率值配料自動(dòng)控制系統(tǒng)助手的研究

　　生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀水泥生料配料控制是水泥生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一。生料質(zhì)量好壞直接影響熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前我國(guó)絕大多數(shù)水泥廠的生料配料控制的模式如下：

　　1） 回轉(zhuǎn)窯廠， 尤其是 2000t/d 以上的新型干法回轉(zhuǎn)窯廠， 大都配備了生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)， 即 QCS系統(tǒng)，但走訪了解許多廠后發(fā)現(xiàn)， 大多數(shù)水泥廠并沒有真正實(shí)現(xiàn)率值自動(dòng)控制功能， 即只利用了其先進(jìn)的X熒光檢測(cè)、配料秤實(shí)時(shí)監(jiān)控的檢測(cè)監(jiān)視功能與配料秤中控控制的集中控制功能， 而關(guān)鍵的“率值自動(dòng)控制”， 即計(jì)算機(jī)利用X熒光檢測(cè)的結(jié)果， 自動(dòng)計(jì)算進(jìn)行配料秤的反饋控制的功能， 大多沒有投用， 而是繼續(xù)由人工控制。據(jù)了解，不投用的原因是投用后效果不好， 因?yàn)樵锨闆r千變?nèi)f化， 由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制時(shí)容易失控，還不如人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制的生料率值合格率高。因此， 只在原料質(zhì)量非常穩(wěn)定時(shí)才投用， 而原料情況一旦出現(xiàn)波動(dòng)，就改由人工控制。試生產(chǎn)期間就投運(yùn)的還幾乎沒有。

　　2）立窯水泥廠大都采用鈣鐵控制， 但鈣鐵控制方法只有在原料中的 SiO2 和 Al2O3 含量比較穩(wěn)定的前提下，才可保證出磨生料成分的穩(wěn)定。如果原料中的SiO2 和 Al2O3 含量波動(dòng)較大， 即使出磨生料的鈣鐵煤指標(biāo)完全合格， 也難保出磨生料率值的合格。在實(shí)際生產(chǎn)中， 許多采用鈣鐵控制的水泥生料， 雖然出磨生料鈣鐵滴定值合格率很高，但其每天平均樣的率值卻波動(dòng)很大。由于生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)越功能，許多較先進(jìn)的立窯廠也裝備了生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)，但據(jù)了解， 其使用情況與回轉(zhuǎn)窯廠一樣。2 生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)助手的開發(fā)ZRS 率值配料自動(dòng)控制系統(tǒng)助手從數(shù)學(xué)模型開始，在實(shí)際生產(chǎn)中邊應(yīng)用、邊完善。以下結(jié)合某新建的2500t/d 生產(chǎn)線的應(yīng)用情況談該軟件的開發(fā)。

　　2.1、情況的判斷是率值配料自動(dòng)控制的前提一般來講， 生料成分波動(dòng)時(shí)， 有以下幾種原因：
　　1）原料成分波動(dòng)；
　　2）配料秤波動(dòng)；
　　3） 原料水分波動(dòng)， 如該廠采用濕排粉煤灰， 控制水分 15%～20%；
　　4）測(cè)定誤差。

　　這幾種原因一般同時(shí)存在， 但有時(shí)某一種起主要作用， 判斷清楚起主要作用的原因， 即可采取措施。分析其內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)判斷導(dǎo)致波動(dòng)的主要原因， 調(diào)整時(shí)兼顧到三個(gè)率值， 從數(shù)理統(tǒng)計(jì)上是有規(guī)律可循的， 但計(jì)算繁瑣，在很短的時(shí)間內(nèi)靠手工是難以做到的?！奥手蹬淞献詣?dòng)控制系統(tǒng)助手”程序， 將繁瑣的計(jì)算、判斷由計(jì)算機(jī)來完成，在瞬間即可完成計(jì)算， 從各個(gè)角度給出數(shù)據(jù)信息， 根據(jù)這些信息來判斷和決策， 從而使操作人員心中有數(shù)，再加上經(jīng)驗(yàn)、感覺和現(xiàn)場(chǎng)綜合情況， 調(diào)整時(shí)就得心應(yīng)手， 使生料質(zhì)量大幅度提高。如果是配料秤波動(dòng)或原料水分波動(dòng)（ 原料水分變化， 就相當(dāng)于干基物料配比發(fā)生了變化， 與配料秤波動(dòng)的表觀特征相同）， 相對(duì)應(yīng)的反算配比系數(shù) Pi 與特征成分對(duì)應(yīng)的綜合波動(dòng)系數(shù) ξR 點(diǎn)將發(fā)生同方向波動(dòng)； 如果是測(cè)定誤差， 則只有有偏差的 Pi與 ξR 點(diǎn)將發(fā)生同方向波動(dòng)， 而其它點(diǎn)正常； 如果是原料成分波動(dòng)，則變化成分對(duì)應(yīng)的 ξR 點(diǎn)將發(fā)生波動(dòng)，其規(guī)律可根據(jù)具體原料成分分析，Pi 與 ξR 曲線排除了調(diào)整配比的影響， 其原料成分的變化情況、波動(dòng)周期， 配料秤的工作狀況可一目了然。

　　2、 該廠配料初期， CaO 持續(xù)偏高而 Al2O3 持續(xù)偏低， 操作人員狠減石灰石， CaO 終于降至預(yù)定目標(biāo)， 但說不清楚CaO 從哪來； 加粉煤灰到不可思議的比例，Al2O3 仍然偏低。將數(shù)據(jù)輸入本軟件后， 從 Pi 曲線可明顯看出，P 石灰石徘徊在 1.08 到 1.09 之間， 而 P 粉煤灰徘徊在0.39到 0.41 之間， 說明石灰秤大而粉煤灰秤小， 由石灰石的配比乘以 1.1 就與理論配比相接近了， 筆者建議將粉煤灰的配比提高到預(yù)定配比的 2.2～2.5 倍， 誰(shuí)也不敢， 因?yàn)榕淞铣右呀?jīng)反復(fù)標(biāo)定，都認(rèn)為不可能有如此大的偏差， 最后決定進(jìn)行實(shí)物標(biāo)定， 限于條件， 采用在皮帶秤穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)定秤上兩點(diǎn)的時(shí)間差而后突然停機(jī)，稱量?jī)牲c(diǎn)間的物料質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)定， 結(jié)果秤的系數(shù)為 0.42。有關(guān)人員檢查后認(rèn)為傳感器配置不正確，換傳感器重新標(biāo)定后，由程序計(jì)算的 P 粉煤灰接近 0.7，但仍然達(dá)不到 1 左右， 最后只能就此運(yùn)行， 將程序中粉煤灰的配料秤系數(shù)設(shè)定為0.7。

　　2.2、 確定數(shù)學(xué)模型是率值配料自動(dòng)控制的基礎(chǔ)盡管各單位在推出率值配料自動(dòng)控制時(shí)， 對(duì)核心程序的計(jì)算方法保密，但不外乎有幾種模式： ①利用補(bǔ)差法， 即根據(jù)目標(biāo)值與測(cè)定值的差值， 進(jìn)行各原料的增減， 使下一周期達(dá)到目標(biāo)值；②利用反推法， 假定質(zhì)量穩(wěn)定的原料其成分不變， 將生料成分的變化視為某種原料的成分變化所致，反推其變化后的值進(jìn)行重新核定配比， 以求達(dá)到目標(biāo)值； ③PiD 調(diào)節(jié)法， 即假定原料成分的變化是隨機(jī)的， 符合正態(tài)分布規(guī)律，用PiD 調(diào)節(jié)原理， 選定合適的參數(shù)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)； ④模糊法。這幾種方法各有所長(zhǎng)， 補(bǔ)差法最實(shí)用， 也符合人的思維習(xí)慣，其難點(diǎn)在于要求下一周期的物料與上一周期的物料保持不變或能預(yù)測(cè)下一周期的物料變化。反推法本身就是近似假定， 有一定誤差，原料穩(wěn)定時(shí)尚可， 不穩(wěn)定時(shí)誤差就偏大， 還有其本身也要求下一周期的物料與上一周期的物料保持不變。PiD調(diào)節(jié)法的前提是理想假定， 實(shí)際操作中很難選取到合適的參數(shù)， 即使一段時(shí)間參數(shù)選取比較合適，原料情況一變，參數(shù)就又需要重新摸索， 并且調(diào)整間隔大導(dǎo)致調(diào)節(jié)周期太長(zhǎng)。模糊法的控制理論較復(fù)雜，并且模糊因子的選定也需反復(fù)在實(shí)踐中摸索。

　　本軟件采用補(bǔ)差法， 同時(shí)同步用反推法進(jìn)行比對(duì)參考， 并且采用了“模糊判斷”法， 將出磨檢測(cè)成分及率值進(jìn)行模糊判斷， 參照人的思維習(xí)慣， 分為“合適”、“合格范圍內(nèi)偏高”、“合格范圍內(nèi)偏低”、“偏高”、“偏低”、“太高”和“太低”等， 在自動(dòng)控制模式中根據(jù)模糊判斷結(jié)果分不同策略處理， 人工控制模式中模糊判斷結(jié)果僅以特定符號(hào)顯示提供參考， 不參與計(jì)算。

　　2.3 、預(yù)測(cè)下一周期的物料變化是率值配料自動(dòng)控制的難點(diǎn)

　　假定下一周期的物料與上一周期的物料保持不變， 也是一種預(yù)測(cè)。據(jù)了解， 不少率值配料自動(dòng)控制系統(tǒng)采用滾動(dòng)平均法來預(yù)測(cè)，這也符合一般正態(tài)分布的理論。不過筆者進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)在正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)據(jù)中， 采用滾動(dòng)平均來預(yù)測(cè)下一個(gè)數(shù)據(jù)，其預(yù)測(cè)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差確能縮小， 但在按照正態(tài)分布的“有條件隨機(jī)數(shù)據(jù)”中， 采用此法來預(yù)測(cè)下一個(gè)數(shù)據(jù)，其預(yù)測(cè)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差有時(shí)能縮小， 但更多的時(shí)候是加大， 滾動(dòng)的周期越長(zhǎng)， 越接近于原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這里“隨機(jī)數(shù)據(jù)”和“有條件隨機(jī)數(shù)據(jù)”， 是這樣定義的：

　　隨機(jī)數(shù)據(jù)： 是指在一個(gè)區(qū)間內(nèi)， 數(shù)據(jù)是完全按照正態(tài)分布規(guī)律隨機(jī)出現(xiàn)的。如石灰石中的 CaO， 波動(dòng)區(qū)間為 45～52，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)， 下一個(gè) CaO 的測(cè)定值是按照正態(tài)分布規(guī)律隨機(jī)出現(xiàn)的， 與上一個(gè)測(cè)定值沒有聯(lián)系。

　　有條件隨機(jī)數(shù)據(jù)： 是指在一個(gè)區(qū)間內(nèi)， 數(shù)據(jù)的變化是有條件的， 與上一個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)聯(lián)。首先， 數(shù)據(jù)變化的方向是有條件隨機(jī)出現(xiàn)的，但變化幅度卻是集中在一個(gè)更小的區(qū)間內(nèi)按小區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律隨機(jī)出現(xiàn)。

　　有條件隨機(jī)出現(xiàn)， 是指上一個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)接近于中值時(shí)，增加或減少是隨機(jī)的， 接近于邊界值時(shí)， 增加或減少就不是隨機(jī)的， 而是更傾向于向中值靠攏，其變化的方向遵循大區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律。如石灰石中的CaO， 波動(dòng)區(qū)間為 45～52， 上一個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)為 48.5，下一個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)不會(huì)在 45～52 范圍內(nèi)按照大區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律隨機(jī)出現(xiàn)， 而是在 48.5 基礎(chǔ)上， 增加或減少是隨機(jī)的，但增加或減少的幅度會(huì)集中到一個(gè)更小的區(qū)間， 如， 下一個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)是在 48.5±0.8范圍內(nèi)按照小區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律隨機(jī)出現(xiàn)的， 其概率非常大， 遠(yuǎn)比完全按照大區(qū)間正態(tài)分布的 σ原則遵循的概率大的多， 而突破48.5±0.8， 在45～47.7 和 49.3～52 范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率非常小。再如上一個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)為 47，下一個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)是在 47＋0.8 范圍內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)的概率較大， 47－ 0.8 范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率較小， 而突破47±0.8，在 45～46.2 和 47.8～52 范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率更小。

　　有條件隨機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)是： ①如連續(xù)測(cè)定物料成分，組成一個(gè)數(shù)據(jù)組集合｛Ｘ＝ｘ1，ｘ2，ｘ3……｝， 相鄰兩數(shù)據(jù)的差也組成一個(gè)數(shù)據(jù)組集合 ｛ΔＸ＝ｘ2－ ｘ1，ｘ3－ｘ2，ｘ4－ ｘ3……｝， ΔＸ 比 Ｘ 更接近于正態(tài)分布， 且 ΔＸ 的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 Ｘ的標(biāo)準(zhǔn)偏差。②出現(xiàn)大幅度突變的可能性較小。

　　筆者發(fā)現(xiàn)， 水泥廠經(jīng)過處理的原料， 其成分的波動(dòng)更符合“有條件隨機(jī)數(shù)據(jù)”。按照這一規(guī)律來預(yù)測(cè)下一周期物料的變化，將有效縮小預(yù)測(cè)的偏差。

　　2.4 、確定檢測(cè)成分對(duì)應(yīng)的物料配比是率值配料自動(dòng)控制的重點(diǎn)

　　水泥廠按時(shí)、定點(diǎn)取樣， 及時(shí)調(diào)整配比， 循環(huán)往復(fù)， 按說確定檢測(cè)樣品成分對(duì)應(yīng)的物料配比不存在問題，但事實(shí)并非如此。原因有三： 

　　一是從取樣、檢測(cè)到反饋調(diào)整配比有一個(gè)時(shí)間差； 

　　二是從配料秤入磨到出磨取樣， 有一時(shí)間滯后；

　　三是窯灰干擾， 如果樣品中包含窯灰不必說， 如果樣品中不包含窯灰， 也受其干擾，因?yàn)橐徊糠治锪匣烊肓烁G灰而沒有包含在樣品中（新型干法窯大都采用生料磨與窯系統(tǒng)共用電除塵器）。

　　第三個(gè)原因可通過出磨生料與入窯生料的對(duì)比解決，前兩個(gè)原因大都解決的不理想，因?yàn)闇髸r(shí)間與取樣、調(diào)整的時(shí)間很難同步。某廠采用了如下的方法解決， 先通過密集取樣試驗(yàn)， 實(shí)測(cè)磨內(nèi)滯后時(shí)間為47min，  然后改取樣、檢測(cè)、調(diào)整周期為 2h/次， 取樣后下一小時(shí)放空不取樣， 第二小時(shí)開始， 連續(xù)取樣1h。這樣雖有效解決了檢測(cè)樣品成分對(duì)應(yīng)的物料配比問題， 但延長(zhǎng)了調(diào)整周期， 好在該廠預(yù)均化設(shè)施完善， 入磨原料穩(wěn)定。本軟件中有效解決了這一問題。解決的方法是設(shè)定各個(gè)時(shí)間段的實(shí)際配比對(duì)樣品的影響系數(shù)， 程序根據(jù)各影響系數(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，計(jì)算出“樣品成分對(duì)應(yīng)的物料配比”。影響系數(shù)與磨內(nèi)停留時(shí)間、取樣、調(diào)整的時(shí)間有關(guān)。該廠是中卸磨，根據(jù)磨內(nèi)物料存量和磨機(jī)產(chǎn)量經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬， 滯后時(shí)間也恰巧為47min，據(jù)此設(shè)定實(shí)際配比對(duì)樣品的影響系數(shù)。根據(jù)調(diào)整結(jié)果看，證實(shí)該方法很好地解決了這一問題。比較特殊的情況是， 一段時(shí)間由于粉煤灰水分超標(biāo)， 頻繁堵料，造成實(shí)際配比與設(shè)定配比嚴(yán)重不符， 由生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能和累計(jì)功能可確定實(shí)際配比，將實(shí)際配比輸入“助手程序”，下一周期反饋調(diào)節(jié)仍可正常進(jìn)行， 并且結(jié)果理想。

　　本軟件還考慮了生料樣品中摻窯灰與不摻窯灰兩種狀態(tài)， 可選擇出磨生料中含窯灰， 也可選擇不含窯灰。筆者建議樣品中應(yīng)包含窯灰。

　　2.5、測(cè)定誤差對(duì)率值配料自動(dòng)控制的影響也是必須考慮的問題所有測(cè)定方法， 無(wú)論化學(xué)分析還是儀器分析都有誤差，但誤差須在一定范圍內(nèi)， 誤差太大必有影響。該廠配置的是熒光分析儀， 但壓片機(jī)是手動(dòng)的。這無(wú)疑加入了人為影響因素，加壓速度、壓力大小、保壓時(shí)間都會(huì)對(duì)熒光分析儀的檢測(cè)結(jié)果有影響。實(shí)踐證明， 對(duì)SiO2 的測(cè)定影響最大。經(jīng)檢測(cè)，同一壓片反復(fù)測(cè)定， 檢測(cè)的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)， 但同一樣品， 經(jīng)不同的人壓片或同一人重復(fù)壓片， SiO2的檢測(cè)結(jié)果誤差就超出允許范圍。除采取措施規(guī)范操作、與已知樣頻繁比對(duì)等措施外， 一旦出現(xiàn)意料之外的數(shù)據(jù)，按率值控制必然成問題。為此， 本軟件設(shè)定了幾種模式， 按率值控制模式和按成分控制模式。一旦出現(xiàn)個(gè)別意料之外的數(shù)據(jù)， 比如SiO2 異常， 就可采用按成分控制模式， 將SiO2 交由人工控制， 憑經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析決定其保持不變還是適當(dāng)增減，其它幾種成分仍按常規(guī)由程序自動(dòng)計(jì)算， 這樣就保證了反饋調(diào)整仍然受控， 下一周期 4 種成分的增減量仍按預(yù)定方案調(diào)整，只是SiO2 的測(cè)定值只做參考， 下一周期再做驗(yàn)證?？紤]到一部分人的操作習(xí)慣， 喜歡微調(diào)某一種或兩種原料繼續(xù)觀察，本軟件也設(shè)定了這種模式， 將微調(diào)的方案輸入程序， 立刻就能得出結(jié)果， 操作人員可根據(jù)結(jié)果重新改變微調(diào)方案， 直到滿意，改“粗算”為“精算”。

　　3、生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)助手的應(yīng)用效果

　　使用該軟件后， 該廠試生產(chǎn)期間， 生料成分就得到充分保證， 正常情況， 經(jīng)“助手程序”計(jì)算后調(diào)整配料，一個(gè)班率值合格數(shù)可達(dá)到 6～7 個(gè)， 而完全由人工憑經(jīng)驗(yàn)控制， 一個(gè)班率值合格數(shù)最多有 3 個(gè)。如出現(xiàn)堵料等不正常情況，經(jīng)“助手程序”的幫助， 可排除堵料因素判斷需不需要調(diào)整配比， 率值很快能恢復(fù)正常。其中有一段時(shí)間， 由于熒光分析儀的原因，SiO2 測(cè)定數(shù)據(jù)波動(dòng)異常， 在“助手程序”上采用按成分調(diào)整模式， SiO2 由人工憑經(jīng)驗(yàn)加快速測(cè)硅結(jié)果綜合判斷，雖然熒光分析的表觀檢測(cè)率值合格率不高， 但有效地控制了其它三成分穩(wěn)定， 成分合格率保持在 80%以上。并在調(diào)整時(shí)可消除對(duì)SiO2 的擾動(dòng)， 綜合樣的化學(xué)分析結(jié)果也證明 SiO2 符合要求。

　　4、 生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)助手的拓展助手程序還輔以了配料計(jì)算功能， 方便快捷。并另有配料計(jì)算精算系統(tǒng)， 可模擬實(shí)際情況，在計(jì)算出的配比基礎(chǔ)上， 可以馬上模擬計(jì)量秤計(jì)量波動(dòng)、原料成分波動(dòng)、原料水分波動(dòng)和燃料熱值波動(dòng)等實(shí)際情況，直接測(cè)算出各種波動(dòng)對(duì)配料結(jié)果的單獨(dú)影響與綜合影響， 模擬測(cè)算迅速、快捷、精確量化， 從中可以分析影響的主要因素，及時(shí)采取對(duì)應(yīng)措施?！爸殖绦颉毖邪l(fā)成功后， 以此為模式， 又開發(fā)出了適用于立窯系統(tǒng)的率值配料自動(dòng)控制系統(tǒng)助手，即使立窯廠沒有配置率值配料自動(dòng)控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)助手對(duì)人工控制也有極有效的幫助作用。即使只有 Ca、Fe 滴定，也可使用本系統(tǒng)。在經(jīng)驗(yàn)操作模式下， 對(duì)未測(cè)定的 Si、Al 成分， 調(diào)整配比時(shí)可進(jìn)行保持相對(duì)穩(wěn)定或相對(duì)定量增減， 避免調(diào)整Ca、Fe 引起 Si、Al 擾動(dòng)。推廣過程中， 某立窯水泥廠包括煤、復(fù)合礦化劑有 10種原料， 經(jīng)改進(jìn)， 已經(jīng)適應(yīng)了10種原料系統(tǒng)的需求。

　　5、 結(jié)束語(yǔ)

　　“助手程序”是在工廠已經(jīng)配置生料率值自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的， 是一個(gè)完全獨(dú)立的 “專家系統(tǒng)”， 可以單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)電腦，也可以裝載在率值自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上， 單獨(dú)運(yùn)行。它與現(xiàn)有“率值自動(dòng)控制系統(tǒng)”的核心程序相比， 其特點(diǎn)是，可根據(jù)實(shí)際情況選擇計(jì)算模式， 有“率值控制自動(dòng)計(jì)算”模式、“成分控制自動(dòng)計(jì)算”模式，“率值手動(dòng)控制計(jì)算”模式、“成分手動(dòng)控制計(jì)算”模式及“微調(diào)配比手動(dòng)計(jì)算”模式，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與操作者的思維習(xí)慣選擇，各計(jì)算模式間可快速切換， 再加上 Pi 與 ξR 曲線與“模糊判斷”、在計(jì)算過程中充分的人機(jī)交流， 使操作者既可依賴系統(tǒng)的 “自動(dòng)計(jì)算”， 也可充分干涉系統(tǒng)的計(jì)算過程