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水泥回轉(zhuǎn)窯分解爐溫度模糊控制

發(fā)布時(shí)間:2019-12-17

水泥生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)理化反應(yīng)過(guò)程,具有大慣性、純滯后、非線(xiàn)性等特點(diǎn),系統(tǒng)工況復(fù)雜多變,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此,采用傳統(tǒng)的控制策略往往難以獲得令人滿(mǎn)意的控制品質(zhì)。為了達(dá)到進(jìn)一步穩(wěn)定操作工藝、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)、節(jié)能降耗、提高運(yùn)轉(zhuǎn)率之目的,目前世界各大水泥制造商和計(jì)算機(jī)公司除了注重DCS系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用外,還特別開(kāi)發(fā)了一些應(yīng)用于水泥生產(chǎn)工藝各主要環(huán)節(jié)的先進(jìn)控制策略,其中模糊控制技術(shù)在提高產(chǎn)量和質(zhì)量、節(jié)能以及穩(wěn)定工況等方面,具有顯著的效果。

    自1965年L.A.Zadeh教授提出模糊集理論后,1973年E. H. Mamdani教授首次成功地將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制中,獲得了比PID控制更好的控制效果;1979年丹麥工程師Ostergaard成功地將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于石灰窯生產(chǎn)過(guò)程的控制中,揭開(kāi)了模糊控制技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的新篇章。模糊控制規(guī)則是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),是一種從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的智能控制方法,是模糊數(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物,能夠解決許多復(fù)雜而無(wú)法建立精確對(duì)象模型的系統(tǒng)的控制問(wèn)題。它先將操作人員或?qū)<业慕?jīng)驗(yàn)歸結(jié)為模糊控制規(guī)則,然后把傳感器信號(hào)模糊化,并用此模糊輸入去適配控制規(guī)則,完成模糊邏輯推理,最后將模糊輸出量進(jìn)行解模糊判決,變?yōu)槟M量或數(shù)字量后送到執(zhí)行器上。
杭州水泥廠(chǎng)新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)采用Honeywell 最新推出的PlantScape DCS系統(tǒng),應(yīng)用模糊控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 分解爐溫度的模糊控制
    杭州水泥廠(chǎng)新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)采用了目前廣泛使用的“五級(jí)旋風(fēng)窯外預(yù)熱分解”技術(shù),整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程包括窯外預(yù)熱分解、窯內(nèi)煅燒、熟料冷卻、廢氣處理和煤粉制備等工序。其中,窯尾分解爐溫度是一個(gè)重要的工藝參數(shù),它的穩(wěn)定對(duì)整條水泥生產(chǎn)線(xiàn)的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和節(jié)能具有重大影響。根據(jù)對(duì)生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析以及操作人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),可以發(fā)現(xiàn):  (1)如果增加喂煤滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速,則增大了入分解爐的煤粉流量,這將加劇分解爐內(nèi)的反應(yīng),使分解爐溫度升高。轉(zhuǎn)速越高,則溫度上升的速度越快。
(2)如果增加生料滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速,則增大了入窯生料流量,這將增加分解爐內(nèi)反應(yīng)物料數(shù)量,使分解爐溫度升高。但生料流量增大到一定程度后,由于物料未能充分反應(yīng),分解爐溫度反而會(huì)下降。事實(shí)上,入窯生料流量與入分解爐煤粉流量之間應(yīng)維持一定的比例關(guān)系,以便進(jìn)行充分反應(yīng)。
    (3)如果增大回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速,則分解爐溫度略有下降,但兩者之間的關(guān)系不是很明顯。正常情況下,回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速基本保持不變。
由此可見(jiàn),影響分解爐溫度的因素很多,但喂煤滑差電機(jī)的轉(zhuǎn)速是一個(gè)主要因素,而其它因素諸如生料滑差電機(jī)的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速也對(duì)分解爐溫度有一定影響,且各因素之間存在耦合關(guān)系,但它們的作用不是線(xiàn)性的,難以建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述該過(guò)程。如果采用傳統(tǒng)的控制方法,即通過(guò)建立對(duì)象模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分解爐溫度的控制則非常困難,為此我們采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)分解爐溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。   模糊控制器的輸入變量為分解爐溫度偏差E和溫度偏差的變化EC,輸出變量為喂煤滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速增量Δn,將回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速和生料滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速作為干擾因素處理。
    輸入變量E的論域?yàn)閇-50,50],語(yǔ)言值為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,負(fù)零,零,正零,正小,正中,正大},記作{NB,NM,NS,NZ,ZO,PZ,PS,PM,PB},隸屬度函數(shù)如圖1所示。
    EC的論域?yàn)閇-25,25],語(yǔ)言值為{負(fù)大,負(fù)小,零,正小,正大},記作{NB,NS,ZO,PS,PB},隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù),值為{-25,-10,0,10,25}。
    輸出變量Δn的論域?yàn)閇-15%,15%],語(yǔ)言值為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},記作{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},值為{-15,-10,-5,0,5,10,15}。其中,控制滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出以百分?jǐn)?shù)形式表示,即當(dāng)控制滑差電機(jī)全速運(yùn)行時(shí),輸出控制量為100,停止時(shí)為0。
    設(shè)計(jì)模糊控制器的核心是模糊規(guī)則庫(kù)的建立。建立模糊規(guī)則庫(kù)常用的方法是根據(jù)工藝操作規(guī)程及對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),抽取相應(yīng)的模糊規(guī)則,這種方法較為簡(jiǎn)便,但獲得的規(guī)則較為粗糙,且因操作人員經(jīng)驗(yàn)的不同而帶有一定的主觀(guān)性。另一種方法是應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù),根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)建立對(duì)象的模糊模型,再根據(jù)模糊模型提取相應(yīng)的模糊控制規(guī)則。在此,我們采用了先建立對(duì)象的模糊模型,再提取模糊控制規(guī)則,同時(shí)借鑒操作人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)控制情況對(duì)控制規(guī)則作適當(dāng)修改的方法,最后所得的規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表
      E
     EC
    NB       NM        NS       NZ       ZO       PZ       PS        PM       PB
NBPBPBPMPMPSPSZONSNS
NSPBPMPMPSPSZOZONSNS
ZOPMPMPSPSZONSNSNMNM
PSPMPMPSZOZONSNSNMNB
PBPSPSZOZONSNMNMNBNB
    采用了Zadeh推理方法、單點(diǎn)模糊化方法和加權(quán)平均解模糊方法的分解爐溫度模糊控制器于1998年5月在現(xiàn)場(chǎng)一次投運(yùn)成功,取得了良好的控制效果。圖2為采用模糊控制策略的分解爐溫度12小時(shí)變化曲線(xiàn),圖3為采用PID控制策略的溫度變化曲線(xiàn)。由此可見(jiàn),采用模糊控制策略后,分解爐的溫度基本控制在850℃左右,與采用PID控制策略的溫度變化曲線(xiàn)對(duì)比,控制效果非常明顯。
2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    杭州水泥廠(chǎng)回轉(zhuǎn)窯計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)選用了Honeywell公司新近推出的基于C/S結(jié)構(gòu)的PlantScape DCS系統(tǒng),組成圖4所示的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用兩臺(tái)Dell 6200/OP GXPRO 200計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控站,其中一個(gè)作為PlantScape系統(tǒng)服務(wù)器并兼窯頭工作站,承擔(dān)總體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)器功能,處理整個(gè)系統(tǒng)的通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和控制,又作為工作站管理和控制窯頭、窯中和煤粉制備部分的主要設(shè)備;另一個(gè)工作站主要負(fù)責(zé)窯尾及廢氣處理部分的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。系統(tǒng)軟件除具備編程、組態(tài)、系統(tǒng)生成功能外,還具備了操作站的所有操作及顯示功能。現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的PlantScape復(fù)合控制器由控制模塊、通信模塊、電源模塊及相應(yīng)I/O模塊組成,具備數(shù)據(jù)采集、通信和控制功能。   為使設(shè)備運(yùn)行得安全可靠,系統(tǒng)對(duì)所控設(shè)備分別設(shè)置了計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)場(chǎng)控制兩種操作功能,各主要設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)都配有手操器和啟/停開(kāi)關(guān)。由于水泥生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較多,故系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的聯(lián)鎖、順序啟/停以及故障停車(chē)順序等都編制了相應(yīng)軟件,避免事故發(fā)生。
針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)發(fā)的基于模糊控制技術(shù)的DCS系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要由控制組態(tài)軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件兩大部分組成。其中控制組態(tài)軟件主要包括Quick Build、Control Build和Station,監(jiān)控組態(tài)軟件包括工藝流程圖、控制回路圖、順序控制圖、歷史趨勢(shì)圖、報(bào)警系統(tǒng)圖和參數(shù)報(bào)表等。該系統(tǒng)已于1998年5月在杭州水泥廠(chǎng)成功投運(yùn),實(shí)際日生產(chǎn)能力由設(shè)計(jì)的7000噸提高到10000噸,噴煤用量的節(jié)能效率達(dá)10%,達(dá)到了提高產(chǎn)量和質(zhì)量、降低能耗、實(shí)現(xiàn)“零污染”的目的。



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