ABB專家優(yōu)化系統(tǒng)在某水泥廠的應(yīng)用

  1 ABB專家系統(tǒng)介紹

  專家優(yōu)化系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對工業(yè)過程的控制、穩(wěn)定及優(yōu)化。它使得優(yōu)秀操作員的操作方法在任何時候都可以精確、省力、持續(xù)的運用。這種知識系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化的程序規(guī)范確保了高度可行及長期維護(hù)的便利。專家優(yōu)化的核心概念是最小化操作人員的操作代之以自動導(dǎo)航方式來完成過程操作。

  一個安裝了專家優(yōu)化系統(tǒng)的用戶將會直接受益，系統(tǒng)的性能從“普通操作員級”上升為“優(yōu)秀操作員級”。這意味著優(yōu)秀操作員每天，每時每刻都在進(jìn)行最佳狀態(tài)的操作。由于增加了專家優(yōu)化應(yīng)用工程師提供的過程專家系統(tǒng)技術(shù)，加上客戶專家與這些工程師的交流，可以預(yù)見在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)過程收益會大大增加，通常在不到一年的時間里，您為專家優(yōu)化系統(tǒng)的投入就可以得到回報。

  2 控制方式思路（以分解爐部分為例）

  分解爐的喂煤和溫度控制一向都是水泥生產(chǎn)線控制中的難點，分解過程與熟料生產(chǎn)的其它子過程相比，有一個相對快速的時間特性。由于回轉(zhuǎn)窯相關(guān)尺寸的限制(長度和長徑比)，為了達(dá)到必需的熟料生產(chǎn)質(zhì)量(游離石灰含量)，要求熱物料在回轉(zhuǎn)窯入口必須在很大程度上是己經(jīng)分解的(表現(xiàn)分解率>96%)，如果分解爐的控制不穩(wěn)定，會對生產(chǎn)造成很大影響，如果熱量輸入太高，使分解爐內(nèi)出現(xiàn)溫度峰值點，則會導(dǎo)致分解爐結(jié)皮的形成和/或旋風(fēng)筒堵塞的危險，如果熱量輸入降低，如：由于加料速度的波動或者由于燃料熱值或者喂煤的波動引起的熱量輸入降低，則會導(dǎo)致分解爐變冷，不完全分解的物料喂入回轉(zhuǎn)窯后不能完全鍛燒形成質(zhì)量參數(shù)合格的熟料(如:游離石灰(f-CaO)含量<1.5%)，其產(chǎn)品質(zhì)量也會出現(xiàn)波動，造成產(chǎn)品質(zhì)量事故。以往在傳統(tǒng)的水泥廠DCS系統(tǒng)中，也曾經(jīng)嘗試做過使用傳統(tǒng)的PID回路對分解爐溫度進(jìn)行控制，但由于分解爐溫度受影響的因素過多，下料的速度，系統(tǒng)拉風(fēng)的風(fēng)量，內(nèi)部結(jié)皮的厚度等等都會影響溫度的變化，同時此控制的滯后時間也較長，從轉(zhuǎn)子秤至分解爐燃燒器通過氣力輸送也需要1分鐘左右的時間，更增加了控制上的難度，因此在DCS系統(tǒng)中對分解爐溫度做控制回路，效果往往非常不理想。

  針對分解爐溫度控制的較大難度，在優(yōu)化系統(tǒng)中使用了先進(jìn)的MPC(模型預(yù)估控制)技術(shù)對分解爐的溫度和喂煤進(jìn)行控制，由于MPC（模型預(yù)估技術(shù)）本身具有非常多的先進(jìn)特性，如多變量控制，預(yù)測控制等，非常適合于應(yīng)用在分解爐溫度控制上。

  2.1 MPC（模型預(yù)估控制）控制介紹

  模型預(yù)估控制是現(xiàn)代控制工程師最重要的武器之一。它以"滾動優(yōu)化"為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)在[t，t+p]的時間間隔內(nèi)計算一個擴展到將來的最佳操作順序，其中，t是現(xiàn)在的測量值，p表示與應(yīng)用相關(guān)的時間水平(圖3)。操作變量序列中的第一要素被傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)作為新的執(zhí)行器設(shè)定值。如果有新的測量值則重復(fù)算法，并計算出一個新的順序。

  圖3 模型預(yù)估控制概念示意圖

  2.2 MPC（模型預(yù)估控制）在分解爐控制控制上的原理

  具體到分解爐的控制模型上來說，其主要的目的就是要保證一個平衡，即熱平衡，保證分解爐所需要的熱能與實際提供的熱能相匹配。如下公式所示：

  具體到熱平衡模型則如下圖所示：

  圖4 分解爐熱平衡示意圖

  2.3 分解爐調(diào)試中的問題分析

  在測試運行時發(fā)現(xiàn)溫度曲線與煤粉設(shè)定值曲線偏離較大，往往喂煤設(shè)定值已經(jīng)增加了很多，但是溫度卻一直在下降，又或者是溫度高的時候已經(jīng)減少了相當(dāng)?shù)拿悍墼O(shè)定，但是溫度依然居高不下，后來經(jīng)過反復(fù)的查驗分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題存在于煤粉秤，其工作狀態(tài)十分不穩(wěn)定，負(fù)荷傳感器與環(huán)境密封不夠嚴(yán)密，因此轉(zhuǎn)子秤的壓力波動導(dǎo)致負(fù)荷頻繁變化，從而導(dǎo)致下料不準(zhǔn)確，目前的喂煤反饋流量是由菲斯特秤的負(fù)荷率以及轉(zhuǎn)速計算得來的，因此如果負(fù)荷率變化的話，喂料秤將會調(diào)整轉(zhuǎn)速以輸送“穩(wěn)定”流量的煤粉。但是如果負(fù)荷率是由于其它因素影響而變化的話，那么從下料倉下的料的流量的計算也會是錯誤的， 這樣流量的波動也可以從輸送管道的壓力波動看出：

  圖5 分解爐喂煤秤壓力和溫度曲線

  在上方的趨勢圖中可以看出，比色高溫計（綠色）跟隨喂煤秤輸送壓力曲線（淡藍(lán)色），但是喂煤秤輸送壓力曲線僅僅是大體上跟隨煤設(shè)定值的曲線（紫色）。

  在找出影響分解爐控制的問題所在之后，由于短時間內(nèi)不可能要求業(yè)主更換或者對煤粉秤進(jìn)行大修，因此如何通過修改或優(yōu)化控制策略將煤粉秤對控制的不利影響降到最低就成了我們調(diào)試工作的重點，并做了以下幾種嘗試：

  將煤粉秤負(fù)荷率和轉(zhuǎn)速信號接入優(yōu)化系統(tǒng)，建立歷史記錄，用于分析二者與設(shè)定值和溫度的關(guān)系

  和客戶自動化工程師商討，在DCS中為喂煤秤添加喂煤秤輔助下料助流功能。

  加快MPC的執(zhí)行周期，以對煤粉秤的波動做出更加快速的響應(yīng)

  在EO系統(tǒng)中同時將煤粉秤的流量波動和壓力波動加入到MPC控制方程的元素中，通過堆棧存儲相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，尋找其中的對應(yīng)關(guān)系，以求在考慮壓力和流量波動的情況下達(dá)到能量守恒的目的，具體邏輯如下所示：

  1)通過堆棧存儲歷史數(shù)據(jù)，找尋壓力波動和流量波動的關(guān)系，計算煤設(shè)定值偏移量

  2)在MPC方程數(shù)據(jù)源的燃料部分，將燃煤波動和壓力波動加入，以求MPC方程在考慮該不穩(wěn)定因素的情況下能夠達(dá)到平衡，以穩(wěn)定控制效果：

  圖5 分解爐MPC方程中添加喂煤秤和壓力波動參數(shù)

  通過修改邏輯，使用輸送風(fēng)機的壓力來判斷實際的喂煤秤流量，評估出的煤粉流量在MPC模型中用作參考量，來指示實際噴入分解爐的煤粉流量，這樣做帶來的好處是如果煤粉秤系統(tǒng)突然出現(xiàn)一個壓力的變化，那么優(yōu)化系統(tǒng)即可預(yù)測溫度將會上升或下降，從而調(diào)整喂煤設(shè)定值來補償壓力擾動所帶來的影響。 經(jīng)過測試，這些邏輯起到了一定程度上穩(wěn)定分解爐工況的效果。