水泥粉磨過(guò)程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)研究

  1 引言

  水泥磨是水泥生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，能耗高，磨損大，水泥磨的自動(dòng)化控制水平直接影響著水泥產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗。然而對(duì)于復(fù)雜的水泥磨控制系統(tǒng)，由于水泥磨本身具有的大時(shí)滯、多約束、多變量以及變量間的強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，控制精度難以保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，以PID控制為基本原理的自適應(yīng)PID、模糊PID等不斷成熟，為水泥磨系統(tǒng)控制注入了新的活力。

  目前我國(guó)水泥廠采用的自動(dòng)配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各路物料下料比例的控制，使生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)成份達(dá)到合格的要求，但在質(zhì)量控制及產(chǎn)量方面存在如下問(wèn)題：憑借操作工人經(jīng)驗(yàn)控制喂料量，產(chǎn)量調(diào)整主要依賴(lài)定時(shí)化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行，造成調(diào)節(jié)滯后；調(diào)節(jié)滯后容易造成細(xì)度（或比表面積）波動(dòng)；沒(méi)有準(zhǔn)確有效的磨機(jī)料位測(cè)量手段，無(wú)法判斷磨機(jī)內(nèi)的料位及變化；難以在質(zhì)量合格前提下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大及穩(wěn)定，因而粉磨過(guò)程電耗偏高；當(dāng)磨機(jī)內(nèi)物料過(guò)多時(shí)容易形成飽磨，會(huì)導(dǎo)致跑粉、磨內(nèi)溫度增高、水泥細(xì)度跑粗等問(wèn)題；當(dāng)磨機(jī)內(nèi)物料過(guò)少時(shí)，會(huì)造成鋼球、襯板磨損增大，產(chǎn)量急劇減少等問(wèn)題。

  “水泥粉磨過(guò)程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)”以安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，針對(duì)粉磨過(guò)程的運(yùn)行特點(diǎn)，采用自尋優(yōu)、自適應(yīng)等先進(jìn)控制算法與常規(guī)控制算法相結(jié)合的控制策略，實(shí)現(xiàn)粉磨過(guò)程自動(dòng)控制，保證了粉磨過(guò)程安全、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。適用于水泥廠生料粉磨過(guò)程和水泥粉磨過(guò)程。

  通過(guò)噪聲傳感器檢測(cè)磨機(jī)噪聲信號(hào)，經(jīng)變送器處理后得到能夠準(zhǔn)確反映磨機(jī)內(nèi)存料量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)磨機(jī)內(nèi)料位的準(zhǔn)確測(cè)量；控制磨機(jī)喂料總量、磨內(nèi)通風(fēng)量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等，調(diào)節(jié)磨機(jī)內(nèi)物料量、物料流速和循環(huán)負(fù)荷，并對(duì)磨機(jī)內(nèi)料位、物料流動(dòng)速度和循環(huán)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，保證磨機(jī)始終能在保證細(xì)度指標(biāo)的前提下運(yùn)行在最佳狀態(tài)；粉磨過(guò)程狀態(tài)的穩(wěn)定，能夠使得產(chǎn)品細(xì)度穩(wěn)定、均勻性得到改善，保證質(zhì)量、提高產(chǎn)量，對(duì)水泥廠生產(chǎn)過(guò)程降低電耗，提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義；同時(shí)，控制系統(tǒng)投入后，能夠防止空磨及飽磨，減輕運(yùn)行、勞動(dòng)強(qiáng)度，減少維護(hù)費(fèi)用，改善工作環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

  2 水泥磨優(yōu)化控制原理

  2.1磨機(jī)內(nèi)存料量測(cè)量

  磨機(jī)內(nèi)鋼球、鋼段和襯板相互碰撞產(chǎn)生噪聲，磨機(jī)噪聲隨著磨機(jī)內(nèi)料位（存料量）的變化而變化。在磨機(jī)料位低小時(shí)，鋼球、襯板碰撞的幾率大、能量大，產(chǎn)生的噪聲大；在磨機(jī)料位增高時(shí)，因?yàn)槲锪系牟粩嗵畛?，鋼球、鋼段和襯板碰撞的幾率減小、能量變小，產(chǎn)生的噪聲也減小。因而，用噪聲傳感器采集磨機(jī)噪聲信號(hào)，經(jīng)由變送器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)進(jìn)行分析與處理，就可以檢測(cè)到磨機(jī)料位的大小和變化。

  經(jīng)過(guò)在不同水泥廠、不同型號(hào)磨機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用，噪聲傳感器與料位變送器能夠準(zhǔn)確、靈敏地測(cè)量磨機(jī)內(nèi)存料量多少和存料量實(shí)際變化，而且通風(fēng)量、原料品質(zhì)的變化、原料的干濕對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響都很小。磨機(jī)內(nèi)料位的準(zhǔn)確測(cè)量為整個(gè)粉磨過(guò)程的自動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。

  2.2料位優(yōu)化控制

  在一定工況下，磨機(jī)料位--產(chǎn)量特性曲線如圖1所示。從曲線可以看出，磨機(jī)的產(chǎn)量并不存料量的增加而持續(xù)增大，實(shí)際上磨機(jī)存在最大產(chǎn)量料位點(diǎn)，即最佳工作點(diǎn)。雖然磨機(jī)的料位-產(chǎn)量特性曲線存在著極值特性，但是其無(wú)法用公式表達(dá)，而且會(huì)隨外界因素（例如物料、工況、機(jī)械磨損等）的變化而變化，特性曲線會(huì)發(fā)生漂移，但仍存在最佳工作點(diǎn)。根據(jù)粉磨過(guò)程運(yùn)行存在最大產(chǎn)量這一特性，采用優(yōu)化控制算法，對(duì)磨機(jī)的最佳料位點(diǎn)進(jìn)行搜索，以找到最大產(chǎn)量為方向，逐漸向最佳料位點(diǎn)靠近。優(yōu)化控制屬于控制的上層，對(duì)下層控制回路的操作目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

  圖1 磨機(jī)料位-產(chǎn)量特性曲線

  針對(duì)磨機(jī)大慣性、純滯后、參數(shù)時(shí)變的特點(diǎn)，采用自尋優(yōu)、自適應(yīng)和智能PI控制相結(jié)合的控制策略，控制框圖如圖2所示。智能PI控制算法能夠保證穩(wěn)定工況下磨機(jī)料位的穩(wěn)定，并有較好動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制性能；在粉磨過(guò)程工況發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象參數(shù)隨之改變，采用自適應(yīng)控制算法使得常規(guī)控制器參數(shù)能夠自動(dòng)適應(yīng)對(duì)象模型的變化，保證粉磨系統(tǒng)在工況變化時(shí)的控制性能。

  圖2 磨機(jī)料位優(yōu)化控制原理框圖

  2.3物料流速與循環(huán)負(fù)荷控制

  物料在磨機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間主要由物料的流動(dòng)速度來(lái)決定，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易造成過(guò)磨，停留時(shí)間過(guò)短容易造成細(xì)度或比表面積不合格，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格或經(jīng)選粉機(jī)后再次進(jìn)入磨機(jī)進(jìn)行二次或多次研磨。循環(huán)負(fù)荷同樣對(duì)磨機(jī)產(chǎn)量、質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，過(guò)大或過(guò)小的循環(huán)負(fù)荷都會(huì)導(dǎo)致磨機(jī)產(chǎn)量下降。物料流速依靠料位、料位分布及磨內(nèi)通風(fēng)進(jìn)行控制；循環(huán)負(fù)荷通過(guò)物料流速、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

  3 水泥磨優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

  3.1項(xiàng)目背景

  北京市琉璃河水泥有限公司2#水泥磨為閉路磨，磨機(jī)規(guī)格為￠4.2×11米，控制采用北京和利時(shí)控制系統(tǒng)公司的MACS分布式控制系統(tǒng)（DCS），水泥磨的設(shè)計(jì)產(chǎn)量為90-110T/h，目前42.5#水泥的實(shí)際產(chǎn)量為90-100T/h，水泥磨單耗40KWh/T。DCS系統(tǒng)可以為每套粉磨系統(tǒng)提供一組AI點(diǎn)（0-20mA信號(hào)）。在實(shí)現(xiàn)磨機(jī)內(nèi)物料量的準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)控制磨機(jī)喂料量；根據(jù)比表質(zhì)量調(diào)節(jié)選粉機(jī)轉(zhuǎn)速；在水泥磨喂料、排風(fēng)機(jī)、選粉機(jī)、磨機(jī)、提升機(jī)電流故障情況能夠進(jìn)行自動(dòng)處理，在保證質(zhì)量的前提下，保證水泥磨自動(dòng)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

  圖3 2#水泥粉磨過(guò)程工藝圖

  圖中測(cè)點(diǎn)包括：噪聲料位、電機(jī)電流、出口風(fēng)壓、提升機(jī)電流、選粉機(jī)電流、回粉量；控制點(diǎn)包括：入磨喂料總量控制點(diǎn)、風(fēng)量控制點(diǎn)和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速控制點(diǎn)。

  3.2系統(tǒng)構(gòu)成

  針對(duì)DCS系統(tǒng)的水泥廠粉磨過(guò)程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。新增CMOCS站（內(nèi)置兩塊網(wǎng)卡），CMOCS上運(yùn)行ifix組態(tài)軟件，ifix作為OPC 服務(wù)器運(yùn)行，服務(wù)區(qū)A、B訪問(wèn)CMOCS 中的ifix OPC服務(wù)器。硬件配置如表1所示。

  表1  單套粉磨過(guò)程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)配置

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  圖4 琉璃河水泥粉磨系統(tǒng)DCS結(jié)構(gòu)圖

  3.3控制方案

  采用的控制包括：承重倉(cāng)物料量控制、入磨物料量控制、料位控制、循環(huán)負(fù)荷控制。其中循環(huán)負(fù)荷控制為微量控制，承重倉(cāng)物料量控制為定范圍調(diào)節(jié)（在范圍內(nèi)不調(diào)節(jié)，超出一定量后調(diào)節(jié)），磨機(jī)料位控制為實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。擬采集過(guò)程參數(shù)包括：承重倉(cāng)重量（或料位）信號(hào)、磨機(jī)料位信號(hào)、磨機(jī)電流（或功率）信號(hào)、入磨物料量、出磨提升機(jī)電流信號(hào)、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、水泥入庫(kù)提升機(jī)電流信號(hào)。控制點(diǎn)包括：分料閥開(kāi)度、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等。

  另外，為了保證整個(gè)粉磨過(guò)程能夠達(dá)到最佳運(yùn)行，需要對(duì)選粉機(jī)進(jìn)行微調(diào)，屬于小范圍自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)循環(huán)負(fù)荷自動(dòng)控制。同時(shí)在優(yōu)化時(shí)，同時(shí)對(duì)循環(huán)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)粉磨系統(tǒng)整體優(yōu)化。#2水泥粉磨過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)界面如圖5所示。

  圖5 #2水泥磨粉磨CMOCS優(yōu)化站系統(tǒng)界面

  承重倉(cāng)控制回路：

  目的：保證承重倉(cāng)物料重量在一定范圍內(nèi)。

  原理：根據(jù)承重倉(cāng)物料重量，調(diào)節(jié)配料總量。通過(guò)配料控制實(shí)現(xiàn)承重物料重量在設(shè)定范圍內(nèi)。

  圖6 2#水泥磨粉磨過(guò)程承重倉(cāng)控制原理圖

  料位控制回路：

  目的：保證磨機(jī)一倉(cāng)物料量穩(wěn)定在最佳狀態(tài)，保證研磨效果。

  原理：磨機(jī)一倉(cāng)料位，調(diào)節(jié)入磨分料閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)入磨物料量的調(diào)節(jié)，保證一倉(cāng)料位穩(wěn)定在設(shè)定狀態(tài)。

  料位設(shè)定優(yōu)化：由于物料性質(zhì)的變化會(huì)引起最佳料位值的變化（由噪聲變化或系統(tǒng)狀態(tài)[包括物料]變化引起），同時(shí)考慮比表面積與指標(biāo)的偏差，最終對(duì)料位設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。

  圖7 2#水泥磨粉磨過(guò)程料位控制原理圖

  循環(huán)負(fù)荷控制回路：

  目的：保證磨機(jī)循環(huán)負(fù)荷穩(wěn)定。

  原理：磨機(jī)一倉(cāng)料位，調(diào)節(jié)入磨分料閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)入磨物料量的調(diào)節(jié)，保證一倉(cāng)料位穩(wěn)定在設(shè)定狀態(tài)。

  料位設(shè)定優(yōu)化：由于物料性質(zhì)的變化會(huì)引起最佳料位值的變化（由噪聲變化或系統(tǒng)狀態(tài)變化引起），同時(shí)考慮比表面積與指標(biāo)的偏差，最終對(duì)料位設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。

  圖8 2#水泥磨粉磨過(guò)程循環(huán)負(fù)荷控制原理圖

  3.4結(jié)果分析

  圖9記錄了某年8月至9月手/自動(dòng)運(yùn)行產(chǎn)量數(shù)據(jù)：選取24小時(shí)不間斷運(yùn)行、物料配比較平穩(wěn)的14個(gè)產(chǎn)量日（手動(dòng)7天、自動(dòng)7天）對(duì)比可見(jiàn)，投入自動(dòng)化運(yùn)行以來(lái)，2#水泥磨的產(chǎn)量較為穩(wěn)定。

  圖9 2#水泥磨粉磨過(guò)程自動(dòng)、手動(dòng)運(yùn)行產(chǎn)量對(duì)比圖

  圖10為同一時(shí)間段手/自動(dòng)運(yùn)行的比表合格率折線圖：對(duì)比可見(jiàn)，自動(dòng)運(yùn)行質(zhì)量水平與手動(dòng)操作相當(dāng)，但總體趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，即質(zhì)量合格率較為穩(wěn)定。

  圖10 2#水泥磨粉磨過(guò)程自動(dòng)、手動(dòng)運(yùn)行質(zhì)量對(duì)比圖

  自某年8月2日起，手動(dòng)運(yùn)行7天有效數(shù)據(jù)，平均臺(tái)時(shí)產(chǎn)量為93.98噸；自動(dòng)運(yùn)行7天有效數(shù)據(jù)，平均臺(tái)時(shí)產(chǎn)量96.49噸，增產(chǎn)2.51噸、計(jì)2.6%。產(chǎn)量的上升代表能耗的降低，以此推算，本項(xiàng)目平均每天節(jié)省電耗2831.28千瓦時(shí)（2.51噸×47千瓦時(shí)×24小時(shí)）。

  4 結(jié)論

  通過(guò)艾貝爾科技水泥磨優(yōu)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目（CMOCS）的實(shí)施，使磨機(jī)長(zhǎng)期處于最佳的工況運(yùn)行，減小水泥制粉的耗電量，提高水泥生產(chǎn)效率，穩(wěn)定水泥生產(chǎn)質(zhì)量。該技術(shù)的推廣能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。