料經(jīng)回轉(zhuǎn)窯煅燒后到達(dá)篦冷機(jī)進(jìn)行冷卻，最后進(jìn)入熟料庫。 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)耦合等特點，傳統(tǒng)控制算法難以保持工況穩(wěn)定，能量的回收利用較為困難。

圖1 新型干法水泥煅燒過程工藝流程

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

2.1 水泥熟料煅燒過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計的現(xiàn)場水泥熟料煅燒過程控制系統(tǒng)分為上位機(jī)、下位機(jī)兩部分。 其中上位機(jī)由兩臺搭載Microsoft Windows Server 2008系統(tǒng)的工控機(jī)組成， 每臺工控機(jī)都采用HOLLiAS MACS V6.5.2作為組態(tài)軟件。MACS V6.5.2具有強(qiáng)大而多樣的功能。

由于現(xiàn)場的計算機(jī)過于陳舊，所以又添加了一臺DELL PowerEdge R220服務(wù)器作為先進(jìn)控制工作站，在其上安裝先進(jìn)控制系統(tǒng)軟件。 先進(jìn)控制操作站負(fù)責(zé)基礎(chǔ)回路控制，另外兩臺工控機(jī)作為操作員站和工程師站，完成熟料煅燒過程的監(jiān)控。 下位機(jī)由HOLLiAS MACS-K系列PLC組成。上、下位機(jī)間通過PROFIBUS總線進(jìn)行通信連接，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場水泥熟料煅燒過程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

先進(jìn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場集散控制系統(tǒng)通過局域網(wǎng)連接，基于OPC DA協(xié)議進(jìn)行通信。OPC DA協(xié)議采用C/S（客戶端/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，以COM/DCOM為技術(shù)基礎(chǔ)［2］。 各硬件提供商根據(jù)硬件特性，將硬件驅(qū)動程序按OPC服務(wù)器格式進(jìn)行封裝；先進(jìn)控制系統(tǒng)操作站與集散控制系統(tǒng)操作站連接在同一子網(wǎng)，按服務(wù)器與客戶端模式要求正確配置COM/DCOM， 即可通過OPC DA協(xié)議建立連接，實現(xiàn)通信。

COM/DCOM配置完成后， 采集數(shù)據(jù)的OPC變量點表并進(jìn)行讀寫測試，在工程師站進(jìn)行心跳變量配置，心跳變量改變即正常通信，規(guī)定時間內(nèi)無變化則為通信失敗。

2.3 用戶圖形界面

用戶圖形界面的實現(xiàn)，方便了用戶發(fā)送操作指令與數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機(jī)交互；同時也方便了用戶接收交互式系統(tǒng)信息，及時了解反饋信息［3］。水泥熟料煅燒過程先進(jìn)控制系統(tǒng)的用戶圖形界面如圖3所示，包括以下幾個部分：通信連接操作與狀態(tài)面板、報警畫面面板、參數(shù)控制面板、篦冷機(jī)控制面板、斗提電流控制面板、窯頭負(fù)壓控制面板、分解爐爐溫控制面板、C1出口負(fù)壓控制面板和高 溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓控制面板。

圖3 水泥熟料煅燒過程用戶界面

3 先進(jìn)控制器設(shè)計和實現(xiàn)

先進(jìn)控制器是先進(jìn)控制系統(tǒng)的核心部分。 水泥熟料煅燒過程具有非線性、大滯后、多變量及強(qiáng)耦合等特點，關(guān)鍵性的分解爐爐溫、篦冷機(jī)熟料料層厚度等變量常常不能得到有效控制。 二、三次風(fēng)在水泥熟料生產(chǎn)中不僅是煤粉燃燒的氧氣供應(yīng)者，也是回轉(zhuǎn)窯、分解爐的重要熱源，更是物料在分解爐中完成懸浮、混合、旋噴及擴(kuò)散等多重任務(wù)的動力源泉，具有三重重要意義［4］。如果上述變量不能穩(wěn)定控制，二、三次風(fēng)就難以發(fā)揮其作用。 筆者根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工況，分析工藝特性，理論結(jié)合實際，設(shè)計了一套先進(jìn)控制器，整定相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)對水泥熟料煅燒過程的穩(wěn)定控制和節(jié)能優(yōu)化。

3.1 分解爐爐溫控制

分解爐出口溫度關(guān)系到燃料燃燒效率和物料分解效率，用于判斷分解爐內(nèi)部的助燃?xì)饬髂芊窬S持正常燃燒，是新干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的重要指標(biāo)參量。 分解爐內(nèi)部煤粉和生料的燃燒分解是非線性、多耦合、高度復(fù)雜的反應(yīng)過程，包含眾多化學(xué)和物理反應(yīng)過程，因此影響分解爐爐溫的因素較多。 通過對機(jī)理與工藝的分析研究，分解爐爐溫主要受喂煤量、生料下料量、三次風(fēng)溫和尾煤風(fēng)壓影響。

3.1.1 窯尾喂煤量影響

煤粉在稱量后經(jīng)過分解爐中部喂煤口進(jìn)入分解爐。 煤粉燃燒的放熱過程為碳酸鹽的分解提供熱能，因此喂煤量對于分解爐系統(tǒng)的運行至關(guān)重要。 隨著喂煤量的增加，爐內(nèi)的燃燒過程逐漸加劇，出口溫度呈上升的態(tài)勢；反之，爐內(nèi)燃燒反應(yīng)會減緩，出口溫度下降，此時為氧化氣氛。 隨著喂煤量的增加，分解爐溫度降低，此現(xiàn)象為CO含量超標(biāo)引起，此時進(jìn)入還原氣氛，需進(jìn)行減煤操作，退出還原反應(yīng)。 故喂煤量為系統(tǒng)的主要控制量。

3.1.2 生料下料量影響

生料由提升機(jī)運輸至旋風(fēng)筒中，由喂料口進(jìn)入爐中。 當(dāng)生料量過大時，需要燃煤釋放更多的熱量使其自身受熱分解，若能量不足，會導(dǎo)致爐內(nèi)溫度下降，造成塌料，引起堵塞設(shè)備等問題。 當(dāng)生料量過小時，分解爐內(nèi)部易過熱，發(fā)生物料粘附，影響生產(chǎn)并造成煤炭資源的浪費。 生料下料會因設(shè)備的抖動發(fā)生波動，真實入窯的下料量體現(xiàn)在下料提升機(jī)電流數(shù)值上。 故以生料提升機(jī)電流的變化作為干擾量。

3.1.3 三次風(fēng)溫影響

三次風(fēng)來源于篦冷機(jī)，通過分解爐的專用風(fēng)管進(jìn)入爐中，三次風(fēng)溫的變化會直接影響分解爐爐溫的高低。 由于三次風(fēng)溫受到多方面的影響，且在穩(wěn)定時不會劇烈變化，所以將三次風(fēng)溫的變化作為干擾量考慮。

3.1.4 尾煤風(fēng)壓影響

分解爐喂煤送入爐內(nèi)的風(fēng)壓大小，代表當(dāng)前時刻真實進(jìn)入分解爐內(nèi)的喂煤量， 在設(shè)備穩(wěn)定時，尾煤風(fēng)壓不會發(fā)生劇烈變化，故將尾煤風(fēng)壓作為干擾量考慮。

綜上， 確定窯尾喂煤量控制分解爐爐溫，生料下料斗提電流、三次風(fēng)溫和尾煤風(fēng)壓為前饋量進(jìn)行前饋控制［5］。 考慮到需要對分解爐爐溫進(jìn)行精確控制，而分解爐爐溫控制回路普遍存在大慣性、大滯后的特點，常規(guī)控制器難以滿足其控制精度要求， 因此選擇階梯式廣義預(yù)測控制算法［6］作為預(yù)測控制器的核心算法。 分解爐爐溫控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 分解爐爐溫控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)分別建立窯尾喂煤和分解爐爐溫的差分方程模型，采用階梯式廣義預(yù)測控制算法，選取控制周期5 s，預(yù)測步長80步，控制步長20步，柔化因子取0.987 5，階梯因子取1，控制量權(quán)重因子取570［7～9］。

3.2 篦冷機(jī)熟料料層厚度控制

通過分解爐爐溫控制回路了解到二、三次風(fēng)溫的重要作用， 分解爐爐溫與喂煤量直接相關(guān)，同時又受到二次風(fēng)溫的影響，所以通過調(diào)節(jié)分解爐喂煤量使分解爐爐溫跟隨設(shè)定保證二次風(fēng)溫平穩(wěn)。 而二次風(fēng)溫與篦冷機(jī)中熟料料層厚度直接相關(guān)，故需要使料層厚度保持穩(wěn)定。 風(fēng)機(jī)出口壓力的影響因素有結(jié)粒大小、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和熟料料層厚度。 結(jié)粒大小和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在正常工況下保持不變，故用風(fēng)機(jī)出口壓力來表征熟料料層厚度。 一段篦冷機(jī)離窯頭更近，滯后性相比二段篦冷機(jī)更小，反映當(dāng)前工況更加及時，故選擇用篦冷機(jī)推速來控制一段篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)出口壓力。

實際控制過程中一段篦床壓力與篦冷機(jī)推速之間的滯后時間較長， 采用PID控制雖然較手動而言更為穩(wěn)定，但效果仍不理想，因此選擇階梯式廣義預(yù)測控制算法作為預(yù)測控制器的核心算法。 由于窯電流振幅的變化會導(dǎo)致篦冷機(jī)未來入料量的波動，故以窯電流作為前饋量進(jìn)行前饋控制。

篦冷機(jī)熟料料層厚度控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 篦冷機(jī)熟料料層厚度控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)分別建立篦冷機(jī)推速和一段篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)出口壓力的差分方程模型，采用階梯式廣義預(yù)測控制算法，選取控制周期10 s，預(yù)測步長60步，控制步長10步，柔化因子取0.986 5，階梯因子取1，控制量權(quán)重因子取80。

3.3 生料下料斗提電流控制

下料量直接影響分解爐內(nèi)的分解情況，影響分解爐爐溫，必須保證下料斗提電流的穩(wěn)定。現(xiàn)場生料下料設(shè)備有轉(zhuǎn)子秤和皮帶秤。 如果只用下料的閥門開度來控制下料斗提電流， 則時延較長且受到二次干擾嚴(yán)重， 故選取控制量閥門開度和被控量生料下料量作為內(nèi)回路， 選取控制量為生料下料量和被控量為生料下料斗提電流作為外回路，構(gòu)成串級控制回路。 由于串級控制系統(tǒng)的副回路是隨動控制系統(tǒng)， 具有一定的自適應(yīng)性， 在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。 生料下料斗提電流控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 生料下料斗提電流控制結(jié)構(gòu)框圖

在本控制系統(tǒng)中， 內(nèi)外回路參數(shù)取值不同，內(nèi)回路生料下料量PID控制器參數(shù)為： 比例系數(shù)Kp取0.5，積分時間常數(shù)Ti取600 s，微分時間常數(shù)Td取0 s，控制周期取10 s；外回路生料斗提電流PID控制器參數(shù)為：比例系數(shù)Kp取1.25，積分時間常數(shù)Ti取50 s，微分時間常數(shù)Td取0.01 s，控制周期取10 s。

3.4 水泥熟料煅燒過程負(fù)壓控制

窯頭負(fù)壓表征窯內(nèi)通風(fēng)和入窯二次風(fēng)之間的平衡。 正常生產(chǎn)中， 窯頭負(fù)壓保持在-40 Pa左右，不允許窯頭出現(xiàn)正壓，否則窯內(nèi)細(xì)粒熟料飛出、窯頭密封磨損、影響人身安全及環(huán)境衛(wèi)生、對窯頭比色高溫計等儀器不利，甚至窯內(nèi)通風(fēng)變?yōu)椴徽！?故采用頭排風(fēng)機(jī)來控制窯頭負(fù)壓穩(wěn)定。

窯頭負(fù)壓控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 窯頭負(fù)壓控制結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中，窯頭負(fù)壓PID控制器參數(shù)為：比例系數(shù)Kp取0.145，積分時間常數(shù)Ti取25 s，微分時間常數(shù)Td取0.01 s，控制周期取5 s。

高溫風(fēng)機(jī)是燒成系統(tǒng)的動力源，窯系統(tǒng)和預(yù)熱器系統(tǒng)環(huán)境負(fù)壓、氣體流動都由高溫風(fēng)機(jī)提供動力；窯系統(tǒng)內(nèi)熱交換、氣固分離都靠高溫風(fēng)機(jī)的動力操作調(diào)節(jié)。

旋風(fēng)預(yù)熱器具有分離和熱交換兩個功能。 理論和實踐表明，在旋風(fēng)預(yù)熱器中，物料與氣流間的熱交換主要在各級旋風(fēng)筒之間的連接管道中進(jìn)行。

旋風(fēng)筒的主要作用是氣固分離，減少生料的內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)是提高分離效率的重要條件，預(yù)熱器C1筒出口負(fù)壓的穩(wěn)定是保證以上條件的前提。 穩(wěn)定C1筒負(fù)壓的同時也要保證高溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓的穩(wěn)定， 根據(jù)現(xiàn)場的要求設(shè)置選擇模塊，對C1筒負(fù)壓和高溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓的選擇控制策略 結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 C1筒負(fù)壓與高溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓選擇控制結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中， 選擇模塊用高溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓測量值與設(shè)定值差值的絕對值表征。 當(dāng)表征值不大于80 Pa時，采用C1筒出口負(fù)壓PID控制器，其參數(shù)為：控制器增益取0.004、積分時間常數(shù)取30 s、微分時間常數(shù)取0.01 s；當(dāng)表征值大于80 Pa時，采用高溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓PID控制器，其參數(shù)為：控制器增益取0.02、 積分時間常數(shù)取40 s、 微分時間常數(shù)取0.01 s。 PID控制器均為增量式，控制周期均取10 s。

4 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運效果

該水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)成功應(yīng)用在眉山市某水泥廠。 重要工藝參數(shù)的優(yōu)化效果明顯，如圖9～13所示。

圖9 分解爐出口溫度手動控制與先進(jìn)控制效果對比

圖10 篦冷機(jī)一室風(fēng)機(jī)出口壓力手動控制與先進(jìn)控制效果對比

圖11 斗提電流手動控制與先進(jìn)控制效果對比

圖12 窯頭負(fù)壓手動控制與先進(jìn)控制效果對比

圖13 高溫風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓手動控制與先進(jìn)控制效果對比

由上述手動控制與先進(jìn)控制的對比圖可以看出，水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)使得關(guān)鍵性的參數(shù)都得到了極大的改善，使工況更穩(wěn)定，提高二、三次風(fēng)溫從而實現(xiàn)了降低煤耗的效果。 手動控制與先進(jìn)控制煤耗對比如圖14所示，其中10月15日～21日為手動控制，10月25日～11月1日為先進(jìn)控制。

圖14 標(biāo)煤單耗手動控制與先進(jìn)控制效果對比

手動控制期間噸熟料標(biāo)煤單耗平均值為149.63 kg，先進(jìn)控制期間噸熟料標(biāo)煤單耗平均值為140.63 kg，標(biāo)煤單耗降低了6%，節(jié)能降耗效果明顯。

5 結(jié)束語

針對目前水泥熟料煅燒操作不規(guī)范、自動化程度低、工況不穩(wěn)定、煤耗量較大的問題，筆者在某水泥廠原有集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了一套水泥熟料煅燒先進(jìn)控制系統(tǒng)。 實際投運結(jié)果表明， 該系統(tǒng)可以規(guī)范現(xiàn)場工作人員的操作，穩(wěn)定現(xiàn)場工況，延長設(shè)備壽命，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的。