霍尼韋爾智能控制策略在濕磨干燒水泥生產線DCS中的應用

1　引言

目前，我國水泥工業多數工廠采用傳統濕法水泥生產線，設備落后，生產效率不高，自動化程度低，能耗大，環保問題嚴重；全干法水泥生產線，一次性投資過大，難以符合我國國情。濕磨干燒水泥生產線吸取濕法、干法二者的優點，在傳統的水泥行業改造方面有很好的發展前景。

我們采用Honeywell C200型DCSPlantScape系統研制開發了浙江某水泥廠濕磨干燒水泥生產線自動控制系統，并在此基礎上利用底層具有運算功能的控制器，實現了具有自學習、前饋功能的智能控制算法，并成功用于實際生產過程中，取得顯著的經濟效益。

2　濕磨干燒生產線自動控制系統

2．1　DCSPlantScape系統簡介

PlactScape C200型DCS系統是美國Honeywell公司新推出的一套功能完備、技術先進DCS系統。它的軟件開發系統由Display Build、Control Build和Quick Build構成。Display Build用于開發操作站控制界面；Control Build用于編制設備控制程序，下載到底層控制器對現場設備進行控制；Quick Build用于系統管理組態。

由于系統提供了較為豐富的圖庫，用DisplayBuild開發的用戶界面簡潔、實用美觀、立體感強，并支持動態圖象功能。與傳統的梯形圖相比，ControlBuild采用最先進的功能邏輯圖形式，組態功能強大，操作與調試簡便。該系統可靠性高，軟件具有很強的自診斷、冗余、校驗、互鎖、糾錯等功能，通訊設備檢錯、容錯能力強；擴展性好，標準化的網絡TCP／IP協議和ACCESS數據庫利于系統高層互連；開放的網絡Client／Server結構，支持系統遠程工程、冗余服務器，網絡動態數據交換（DDE），強大的報表功能和通用的數據格式，有利于辦公自動化的實現；開放略。

2．2　系統硬件構成與冗余

整個控制系統分為中央控制室和窯頭、窯尾兩個現場控制站。如圖2—1所示。

其中窯頭現場控制站用于控制窯頭設備，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備，包括料漿過濾、烘干破碎機、回轉窯主傳、輔傳電機、高溫風機、窯尾電收塵、烘干破噴水降溫系統等。整個控制系統的規模為714點。

2．3　系統軟件設計

在Windows NT4．0平臺上，根據工藝、設備的控制要求，我們利用控制組態軟件Control Builder開發了窯頭，窯尾各設備的CM（Control Module）和SCM（Sequence Control Module）控制模塊，包括單機啟停、設備組連鎖啟停、設備互鎖、閉環回路控制、重要AI／AO參數監控、設備運行狀態監視等。利用Dis－play Builder開發了一系列操作站界面，包括系統總圖、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、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，還設有快捷按鈕，以便實現頁面之間的快速切換。

另外，基于PlantScape提供的基本功能，我們還開發了報表打印、歷史曲線顯示、交接班日記、緊急事件報警、對設備操作或其它操作觸發的事件記錄等功能。

3　先進控制策略的軟件實現

整條生產線有窯頭罩負壓、窯頭噴水、回轉窯轉速、蓖冷機沖程、分解爐溫度等控制回路。通過現場調試，我們發現除分解爐溫度外，其它控制回路利用系統提供的常規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，溫度過高，分解爐出口易出現燒結堵塞現象；溫度過低，生料分解不充分，影響水泥質量。采用PID的控制效果很不理想，控制誤差有870±50℃，而且經常出現失控現象。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。在產量一定時，風量一般變化不大，但由于在濕磨干燒水泥生產工藝中，生料是以料餅的形式非連續的進入烘干破碎機，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：在分解爐設定值附近用自學習PID控制器；若因大的擾動使溫度偏離設定值較大，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定值，T1（k）為分解爐出口溫度測量值。有：

w1、w2、w3為歸一化權值。利用Hebb－Delta學習規則進行權值修正，

由于PID控制器主要用于進入平穩態后的階段，取Δu1（k）＝α·u1（k），α為調節速率。

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，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，F1（t1）為脈沖標志位，F（t1，t2）、F1（t1）時序如圖3—1所示。

當｜e（k）｜＞3％并持續時間t＞t1后，F（t1，t2）置位為1；t＞t2后，F（t1，t2）復位為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備，其執行機構為一階慣性環節，帶有常規PID控制器。用Control Build編程實現上述算法，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　應用效果與結論

在某水泥廠分解爐出口溫度控制回路中的實際運行結果表明，采用常規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函數編制用戶算法在主服務器上運行相比，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。

由于我們開發的濕磨干燒水泥生產線自動控制系統運行可靠，各回路控制精度很好的滿足生產工藝的要求，尤其是我們利用系統控制組態軟件實現了高級的控制策略，解決了生產實際問題。