賈華平：多變量智能控制回路在水泥廠的應(yīng)用

  2015年9月12日，天瑞集團水泥有限公司總工程師賈華平在參加第三屆中國水泥節(jié)能環(huán)保交流大會時作了題為《多變量只能控制回路在水泥廠的應(yīng)用》的主題報告。他表示，中國水泥行業(yè)的年產(chǎn)量在世界一路領(lǐng)先，工藝技術(shù)與裝備質(zhì)量方面也在不斷縮小與國外的差距，但我們的勞動生產(chǎn)率還有較大的差距。在兩化融合方面，我國水泥工業(yè)落后國外太多。

  賈華平從智能化與自動化的區(qū)別、自動化能力的局限性、自控調(diào)節(jié)回路的智能化、局部智能化在水泥廠的應(yīng)用四個方面分析了中國水泥工業(yè)智能化之路。

  中國水泥行業(yè)，年產(chǎn)量從1996年的4.9億噸拿下世界第一后便一路領(lǐng)先，2014年突破了24億噸，規(guī)模不可謂不大；工藝技術(shù)方面，已經(jīng)對國內(nèi)引進的生產(chǎn)線進行了大量改造，并且在國際上也得到認可；裝備質(zhì)量方面，已經(jīng)在國外建設(shè)投產(chǎn)了多條生產(chǎn)線，包括世界單線規(guī)模最大的12000t/d生產(chǎn)線，與國外的差距也在縮小，但我們的勞動生產(chǎn)率還有較大的差距。

  據(jù)介紹，對于一個4000t/d熟料能力的水泥廠（相當于國內(nèi)的5000t/d線），目前中國定員的先進水平是300人，泰國的最高水平已達到30人，而世界上的最好水平是每班只有3個人，其中中控室1人、現(xiàn)場巡檢2人。如此高的生產(chǎn)效率，除了可靠的裝備以外，必須依賴于高度的自動化和智能化。

  根據(jù)2009年的有關(guān)統(tǒng)計資料，熟料生產(chǎn)的熱耗，國際上最先進的技術(shù)指標已經(jīng)突破了650kcal/kg（2717kj/kg）；水泥生產(chǎn)的電耗，國際上最先進的指標已降到80kWh/t以下。

  如果考慮中低溫廢氣余熱發(fā)電，每生產(chǎn)1噸熟料還能回收35～45kWh的電能，使噸水泥生產(chǎn)的凈電耗降為40～60kWh/t。已經(jīng)開始顛覆水泥生產(chǎn)屬于工業(yè)耗電大戶的傳統(tǒng)觀念。

  據(jù)工信部“兩化融合管理體系”2015年貫標培訓(xùn)資料，美國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在上世紀五十年代中，工業(yè)企業(yè)白領(lǐng)人員的數(shù)量已經(jīng)超過了藍領(lǐng)，由此促進了企業(yè)管理信息系統(tǒng)的發(fā)展；到八十年代末九十年代初，其管理信息系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟，然后又融合了已經(jīng)發(fā)展起來的新技術(shù)，如電子郵件、互聯(lián)網(wǎng)等，由此拉大了與我們的距離。

  相比之下，我國水泥工業(yè)落后太多。

  為了深入貫徹黨的十八大關(guān)于兩化深度融合的戰(zhàn)略部署，落實好國家《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃》，工業(yè)和信息化部于2015年01月30日發(fā)布了《原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）》（以下簡稱《推進計劃》）。

  為了縮小我國水泥行業(yè)在智能化方面與國外的差距，《推進計劃》同時對水泥行業(yè)提出了明確要求：在水泥行業(yè)選取2～3家先進企業(yè)，建設(shè)基于自適應(yīng)控制、模糊控制、專家控制等先進技術(shù)的智能水泥生產(chǎn)線；到2018年，水泥行業(yè)應(yīng)用優(yōu)化控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線要達到50%，建成一批生產(chǎn)裝備智能、生產(chǎn)過程智能、生產(chǎn)經(jīng)營智能的智能化工廠。

  一、智能化與自動化的區(qū)別

  當今工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向，美國提出了工業(yè)互聯(lián)、德國提出了工業(yè)4.0、中國提出了兩化深度融合（指：信息化與工業(yè)化在更大的范圍、更細的行業(yè)、更廣的領(lǐng)域、更高的層次、更深的應(yīng)用、更多的智能方面實現(xiàn)彼此交融）。

  無論提法有何不同，其本質(zhì)是一樣的，自動化的范圍向上發(fā)展到智能化，向下擴展到生產(chǎn)的整個工藝過程。

  自動化（Automation）：指機器設(shè)備、系統(tǒng)或過程（生產(chǎn)、管理過程）在沒有人或較少人的直接參與下，按規(guī)定的程序或指令，自行的檢測狀態(tài)、處理信息、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預(yù)期的目標。包括設(shè)備、系統(tǒng)、過程，均處于自動化狀態(tài)。

  智能化（Intelligent）：指利用現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、結(jié)合行業(yè)技術(shù)，匯集而成的針對某一個方面的應(yīng)用，具有一定的人工智能或擬人智能的特性或功能。例如具有一定的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自校正、自診斷、自修復(fù)、自組織、自協(xié)調(diào)等功能。

  所謂的“人類智慧”，是從感知（信息的檢測與傳遞）到記憶（信息的儲存）再到思維（對信息的邏輯化處理、對已有邏輯的因果類比），這一過程被稱為“智慧”；智慧的結(jié)果（因果類比的導(dǎo)向作用）產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”；將智慧和能力合在一起，就是“智能”。

  智能一般具有的特點：

  一是具有感知能力。即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，這是產(chǎn)生智能活動的前提條件和必要條件；

  二是具有記憶和思維能力。即能夠存儲感知到的外部信息、再通過思維將信息轉(zhuǎn)化為知識、累積為經(jīng)驗，同時能夠利用已有的知識和經(jīng)驗對信息進行分析、計算、比較、判斷、聯(lián)想、決策；

  三是具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。即通過與環(huán)境的交互作用，不斷學(xué)習(xí)積累知識、不斷的類比獲得經(jīng)驗，使自己能夠適應(yīng)環(huán)境的變化；

  四是具有行為決策能力。即能對外界的信息作出反應(yīng)，能在邏輯的驅(qū)動下形成意愿，然后通過語言和行為把意愿表達出來。

  就智能化的系統(tǒng)和裝置來說，它應(yīng)該具有如下特征：

  一是能自動完成某些任務(wù)，或在程序指導(dǎo)下完成預(yù)定工作；

  二是具有進行某種復(fù)雜計算和修正誤差的數(shù)據(jù)處理能力；

  三是具有自檢測、自校正、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自組織、自協(xié)調(diào)等某項“自”字功能；

  四是便于通過標準總線，組成多種裝置的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，并且能靈活地改變功能和擴張功能。

  我們對具有上述智能特征的系統(tǒng)，冠以智能系統(tǒng)；而對具有部分智能特征的系統(tǒng)，冠以智能化系統(tǒng)。簡單的說，智能化是自動化的高級發(fā)展，自動化是智能化的基礎(chǔ)部分；智能化是在自動化基礎(chǔ)上，通過引入“數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化”，實現(xiàn)了一些智慧和能力的高級發(fā)展。

  自動化相對要簡單的多，一般的自動化系統(tǒng)或裝置能夠根據(jù)既定指令進行操作調(diào)整，實現(xiàn)無人控制。自動化一般會出現(xiàn)對于不同情況作出相同反應(yīng)的結(jié)果，就像所有的生物具有一定的遺傳本能一樣，多用于重復(fù)性的工作或工程中，其過程類比于數(shù)學(xué)的一元一次方程。

  智能化是自動化的高級發(fā)展，是在自動化基礎(chǔ)上又加入了類似于人類一樣的智慧程序。智能化具有一定的學(xué)習(xí)能力，能根據(jù)外界的信息豐富自己，自主產(chǎn)生新的指令。智能化一般能根據(jù)多種不同情況作出不同的反應(yīng)，就像高等動物除了本能以外 還具有一定的自適應(yīng)能力，其過程類比于數(shù)學(xué)的多元多次方程。

  智能化的工作過程包括：信息的檢測、采集、傳輸、處理與儲存；指令的形成、調(diào)整與發(fā)出；指令的執(zhí)行與結(jié)果的反饋。這些過程都離不開工業(yè)化、自動化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化這些基礎(chǔ)，所以說智能化是一個系統(tǒng)工程，每一個環(huán)節(jié)都非常重要。

  工業(yè)和信息化部的《推進計劃》，針對水泥工業(yè)生產(chǎn)流程化、產(chǎn)品大宗化、資源能源消耗高等特點，基本給出了一個智能水泥廠的概念。智能化的水泥廠不僅包括如下內(nèi)容：

  （1）基于自適應(yīng)控制、模糊控制、專家控制等先進技術(shù)，利用智能儀器儀表、工業(yè)機器人、計算機仿真、移動應(yīng)用等信息系統(tǒng)與專用裝備，進一步突出實時控制、運行優(yōu)化和綜合集成，基本實現(xiàn)礦山開采、配料管控、窯爐燒成、水泥粉磨全系統(tǒng)全過程的智能優(yōu)化；

  （2）應(yīng)用機器人等技術(shù)，在礦山爆破排險、窯爐運行維護、投料裝車作業(yè)、高溫高塵搶修等，危害、危險、重復(fù)作業(yè)的環(huán)節(jié)，基本實現(xiàn)無人值守或機器人替代人工作業(yè)；

  （3）建設(shè)信息物理融合系統(tǒng)（CPS），實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)運營的自動化、數(shù)字化、模型化、可視化、集成化，提高企業(yè)勞動生產(chǎn)率、安全運行能力、應(yīng)急響應(yīng)能力、風(fēng)險防范能力和科學(xué)決策能力；

  （4）在生產(chǎn)管控和經(jīng)營決策中，通過大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，應(yīng)用商業(yè)智能系統(tǒng)（BI）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM），建立對采購、生產(chǎn)、倉儲、銷售、運輸、質(zhì)量、資源、能源和財務(wù)等全方位的智能管控平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品、市場和效益的動態(tài)監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警，提升各環(huán)節(jié)的資源優(yōu)化配置能力和智能決策水平；

  （5）建立與供應(yīng)商和用戶的上下游協(xié)作管理系統(tǒng)，按照供應(yīng)商提前介入（EVI）、準時生產(chǎn)技術(shù)（JIT）等模式，統(tǒng)一企業(yè)資源計劃（ERP）等企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息交換接口、標準和規(guī)范，通過信息共享和實時交互，實現(xiàn)物料協(xié)同、儲運協(xié)同、訂貨業(yè)務(wù)協(xié)同以及財務(wù)結(jié)算協(xié)同。

  根據(jù)這個《推進計劃》的具體要求，智能水泥廠涵蓋生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)經(jīng)營的全面智能化；但同時強調(diào)“到2018年，水泥行業(yè)應(yīng)用優(yōu)化控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線要達到50%”。可見生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)智能化是水泥智能工廠的基礎(chǔ)，沒有生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，所謂的“智能工廠”只能是一個“殘疾兒”。

  二、自動化能力的局限性

  看似簡單的水泥工藝，其過程中包含有大量的物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及物理化學(xué)反應(yīng)，囊括了地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、巖相學(xué)、流體學(xué)、燃燒學(xué)、熱傳導(dǎo)、結(jié)晶學(xué)等專業(yè)學(xué)科，要使整個過程處于受控狀態(tài)，按照我們設(shè)計的P-T-t軌跡（礦物學(xué)術(shù)語）運行，不但需要維持物料的量和質(zhì)的均衡穩(wěn)定，而且必須維持好各系統(tǒng)各工序各個特征參數(shù)的穩(wěn)定。

  對于大工業(yè)生產(chǎn)，各種原燃材料以及各工序的工況，其波動是難以避免的，各項生產(chǎn)控制參數(shù)的穩(wěn)定、以及過程產(chǎn)品和成品性能指標的穩(wěn)定，都需要通過及時地操作調(diào)整才能得以實現(xiàn)。對于如此艱巨的任務(wù)，自動化已經(jīng)顯得力不從心。

  1、仍在手動調(diào)節(jié)的自動化控制系統(tǒng)

  水泥生產(chǎn)中的控制操作，可以是人工手動的，也可以是儀表自控的，但最好是智能程控的。因為變化無時不在，調(diào)節(jié)無時不需，而人的精力和經(jīng)驗是有限的。所以，從預(yù)分解窯生產(chǎn)工藝誕生的第一天起，人們就在謀求生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化，在整個水泥的生產(chǎn)控制中，從原料開采直到水泥出廠，引入了幾十個儀表自控調(diào)節(jié)回路。

  這些自控調(diào)節(jié)回路主要采用PID（比例--積分--微分）調(diào)節(jié)器完成。將儀器儀表對特征參數(shù)的測量值與設(shè)定值進行比較，當出現(xiàn)偏差時，調(diào)節(jié)器利用比例、積分、微分作用生成調(diào)節(jié)值，對執(zhí)行機構(gòu)進行修正動作，以不斷的消除偏差，使測量值與設(shè)定值保持在較高的一致上。

  輸出的變化量與偏差成比例，稱之為比例作用；當有偏差輸入時，輸出隨時間不斷地上升或下降之動作，稱之為積分作用；輸出與偏差的變化速度成比例之動作，稱之為微分作用。在實際應(yīng)用中，PID三種作用相互協(xié)調(diào)，使調(diào)節(jié)過程處于最佳工作狀態(tài)。

  遺憾的是，大家在這方面費了不少勁，花了不少錢，但直到今天，仍然很不理想。雖然花錢裝備了自控調(diào)節(jié)回路，但多數(shù)仍然以手動調(diào)節(jié)為主。

  2、單變量儀表自控調(diào)節(jié)模型的局限性

  我國水泥工業(yè)在近十來年的產(chǎn)業(yè)升級過程中，幾乎全部水泥企業(yè)都采用了新型干法生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了中央控制室的DCS集散系統(tǒng)操控、生產(chǎn)線全程流水生產(chǎn)作業(yè)，相比于其他很多行業(yè)的工業(yè)，自動化水平應(yīng)在工業(yè)領(lǐng)域居于前列。

  但是應(yīng)該看到，雖然我們花錢裝備了幾十個自動調(diào)節(jié)回路，努力提高我們的自動化水平，但實際生產(chǎn)中我們?nèi)远嘁允謩尤斯ふ{(diào)節(jié)為主。我們可以看看，在國內(nèi)的上千條生產(chǎn)線上、每條線的幾十個控制回路中，又有幾個是好用的呢？

  為了找出目前的自動化控制系統(tǒng)仍不能有效運行的問題所在，我們不妨就以大家認為非常重要的“預(yù)熱器C5旋風(fēng)筒出口溫度自控調(diào)節(jié)回路”展開一下討論。

  現(xiàn)有的自控調(diào)節(jié)回路認為，出C5旋風(fēng)筒的氣體是窯尾廢氣和分解爐廢氣混合后的熱氣流。其溫度的高低，一則反應(yīng)著C5旋風(fēng)筒入窯物料的分解率，二則也反應(yīng)著出分解爐內(nèi)的燃燒狀況，是一個非常重要的特征參數(shù)。

  隨著窯尾氣體的變化及物料量的波動，出C5旋風(fēng)筒氣體的溫度勢必會波動。通過調(diào)整分解爐的喂煤量，調(diào)整分解爐的廢氣溫度，便可保持其相對穩(wěn)定，繼而減少入窯物料分解率的波動，為窯的熱工制度的穩(wěn)定創(chuàng)造良好條件。

  其建立的調(diào)整數(shù)學(xué)模型為：

  “分解爐的喂煤量”＝＞“C5旋風(fēng)筒出口氣體溫度”。（注：A=>B為邏輯學(xué)符號，表示命題A與B的蘊涵關(guān)系，后同）

  實踐證明，這個回路在燒成系統(tǒng)正常時有一定的作用，但在燒成系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動時，幾乎是沒有作用，甚至起副作用。問題出在哪兒了呢？仔細分析便會發(fā)現(xiàn)，這個調(diào)節(jié)模型建立得過于簡單。

  影響“C5旋風(fēng)筒出口氣體溫度”的因素，并不只是一個“分解爐的喂煤量”，還有諸如系統(tǒng)的喂料量、物料的易燒性、系統(tǒng)的通風(fēng)量、分解爐的燃燒情況、煤質(zhì)的變化、窯內(nèi)的喂煤量、窯內(nèi)的燃燒情況、窯的轉(zhuǎn)速、篦冷機的冷卻情況，甚至系統(tǒng)的漏風(fēng)、環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)散熱的影響等因素有關(guān)。如果無法確立“分解爐的喂煤量”與“C5旋風(fēng)筒出口氣體溫度”相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，也就不可能有正確的調(diào)節(jié)。

  三、自控調(diào)節(jié)回路的智能化

  我們之所以在“智能”后面加了一個“化”字，這個“化”是一個動詞，就是變化，表示向“智能”的趨近，并不一定要求全部實現(xiàn)前面表述的所有“智能”特征。事實上，由于“自動化”遠遠不能滿足提高水泥生產(chǎn)效率的需要，我們已不自主的對一些“自動化”考慮了一些“智能”措施，而且取得了一定的效果。

  比如，我們考慮到依賴自動化的預(yù)均化堆場和生料均化庫在物料均化上的局限性，引入了“先檢驗后配用”的終極思路，采用每種物料配置一臺在線分析儀的措施，并將其集合成一個智能的配料系統(tǒng)，這就是穩(wěn)定物料質(zhì)量的智能化。

  或許有人會說這套系統(tǒng)的投資比熒光儀配料大得太多了，但是，它比預(yù)均化堆場和生料均化庫便宜得太多了，這就是智能化的優(yōu)勢。

  就某一個具體調(diào)節(jié)回路來講，我們?nèi)匀灰浴邦A(yù)熱器C5旋風(fēng)筒出口溫度自控調(diào)節(jié)回路”為例展開討論。

  我們可以建立一個新的調(diào)整模型：

  分解爐的喂煤量＝＞∑

  （C5旋風(fēng)筒出口氣體溫度，系統(tǒng)生料喂料量，生料KH、SM、細度，窯灰喂入量，C1出口的溫度、壓力、O2、CO，分解爐出口的溫度、壓力、O2、CO，煤粉的熱值、揮發(fā)份、細度、水分，后窯口的溫度、壓力、O2、CO，三次風(fēng)溫度、閘板開度……）

  總之，只要你能想到的因素，就只管往蘊含變量里加，然后進行相關(guān)性統(tǒng)計分析。根據(jù)不同的相關(guān)系數(shù)，給予各蘊含變量不同的調(diào)節(jié)權(quán)重，各蘊含變量對于喂煤調(diào)節(jié)量的代數(shù)和，便是分解爐喂煤量的調(diào)節(jié)量。

  相關(guān)性分析并不復(fù)雜，但如此大量而且頻繁的統(tǒng)計工作也太麻煩了點兒，這也沒關(guān)系，把它交給計算機，用計算機程序來做相關(guān)性分析是小菜一碟。計算機來做相關(guān)性分析是非常簡單有效的，不僅可以從初始的統(tǒng)計分析開始，設(shè)定初始的調(diào)節(jié)權(quán)重，而且能每時、每天、每月、每年的一直做下去。

  為了適應(yīng)各種因素的新情況、新變化，設(shè)定按照“先入先出的原則”滾動記錄最近10天的數(shù)據(jù)、并進行相關(guān)性分析（可根據(jù)實際情況的異變速度和頻次，確定和調(diào)整滾動天數(shù)）。根據(jù)最新的分析結(jié)果，及時地調(diào)整調(diào)節(jié)權(quán)重的分配，使其在不斷地循環(huán)調(diào)整中趨于合理化，自動調(diào)節(jié)回路的效果就會越來越好（已經(jīng)是智能調(diào)節(jié)回路了）。

  粗略總結(jié)一下， 將目前的“單變量、設(shè)定參數(shù)、線性調(diào)節(jié)”的PID自控調(diào)節(jié)回路，改為“多變量、相關(guān)性滾動優(yōu)化參數(shù)、非線性權(quán)重組合調(diào)節(jié)”的計算機程序自控調(diào)節(jié)回路。在整個生產(chǎn)系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定的情況下，用相關(guān)性分析模擬人類的經(jīng)驗過程和經(jīng)驗積累，這已經(jīng)具備了前面所述智能化的特性，不妨就叫做“多變量智能調(diào)節(jié)回路”。

  推而廣之，在水泥生產(chǎn)過程中，還有很多環(huán)節(jié)上可以按照這一思路實現(xiàn)智能化。

  比如：生料磨系統(tǒng)產(chǎn)量的智能控制、煤磨系統(tǒng)產(chǎn)量的智能控制、燒成系統(tǒng)喂料量的智能控制、窯頭喂煤量的智能控制、窯尾高溫風(fēng)機轉(zhuǎn)速的智能控制、冷卻機篦速的智能控制、水泥磨系統(tǒng)的智能控制、水泥包裝機的智能控制、循環(huán)水水泵的智能控制、壓縮空氣設(shè)備運行的智能控制等。

  四、局部智能化在水泥廠的應(yīng)用

  對于上述的“多變量智能調(diào)節(jié)回路”，事實上并不是空想，目前國內(nèi)已有幾家自動化公司在做這個事情。雖然幾家公司的方案不盡相同，但都取得了一定的效果。

  例如，河南某公司的5000t/d線尾煤系統(tǒng)，在采用“多變量智能調(diào)節(jié)回路”控制后，一致認為智能控制與手動控制相比：

  （1）預(yù)熱器系統(tǒng)，快速建立和維持動態(tài)平衡的能力提高，系統(tǒng)工況穩(wěn)定；

  （2）能依據(jù)原燃材料的特性變化，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的運行工作點，實施整體優(yōu)化運行；

  （3）大大降低了操作員的勞動強度，操作員得以將更多的時間和精力用于關(guān)注系統(tǒng)整體運行品質(zhì)和排查事故隱患。