智能控制策略在濕磨干燒水泥生產(chǎn)線DCS中的應(yīng)用
［摘 要］ 本文介紹了先進的DCS系統(tǒng)在濕磨干燒水泥生產(chǎn)線中的應(yīng)用及實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控的軟硬件總體方案，并提出了一種具有自學習、前饋功能的智能控制算法在DCS系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)。
［關(guān)鍵詞］ DCS；濕磨干燒；水泥回轉(zhuǎn)窯；多值邏輯；分解爐
1 引言
目前，我國水泥工業(yè)多數(shù)工廠采用傳統(tǒng)濕法水泥生產(chǎn)線，設(shè)備落后，生產(chǎn)效率不高，自動化程度低，能耗大，環(huán)保問題嚴重；全干法水泥生產(chǎn)線，一次性投資過大，難以符合我國國情。濕磨干燒水泥生產(chǎn)線吸取濕法、干法二者的優(yōu)點，在傳統(tǒng)的水泥行業(yè)改造方面有很好的發(fā)展前景。
我們采用Honeywell C200型DCSPlantScape系統(tǒng)研制開發(fā)了浙江某水泥廠濕磨干燒水泥生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上利用底層具有運算功能的控制器，實現(xiàn)了具有自學習、前饋功能的智能控制算法，并成功用于實際生產(chǎn)過程中，取得顯著的經(jīng)濟效益。
2 濕磨干燒生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)
2．1 DCSPlantScape系統(tǒng)簡介
PlactScape C200型DCS系統(tǒng)是美國Honeywell公司新推出的一套功能完備、技術(shù)先進DCS系統(tǒng)。它的軟件開發(fā)系統(tǒng)由Display Build、Control Build和Quick Build構(gòu)成。Display Build用于開發(fā)操作站控制界面；Control Build用于編制設(shè)備控制程序，下載到底層控制器對現(xiàn)場設(shè)備進行控制；Quick Build用于系統(tǒng)管理組態(tài)。
由于系統(tǒng)提供了較為豐富的圖庫，用DisplayBuild開發(fā)的用戶界面簡潔、實用美觀、立體感強，并支持動態(tài)圖象功能。與傳統(tǒng)的梯形圖相比，ControlBuild采用最先進的功能邏輯圖形式，組態(tài)功能強大，操作與調(diào)試簡便。該系統(tǒng)可靠性高，軟件具有很強的自診斷、冗余、校驗、互鎖、糾錯等功能，通訊設(shè)備檢錯、容錯能力強；擴展性好，標準化的網(wǎng)絡(luò)TCP／IP協(xié)議和ACCESS數(shù)據(jù)庫利于系統(tǒng)高層互連；開放的網(wǎng)絡(luò)Client／Server結(jié)構(gòu)，支持系統(tǒng)遠程工程、冗余服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE），強大的報表功能和通用的數(shù)據(jù)格式，有利于辦公自動化的實現(xiàn)；開放略。
2．2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成與冗余
整個控制系統(tǒng)分為中央控制室和窯頭、窯尾兩個現(xiàn)場控制站。如圖2—1所示。
其中窯頭現(xiàn)場控制站用于控制窯頭設(shè)備，包括窯頭電收塵、蓖冷機、噴煤裝置、一次風機等；窯尾控制站用于控制窯尾設(shè)備，包括料漿過濾、烘干破碎機、回轉(zhuǎn)窯主傳、輔傳電機、高溫風機、窯尾電收塵、烘干破噴水降溫系統(tǒng)等。整個控制系統(tǒng)的規(guī)模為714點。
2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在Windows NT4．0平臺上，根據(jù)工藝、設(shè)備的控制要求，我們利用控制組態(tài)軟件Control Builder開發(fā)了窯頭，窯尾各設(shè)備的CM（Control Module）和SCM（Sequence Control Module）控制模塊，包括單機啟停、設(shè)備組連鎖啟停、設(shè)備互鎖、閉環(huán)回路控制、重要AI／AO參數(shù)監(jiān)控、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視等。利用Dis－play Builder開發(fā)了一系列操作站界面，包括系統(tǒng)總圖、窯頭工藝流程圖、窯尾工藝流程圖、燒成窯中、料漿過濾、喂煤系統(tǒng)、窯頭窯尾電收塵、輔助翻窯、回路控制等。每幅頁面除含有必需的信息之外，還設(shè)有快捷按鈕，以便實現(xiàn)頁面之間的快速切換。
另外，基于PlantScape提供的基本功能，我們還開發(fā)了報表打印、歷史曲線顯示、交接班日記、緊急事件報警、對設(shè)備操作或其它操作觸發(fā)的事件記錄等功能。
3 先進控制策略的軟件實現(xiàn)
整條生產(chǎn)線有窯頭罩負壓、窯頭噴水、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、蓖冷機沖程、分解爐溫度等控制回路。通過現(xiàn)場調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)除分解爐溫度外，其它控制回路利用系統(tǒng)提供的常規(guī)PID模塊即可滿足工藝要求。分解爐是一個具有時變、滯后，且嚴重非線性特點的控制對象，溫度要求控制在870±30℃內(nèi)，溫度過高，分解爐出口易出現(xiàn)燒結(jié)堵塞現(xiàn)象；溫度過低，生料分解不充分，影響水泥質(zhì)量。采用PID的控制效果很不理想，控制誤差有870±50℃，而且經(jīng)常出現(xiàn)失控現(xiàn)象。實際上，分解爐的溫度受諸多因素的影響，其中生料流量、煤粉流量和風量影響最為顯著。在產(chǎn)量一定時，風量一般變化不大，但由于在濕磨干燒水泥生產(chǎn)工藝中，生料是以料餅的形式非連續(xù)的進入烘干破碎機，從而造成生料流量的波動，成為分解爐溫度失控的主要因素。
針對分解爐受控對象的特點，我們采用了多控制器集成的智能控制策略：在分 解爐設(shè)定值附近用自學習PID控制器；若因大的擾動使溫度偏離設(shè)定值較大，用多值邏輯控制器；由于分解爐爐中溫度能夠反映分解爐出口溫度變化的趨勢，因此取分解爐爐中溫度為前饋控制變量，具體實現(xiàn)算法如下：
3．1 自學習PID控制器
取誤差e（k）＝Tsp（k）－T1（k）；誤差變化量Δe（k）＝e（k）－e（k－1）；二次誤差變化量Δ2e（k）＝e（k）－2e（k－1）＋e（k－2）。其中Tsp（k）為分解爐出口溫度設(shè)定值，T1（k）為分解爐出口溫度測量值。有：
w1、w2、w3為歸一化權(quán)值。利用Hebb－Delta學習規(guī)則進行權(quán)值修正，
由于PID控制器主要用于進入平穩(wěn)態(tài)后的階段，取Δu1（k）＝α·u1（k），α為調(diào)節(jié)速率。
3．2 多值邏輯控制器
將誤差e（k）量化為MVLe，多值邏輯控制器的增量算式為：
3．3 前饋控制器
因爐中溫度測點靠近生料入口和煤粉入口，其圖3—1 F（t1，t2）和F1（t1）的時序圖
圖4—1 分解爐出口溫度實際控制曲線 圖3—2 分解爐溫度控制圖
溫度變化明顯超前于出口溫度變化，超前時間在1～2min范圍內(nèi)變化。因此，取分解爐爐中溫度的變化量對出口溫度進行前饋控制。
其中，K3為前饋比例系數(shù)，ΔT（k）為分解爐爐中溫度變化率。
3．4 集成綜合控制器
綜合控制器增量輸出公式為：
其中F（t1，t2）為大誤差標志位，F(xiàn)1（t1）為脈沖標志位，F(xiàn)（t1，t2）、F1（t1）時序如圖3—1所示。
當｜e（k）｜＞3％并持續(xù)時間t＞t1后，F(xiàn)（t1，t2）置位為1；t＞t2后，F(xiàn)（t1，t2）復(fù)位為0。取F（t1，t2）的上升沿作為標志F1（t1）＝δ（t1）。在F（t1，t2）為0時，自學習PID控制器起作用。Δu1（k）累加到綜合控制器輸出；在F（t1，t2）為1時，自學習PID控制器不起作用，Δu1（k）＝0。F1（t1）為脈沖，每個脈沖Δu2（k）累加到綜合控制器輸出一次。噴煤計量裝置和分解爐一起作為綜合控制器的控制對象。因前饋控制對分解爐爐中溫度變化具有抑制作用，故Δu3（k）無論F（t1，t2）和F1（t1）的狀態(tài)如何，都累加到綜合控制器輸出。綜合控制器框圖見圖3—2，其中噴煤計量裝置為成套設(shè)備，其執(zhí)行機構(gòu)為一階慣性環(huán)節(jié)，帶有常規(guī)PID控制器。用Control Build編程實現(xiàn)上述算法，利用CM模塊形成采樣周期和大誤差標志等，利用SCM模塊進行算法運算。
4 應(yīng)用效果與結(jié)論
在某水泥廠分解爐出口溫度控制回路中的實際運行結(jié)果表明，采用常規(guī)PID控制，溫度波動±50℃；采用本文方案，溫度波動不超過±30℃。如圖4—1所示，設(shè)定值Tsp＝870℃，T1為分解爐出口溫度實測值，T2為爐中溫度，u為控制量。與利用API函數(shù)編制用戶算法在主服務(wù)器上運行相比，該方案克服了采樣和控制周期受計算機負荷影響而變化的缺陷，而且不受通訊影響，工作穩(wěn)定可靠，安全性好。綜合控制器手動／自動切換時無擾動。
由于我們開發(fā)的濕磨干燒水泥生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)運行可靠，各回路控制精度很好的滿足生產(chǎn)工藝的要求，尤其是我們利用系統(tǒng)控制組態(tài)軟件實現(xiàn)了高級的控制策略，解決了生產(chǎn)實際問題。
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