率值配料自動控制系統(tǒng)助手的研究

　　生料率值自動控制系統(tǒng)的應用現狀水泥生料配料控制是水泥生產中最重要的環(huán)節(jié)之一。生料質量好壞直接影響熟料的產量和質量。目前我國絕大多數水泥廠的生料配料控制的模式如下：

　　1） 回轉窯廠， 尤其是 2000t/d 以上的新型干法回轉窯廠， 大都配備了生料率值自動控制系統(tǒng)， 即 QCS系統(tǒng)，但走訪了解許多廠后發(fā)現， 大多數水泥廠并沒有真正實現率值自動控制功能， 即只利用了其先進的X熒光檢測、配料秤實時監(jiān)控的檢測監(jiān)視功能與配料秤中控控制的集中控制功能， 而關鍵的“率值自動控制”， 即計算機利用X熒光檢測的結果， 自動計算進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。據了解，不投用的原因是投用后效果不好， 因為原料情況千變萬化， 由計算機自動控制時容易失控，還不如人工根據經驗控制的生料率值合格率高。因此， 只在原料質量非常穩(wěn)定時才投用， 而原料情況一旦出現波動，就改由人工控制。試生產期間就投運的還幾乎沒有。

　　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 含量波動較大， 即使出磨生料的鈣鐵煤指標完全合格， 也難保出磨生料率值的合格。在實際生產中， 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很大。由于生料率值自動控制系統(tǒng)的優(yōu)越功能，許多較先進的立窯廠也裝備了生料率值自動控制系統(tǒng)，但據了解， 其使用情況與回轉窯廠一樣。2 生料率值自動控制系統(tǒng)助手的開發(fā)ZRS 率值配料自動控制系統(tǒng)助手從數學模型開始，在實際生產中邊應用、邊完善。以下結合某新建的2500t/d 生產線的應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控制的前提一般來講， 生料成分波動時， 有以下幾種原因：
　　1）原料成分波動；
　　2）配料秤波動；
　　3） 原料水分波動， 如該廠采用濕排粉煤灰， 控制水分 15%～20%；
　　4）測定誤差。

　　這幾種原因一般同時存在， 但有時某一種起主要作用， 判斷清楚起主要作用的原因， 即可采取措施。分析其內在規(guī)律，根據檢測的數據判斷導致波動的主要原因， 調整時兼顧到三個率值， 從數理統(tǒng)計上是有規(guī)律可循的， 但計算繁瑣，在很短的時間內靠手工是難以做到的?！奥手蹬淞献詣涌刂葡到y(tǒng)助手”程序， 將繁瑣的計算、判斷由計算機來完成，在瞬間即可完成計算， 從各個角度給出數據信息， 根據這些信息來判斷和決策， 從而使操作人員心中有數，再加上經驗、感覺和現場綜合情況， 調整時就得心應手， 使生料質量大幅度提高。如果是配料秤波動或原料水分波動（ 原料水分變化， 就相當于干基物料配比發(fā)生了變化， 與配料秤波動的表觀特征相同）， 相對應的反算配比系數 Pi 與特征成分對應的綜合波動系數 ξR 點將發(fā)生同方向波動； 如果是測定誤差， 則只有有偏差的 Pi與 ξR 點將發(fā)生同方向波動， 而其它點正常； 如果是原料成分波動，則變化成分對應的 ξR 點將發(fā)生波動，其規(guī)律可根據具體原料成分分析，Pi 與 ξR 曲線排除了調整配比的影響， 其原料成分的變化情況、波動周期， 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 終于降至預定目標， 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。將數據輸入本軟件后， 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定配比的 2.2～2.5 倍， 誰也不敢， 因為配料秤已經反復標定，都認為不可能有如此大的偏差， 最后決定進行實物標定， 限于條件， 采用在皮帶秤穩(wěn)定工作時測定秤上兩點的時間差而后突然停機，稱量兩點間的物料質量進行標定， 結果秤的系數為 0.42。有關人員檢查后認為傳感器配置不正確，換傳感器重新標定后，由程序計算的 P 粉煤灰接近 0.7，但仍然達不到 1 左右， 最后只能就此運行， 將程序中粉煤灰的配料秤系數設定為0.7。

　　2.2、 確定數學模型是率值配料自動控制的基礎盡管各單位在推出率值配料自動控制時， 對核心程序的計算方法保密，但不外乎有幾種模式： ①利用補差法， 即根據目標值與測定值的差值， 進行各原料的增減， 使下一周期達到目標值；②利用反推法， 假定質量穩(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行重新核定配比， 以求達到目標值； ③PiD 調節(jié)法， 即假定原料成分的變化是隨機的， 符合正態(tài)分布規(guī)律，用PiD 調節(jié)原理， 選定合適的參數進行反饋調節(jié)； ④模糊法。這幾種方法各有所長， 補差法最實用， 也符合人的思維習慣，其難點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測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)定時尚可， 不穩(wěn)定時誤差就偏大， 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調節(jié)法的前提是理想假定， 實際操作中很難選取到合適的參數， 即使一段時間參數選取比較合適，原料情況一變，參數就又需要重新摸索， 并且調整間隔大導致調節(jié)周期太長。模糊法的控制理論較復雜，并且模糊因子的選定也需反復在實踐中摸索。

　　本軟件采用補差法， 同時同步用反推法進行比對參考， 并且采用了“模糊判斷”法， 將出磨檢測成分及率值進行模糊判斷， 參照人的思維習慣， 分為“合適”、“合格范圍內偏高”、“合格范圍內偏低”、“偏高”、“偏低”、“太高”和“太低”等， 在自動控制模式中根據模糊判斷結果分不同策略處理， 人工控制模式中模糊判斷結果僅以特定符號顯示提供參考， 不參與計算。

　　2.3 、預測下一周期的物料變化是率值配料自動控制的難點

　　假定下一周期的物料與上一周期的物料保持不變， 也是一種預測。據了解， 不少率值配料自動控制系統(tǒng)采用滾動平均法來預測，這也符合一般正態(tài)分布的理論。不過筆者進行了計算機模擬試驗， 發(fā)現在正態(tài)分布的隨機數據中， 采用滾動平均來預測下一個數據，其預測誤差的標準偏差確能縮小， 但在按照正態(tài)分布的“有條件隨機數據”中， 采用此法來預測下一個數據，其預測誤差的標準偏差有時能縮小， 但更多的時候是加大， 滾動的周期越長， 越接近于原始數據的標準偏差。這里“隨機數據”和“有條件隨機數據”， 是這樣定義的：

　　隨機數據： 是指在一個區(qū)間內， 數據是完全按照正態(tài)分布規(guī)律隨機出現的。如石灰石中的 CaO， 波動區(qū)間為 45～52，在這個區(qū)間內， 下一個 CaO 的測定值是按照正態(tài)分布規(guī)律隨機出現的， 與上一個測定值沒有聯系。

　　有條件隨機數據： 是指在一個區(qū)間內， 數據的變化是有條件的， 與上一個數據有關聯。首先， 數據變化的方向是有條件隨機出現的，但變化幅度卻是集中在一個更小的區(qū)間內按小區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律隨機出現。

　　有條件隨機出現， 是指上一個測定數據接近于中值時，增加或減少是隨機的， 接近于邊界值時， 增加或減少就不是隨機的， 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， 波動區(qū)間為 45～52， 上一個測定數據為 48.5，下一個測定數據不會在 45～52 范圍內按照大區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律隨機出現， 而是在 48.5 基礎上， 增加或減少是隨機的，但增加或減少的幅度會集中到一個更小的區(qū)間， 如， 下一個測定數據是在 48.5±0.8范圍內按照小區(qū)間正態(tài)分布規(guī)律隨機出現的， 其概率非常大， 遠比完全按照大區(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 范圍內出現的概率非常小。再如上一個測定數據為 47，下一個測定數據是在 47＋0.8 范圍內隨機出現的概率較大， 47－ 0.8 范圍內出現的概率較小， 而突破47±0.8，在 45～46.2 和 47.8～52 范圍內出現的概率更小。

　　有條件隨機數據的實質是： ①如連續(xù)測定物料成分，組成一個數據組集合｛Ｘ＝ｘ1，ｘ2，ｘ3……｝， 相鄰兩數據的差也組成一個數據組集合 ｛ΔＸ＝ｘ2－ ｘ1，ｘ3－ｘ2，ｘ4－ ｘ3……｝， ΔＸ 比 Ｘ 更接近于正態(tài)分布， 且 ΔＸ 的標準偏差小于 Ｘ的標準偏差。②出現大幅度突變的可能性較小。

　　筆者發(fā)現， 水泥廠經過處理的原料， 其成分的波動更符合“有條件隨機數據”。按照這一規(guī)律來預測下一周期物料的變化，將有效縮小預測的偏差。

　　2.4 、確定檢測成分對應的物料配比是率值配料自動控制的重點

　　水泥廠按時、定點取樣， 及時調整配比， 循環(huán)往復， 按說確定檢測樣品成分對應的物料配比不存在問題，但事實并非如此。原因有三： 

　　一是從取樣、檢測到反饋調整配比有一個時間差； 

　　二是從配料秤入磨到出磨取樣， 有一時間滯后；

　　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，因為一部分物料混入了窯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）。

　　第三個原因可通過出磨生料與入窯生料的對比解決，前兩個原因大都解決的不理想，因為滯后時間與取樣、調整的時間很難同步。某廠采用了如下的方法解決， 先通過密集取樣試驗， 實測磨內滯后時間為47min，  然后改取樣、檢測、調整周期為 2h/次， 取樣后下一小時放空不取樣， 第二小時開始， 連續(xù)取樣1h。這樣雖有效解決了檢測樣品成分對應的物料配比問題， 但延長了調整周期， 好在該廠預均化設施完善， 入磨原料穩(wěn)定。本軟件中有效解決了這一問題。解決的方法是設定各個時間段的實際配比對樣品的影響系數， 程序根據各影響系數進行模擬運算，計算出“樣品成分對應的物料配比”。影響系數與磨內停留時間、取樣、調整的時間有關。該廠是中卸磨，根據磨內物料存量和磨機產量經計算機模擬， 滯后時間也恰巧為47min，據此設定實際配比對樣品的影響系數。根據調整結果看，證實該方法很好地解決了這一問題。比較特殊的情況是， 一段時間由于粉煤灰水分超標， 頻繁堵料，造成實際配比與設定配比嚴重不符， 由生料率值自動控制系統(tǒng)的實時監(jiān)視功能和累計功能可確定實際配比，將實際配比輸入“助手程序”，下一周期反饋調節(jié)仍可正常進行， 并且結果理想。

　　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。筆者建議樣品中應包含窯灰。

　　2.5、測定誤差對率值配料自動控制的影響也是必須考慮的問題所有測定方法， 無論化學分析還是儀器分析都有誤差，但誤差須在一定范圍內， 誤差太大必有影響。該廠配置的是熒光分析儀， 但壓片機是手動的。這無疑加入了人為影響因素，加壓速度、壓力大小、保壓時間都會對熒光分析儀的檢測結果有影響。實踐證明， 對SiO2 的測定影響最大。經檢測，同一壓片反復測定， 檢測的結果在誤差范圍內， 但同一樣品， 經不同的人壓片或同一人重復壓片， SiO2的檢測結果誤差就超出允許范圍。除采取措施規(guī)范操作、與已知樣頻繁比對等措施外， 一旦出現意料之外的數據，按率值控制必然成問題。為此， 本軟件設定了幾種模式， 按率值控制模式和按成分控制模式。一旦出現個別意料之外的數據， 比如SiO2 異常， 就可采用按成分控制模式， 將SiO2 交由人工控制， 憑經驗和現場情況綜合分析決定其保持不變還是適當增減，其它幾種成分仍按常規(guī)由程序自動計算， 這樣就保證了反饋調整仍然受控， 下一周期 4 種成分的增減量仍按預定方案調整，只是SiO2 的測定值只做參考， 下一周期再做驗證?？紤]到一部分人的操作習慣， 喜歡微調某一種或兩種原料繼續(xù)觀察，本軟件也設定了這種模式， 將微調的方案輸入程序， 立刻就能得出結果， 操作人員可根據結果重新改變微調方案， 直到滿意，改“粗算”為“精算”。

　　3、生料率值自動控制系統(tǒng)助手的應用效果

　　使用該軟件后， 該廠試生產期間， 生料成分就得到充分保證， 正常情況， 經“助手程序”計算后調整配料，一個班率值合格數可達到 6～7 個， 而完全由人工憑經驗控制， 一個班率值合格數最多有 3 個。如出現堵料等不正常情況，經“助手程序”的幫助， 可排除堵料因素判斷需不需要調整配比， 率值很快能恢復正常。其中有一段時間， 由于熒光分析儀的原因，SiO2 測定數據波動異常， 在“助手程序”上采用按成分調整模式， SiO2 由人工憑經驗加快速測硅結果綜合判斷，雖然熒光分析的表觀檢測率值合格率不高， 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。并在調整時可消除對SiO2 的擾動， 綜合樣的化學分析結果也證明 SiO2 符合要求。

　　4、 生料率值自動控制系統(tǒng)助手的拓展助手程序還輔以了配料計算功能， 方便快捷。并另有配料計算精算系統(tǒng)， 可模擬實際情況，在計算出的配比基礎上， 可以馬上模擬計量秤計量波動、原料成分波動、原料水分波動和燃料熱值波動等實際情況，直接測算出各種波動對配料結果的單獨影響與綜合影響， 模擬測算迅速、快捷、精確量化， 從中可以分析影響的主要因素，及時采取對應措施?！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)的率值配料自動控制系統(tǒng)助手，即使立窯廠沒有配置率值配料自動控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)助手對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)。在經驗操作模式下， 對未測定的 Si、Al 成分， 調整配比時可進行保持相對穩(wěn)定或相對定量增減， 避免調整Ca、Fe 引起 Si、Al 擾動。推廣過程中， 某立窯水泥廠包括煤、復合礦化劑有 10種原料， 經改進， 已經適應了10種原料系統(tǒng)的需求。

　　5、 結束語

　　“助手程序”是在工廠已經配置生料率值自動控制系統(tǒng)基礎上開發(fā)的， 是一個完全獨立的 “專家系統(tǒng)”， 可以單獨設置一臺電腦，也可以裝載在率值自動控制系統(tǒng)的計算機上， 單獨運行。它與現有“率值自動控制系統(tǒng)”的核心程序相比， 其特點是，可根據實際情況選擇計算模式， 有“率值控制自動計算”模式、“成分控制自動計算”模式，“率值手動控制計算”模式、“成分手動控制計算”模式及“微調配比手動計算”模式，可根據現場實際情況與操作者的思維習慣選擇，各計算模式間可快速切換， 再加上 Pi 與 ξR 曲線與“模糊判斷”、在計算過程中充分的人機交流， 使操作者既可依賴系統(tǒng)的 “自動計算”， 也可充分干涉系統(tǒng)的計算過程， 使之按照自己的思維進行計算， 不再有“失控”的感覺。對于回轉窯系統(tǒng)，它設置了“包含窯灰”與“不包含窯灰”的情況； 對于立窯系統(tǒng)， 它設置了從 3 組分配料到包括煤、礦化劑在內的10組分配料， 基本上涵蓋了各種情況。本系統(tǒng)如果與成分測定儀器連接， 與中控或配料秤控制柜連接，就可構成完整的率值配料自動控制系統(tǒng)， 這還有待于繼續(xù)完善。