水泥粉磨优化控制系统的设计和实现.pdf

2023 年化 工 自 动 化 及 仪 表作者简介院薛美盛渊1969-冤袁副教授袁从事先进控制与优化的研究袁遥引用本文院薛美盛袁饶伟浩袁谢忻南袁等.水泥粉磨优化控制系统的设计和实现咱J暂.化工自动化及仪表袁2023袁50渊4冤院434-438.水泥是一种重要的工程建筑材料遥 2004 年袁我国水泥生产总量为 9.7 亿吨袁至 2019 年袁其生产总量已上升至 20.0 亿吨袁我国水泥产量遥遥领先咱1暂遥但水泥行业作为资源消耗大尧能源消耗高的传统行业袁在野碳达峰尧碳中和冶的背景下袁如何适应野双碳冶工作大局袁走出一条健康发展的道路袁仍面临着诸多挑战咱2暂遥目前袁使用最广泛的 3 种水泥粉磨系统包括球磨机和辊压机组成的联合粉磨系统尧球磨机和立磨组成的粉磨系统以及立磨终粉磨系统咱3暂遥 由于水泥粉磨过程具有大滞后和强干扰的特性袁手动控制效果不理想遥 而现有的水泥生产线中袁粉磨过程的自动控制率不高袁少量使用自动控制系统的也只是关注于其中某一具体环节袁而其控制算法大多仍使用的是常规 PID 控制袁控制效果难以满足生产要求咱4暂遥另外袁水泥磨的耗电量占水泥生产总耗电量的 40%左右袁因此提高水泥粉磨效率尧降低电耗也是急需解决的重点与难点问题遥国外学者大多采用模糊控制策略来实现对水泥粉磨系统的控制袁文献咱5袁6暂基于模糊逻辑袁各自完成了一套水泥粉磨自动控制系统遥 然而袁模糊控制器的复用性差袁控制精度不高袁动态品质也较差遥 赵长春等以 RBF 预测模型为基础袁利用 PSO 算法实现了水泥磨机负荷的预测控制咱7暂遥陈英豪使用卷积神经网络袁建立了适用于现场工况的水泥磨电耗预测模型袁并设计了基于粒子群算法的水泥磨负荷运行指标决策优化模型咱8暂遥为实现水泥粉磨的优化控制袁笔者在四川某水泥厂构建硬件平台袁与现场 DCS 连接袁基于广义预测控制算法袁设计并实现水泥粉磨优化控制系统袁该系统由球磨机和立磨组成袁其中球磨机负责细粉磨袁立磨负责粗粉磨遥1水泥粉磨工艺1.1水泥粉磨工艺流程新型干法水泥生产工艺包括破碎预均化尧生料制备尧预热分解尧水泥熟料烧成尧水泥粉磨及储运等工序咱9暂遥 水泥粉磨是水泥生产的最后一道工序遥 按水泥品种袁将煅烧过后生成的熟料与石膏尧矿渣尧粉煤灰尧石灰石等原料先输送到以立磨为核心的粗粉磨系统袁物料经过初步研磨后进入选粉机袁颗粒大小合适的物料再次进入球磨机中进行细粉磨遥 粉碎后的物料颗粒再次进行选粉袁合格的物料经收尘器收尘后直接入库袁其余物料进入球磨机再次进行研磨遥 水泥粉磨工艺流程如图1 所示遥1.2水泥粉磨控制难点水泥粉磨过程中袁从喂料到物料进入立磨与球磨机的传输时间长袁纯滞后较大遥 如果通过手动控制或者常规 PID 控制袁常常因不能及时改变喂料量而导致偏差较大袁 使立磨研磨效率降低遥另外袁粗粉磨系统出料量的变化会影响细粉磨系统的稳定运行袁为此笔者采用立磨出磨提升机电DOI:10.20030/ki.1000鄄3932.202304006水泥粉磨优化控制系统的设计和实现薛美盛1饶伟浩1谢忻南1秦宇海2渊1.中国科学技术大学信息科学技术学院自动化系曰2.江苏庞景节能科技有限公司冤摘要采用广义预测控制算法克服大滞后问题袁引入前馈解决强干扰问题袁设计并实现了一套水泥粉磨优化控制系统遥 该系统已经在某水泥厂长期投运袁有效改善了水泥粉磨控制品质遥关键词优化控制系统水泥粉磨广义预测控制前馈控制球磨机中图分类号TP273文献标识码B文章编号1000鄄3932渊2023冤04鄄0434鄄05434第 50 卷第 4 期化 工 自 动 化 及 仪 表流作为细粉磨系统的前馈量袁解决出料量带来的干扰遥 同时袁水泥粉磨还经常出现饱磨问题袁对水泥生产尧设备运行也会造成影响遥2水泥粉磨控制策略设计2.1粗粉磨系统控制策略粗粉磨系统作为水泥粉磨的预研磨阶段袁是整个系统的核心之一遥 将预研磨后的物料按颗粒大小分为 3 份袁一份直接入库袁另一份进入细粉磨系统袁最后一份重新进入立磨进行研磨遥 这种方式效率高袁耗电量低袁产品质量好遥 因此袁维持立磨研磨稳定袁有利于细粉磨阶段球磨机的稳定运行遥 笔者选择喂料量作为控制量袁立磨磨机电流作为被控量遥由于从喂料量到立磨磨机电流的模型存在大滞后袁常规 PID 算法的控制效果不理想袁笔者选择使用广义预测控制算法实现对立磨磨机电流的有效控制遥 粗粉磨系统控制结构框图如图 2所示遥图 1水泥粉磨工艺流程图 2粗粉磨系统控制结构框图通过分析采集到的相关数据袁构建广义预测控制器遥 整定参数后袁广义预测控制器选取控制周期为 10 s袁预测步长 80 步袁控制步长 20 步袁柔化因子为 0.995袁控制量权重因子为 80遥2.2细粉磨系统控制策略细粉磨系统的核心是球磨机遥 目前主要以球磨机的负荷来判断球磨机的运行状态袁但是负荷并不能直接被测量袁只能通过其他的测量数据来估测球磨机的负荷状态遥 因球磨机电流变化量较小袁无法准确通过其来表征球磨机负荷袁分析历史数据并与现场操作员和工程师讨论后袁笔者决定采用球磨出磨提升机电流作为被控量来反映其负荷遥 当水泥球磨机内物料较多时袁负荷较大袁无法实现有效研磨袁生产的水泥成品质量难以得到保证曰当水泥球磨机内物料较少时袁负荷较小袁会出现过研磨袁水泥成品质量同样变差遥 此时应4352023 年化 工 自 动 化 及 仪 表改变进入球磨机的物料量袁但如果直接调整水泥粉磨系统的喂料量袁会影响粗粉磨系统的正常运行袁造成资源的浪费与设备的不稳定袁导致系统波动遥 现场操作员通常通过改变 V 型选粉机液耦袁改变转速袁调节进入球磨机的熟料量袁来控制球磨出磨提升机电流袁从而稳定磨机负荷遥 因此袁笔者选择 V 型选粉机液耦作为控制量遥立磨出磨提升机作为物料进入选粉机的前一个设备袁其电流表征了进入细粉磨系统的物料量遥 通常情况下袁立磨处于稳定状态袁立磨出磨提升机电流并不会产生剧烈波动曰 工况变化后袁当立磨出磨提升机电流改变时袁通过将其作为前馈量袁可以实现快速响应袁保持球磨机的稳定运行遥细粉磨系统控制结构框图如图 3 所示遥图 3细粉磨系统控制结构框图经过整定袁选取控制周期为 5 s袁预测步长 80步袁控制步长 20 步袁柔化因子取 0.981袁控制量权重因子取 200遥 前馈补偿采用静态补偿遥2.3饱磨处理策略饱磨是粉磨过程中一种常见的异常工况遥 饱磨由短时间磨内存料量过多所致袁 可能的原因有院喂料量过多尧物料粒度变大或易磨性变差遥 饱磨运行时袁水泥磨的研磨能力变差袁导致相关参数发生变化袁可以由此判断饱磨状态遥 而物料的易磨性无法预知袁只能通过改变进入磨机的物料量来控制磨机电流袁稳定磨机负荷遥 饱磨时袁物料会在磨内大量堆积袁导致工况急转直下袁如果不能及时有效地减少物料量袁可能会发生停机甚至设备损坏等事故遥 因此袁避免饱磨与饱磨处理非常重要遥通过分析数据以及与现场工程师交流袁以磨音尧球磨出磨提升机电流尧球磨进出口压差为参数建立饱磨判据遥 球磨机发生饱磨时袁需要大量减少喂料量来使球磨机摆脱饱磨状态袁待恢复正常后袁 再进行粗粉磨系统与细粉磨系统的控制遥饱磨处理策略结构框图如图 4 所示遥磨音低于 45 dB 时袁认为磨音指标超标曰球磨出磨提升机电流大于饱磨阈值时袁 认为电流指标超标曰球磨机出口负压小于-1 150 Pa 时袁认为负图 4饱磨处理策略结构框图436第 50 卷第 4 期化 工 自 动 化 及 仪 表压指标超标遥 当磨音指标超标袁且电流与负压其中任一指标超标时袁可以认为水泥粉磨系统处于饱磨状态遥 此时袁需将喂料量降低至预设值袁具体数值根据现场工况由操作员决定遥经过一段时间低负荷运行后袁水泥磨会回归正常运行状态遥 为避免在饱磨判据指标临界点附近频繁切换策略袁笔者设立了死区遥 待磨音指标正常后袁在球磨出磨提升机电流小于电流死区阈值且球磨出口负压大于-1 100 Pa 时袁可视为磨机从饱磨工况恢复正常袁即死区范围分别为死区阈值至饱磨阈值以及-1 150耀-1 100 Pa遥摆脱饱磨工况后袁粗粉磨系统与细粉磨系统按各自控制策略运行遥3优化控制系统结构设计3.1水泥粉磨优化控制系统结构水泥粉磨集散控制系统主要分为上位机和下位机两部分遥 其中上位机由两台搭载 MicrosoftWindows Server 2008 的工控机组成袁 每台工控机都采用 HOLLiAS MACS V6.5.2 作为组态软件遥 下位机由 HOLLiAS MACS鄄K 系列 PLC 组成遥 上尧下位机之间通过 PROFIBUS 总线进行通信袁连接现场控制系统遥 笔者在现场添加了一台 DELLPowerEdge R220 服务器袁服务器上布署了水泥粉磨优化控制系统遥 现场操作员和工程师分别使用两台工控机负责监控水泥粉磨系统和对水泥粉磨系统进行应急操作袁优化控制系统操作站负责粗粉磨系统与细粉磨系统的控制遥优化控制系统与现场 DCS 通过局域网连接袁基于 OPC DA 协议实现通信遥 服务器配置完成后袁 按现场工程师提供的数据点表进行通信测试袁成功后水泥粉磨优化控制系统即可对 DCS 执行相应读写操作遥 具体硬件结构如图 5 所示遥图 5水泥粉磨优化控制系统硬件结构3.2用户界面笔者设计了水泥粉磨优化控制系统的用户图形界面袁可以让现场操作员快捷地获取实时数据尧发送操作指令尧设置控制参数遥 用户图形界面渊图 6冤由连接管理面板尧实时数据监控面板尧粗粉磨系统控制面板尧细粉磨系统控制面板尧参数设置面板和报警画面面板 6 部分组成遥图 6水泥粉磨优化控制系统用户界面4372023 年化 工 自 动 化 及 仪 表4优化控制系统投运效果笔者设计的水泥粉磨优化控制系统成功投运于四川某水泥厂袁其中重要工艺参数的投运效果对比如图 7尧8 所示遥 可以看出袁水泥粉磨优化控制系统的投运使得水泥粉磨环节的关键性参数都得到了较大改善袁工况得到了稳定袁控制效果大幅上升遥图 7立磨磨机电流控制对比图 8球磨出磨提升机电流控制对比5结束语针对目前水泥粉磨过程自动化程度低尧工况不稳定尧耗电量高等问题袁笔者在四川某水泥厂原 DCS 的基础上袁设计开发并投运了一套水泥粉磨优化控制系统袁长时间投运结果表明袁该系统可以保证系统工况稳定袁 规范现场人员操作袁减少其工作量袁延长设备使用寿命袁提高水泥粉磨生产效率遥参考文献咱1暂孙健袁王旭方袁殷祥男袁等.水泥产业的未来趋势及发展特点咱J暂.中国水泥袁2021渊9冤院66-69.咱2暂谢国俊.多措并举全力做好水泥行业节能降碳工作咱J暂.中国水泥袁2022渊4冤院49-52.咱3暂赵艳.几种典型水泥粉磨系统的比较咱J暂.水泥工程袁2010渊3冤院24-27.咱4暂薛美盛袁左佳斌袁路元森袁等.水泥生料粉磨先进控制与优化系统的设计与实现咱J暂.化工自动化及仪表袁2022袁49渊3冤院268-273.咱5暂COSTEA C R袁SILAGHI H M袁ZMARANDA D袁et al.Control System Architecture for a Cement Mill Basedon Fuzzy Logic咱J暂.International Journal of Computers袁Communications and Control袁2015袁10渊2冤院165-173.咱6暂RETNAM S袁PRATHEESH H袁ASWIN R B.Develop鄄ment of Fuzzy Logic Controller for Cement Mill咱J暂.International Journal of Engineering and TechnicalResearch袁2016袁5渊7冤院17-20.咱7暂赵长春袁赵亮袁王博.基于改进粒子群算法的 RBF 神经网络磨机负荷预测研究咱J暂.计算机测量与控制袁2020袁28渊6冤院19-22曰27.咱8暂陈英豪.水泥磨负荷控制策略研究及软件设计咱D暂.秦皇岛院燕山大学袁2019.咱9暂李建梅袁李国栋袁蔡超.中国水泥工业发展现状及未来趋势咱J暂.广州化工袁2013袁41渊17冤院18-19曰50.渊收稿日期院2022-12-05袁修回日期院2023-06-02冤Design and Realization of the Optimal Control System for Cement GrindingXUE Mei鄄sheng1袁 RAO Wei鄄hao1袁 XIE Xin鄄nan1袁 QIN Yu鄄hai2渊1.Dept.of Automation of School of Information Science and Technology袁 University of Science and Technology of China曰2.Jiangsu Panvieo Energy Saving Technology Co.袁 Ltd.冤AbstractThrough employing the generalized predictive control algorithm to overcome large lag troublesand adopting the feed鄄forward control to solve strong disturbance袁 an optimal control system for the cementgrinding was designed and implemented.Its long鄄time operation in a cement plant effectively improves thecontrol quality of the cement grinding.Key wordsoptimal control system袁 cement grinding袁 generalized predictive control袁 feed鄄forward con鄄trol袁 ball grinder438