一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法

专利名称：一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，利用基于黑板模型的专家系统结构，处理生料粉磨过程中遇到的各种工况，同时协调粗粉仓和细粉仓料位的合理分配的一种智能控制方法。
背景技术：
水泥生料粉磨是一个包含物质传输、(热量交换、)机械碾磨和两相流动的复杂工业过程。粉磨系统的控制难点主要在于过程延迟、内部耦合以及破碎粉磨过程固有的非线性。过程延迟主要在于成品粒度分析延迟以及物料传输延迟。耦合在于:1)选粉机转速不仅影响成品粒度，还会通过回粉流量影响磨机填充率(磨机负荷)；2)喂料流量的变化当然会影响磨机负荷，进而影响磨机出料流量，而磨机出料流量对于成品粒度也有一定影响。
同时磨机内部的填充率无法精确测量，现在采用的电耳和磨机主轴震动信号，都会比较容易受到外界干扰，同时信噪比比较小，应用并不理想，现在只是作为操作员的一个参考信号，但是它是反映磨机是否发生堵磨等异常工况的重要参数。工业生产现状是磨机通常工作在远离最优工作点的区域，以保证不堵磨，所以磨机的出力总是达不到最大。同时水泥生料的粒度不能在线检测，只能通过实验室每I 2小时左右进行一次筛余测试，因此水泥生料质量波动很大。
中卸式水泥生料磨系统的控制难点主要集中在以下几个方面:1)现场采集数据的信噪比较小，无法对操作变量、被控变量的数据进行正常的使用，需要进行滤波等技术处理。2)由于喂料对磨机料位的控制存在大延迟，很难及时对磨机料位进行调整，需要采取预测和补偿的方式对喂料进行提前控制。另外，需要选择合适的控制步长，既要保证控制的及时性，又不能对喂料操作过于频繁，对设备造成损害，减少设备使用寿命，同时频繁的调节喂料也会影响整个生料粉磨系统的稳定运行。3)中卸式水泥生料磨的粗粉仓和细粉仓相互存在耦合，需要对两个料仓进行协调控制。4)要在保证粗粉仓和细粉仓都不堵磨的前提下，要求粉磨系统的产量尽量提高，实现磨机负荷的最优化，以降低单产能耗。5)在实际运行过程，会出现各种复杂的工况，其中比较严重的就是堵磨工况，要对各工况进行辨别，针对各种工况进行相应操作控制，同时要在堵磨之前采取及时的调整和保护措施，保证不发生堵磨。
在工业现场工作的控制设备时常会产生电磁脉冲，这种电磁脉冲的宽度极窄，幅值极大，因此，这种干扰只影响个别采样数据，并且受干扰的采样数据与相邻的采样数据相差极大。如果采用算术平均值法或滑动平均值法，受干扰的采样数据将会对计算结果产生较大的影响，并不能起到很好的抗干扰效果。
在工厂的实际操作运行当中，操作员主要是采取被动式修复的策略，即磨机运行一段时间后，如果发现磨机运行异常，或异常趋势明显时，采取动作，一般前后两次操作的时间间隔较长，这种操作方式很难实现对磨机运行的及时调整，尤其是夜班生产，操作员的集中力下降，很容易出现磨机运行状态的大幅波动，由于调整不及时，甚至会导致磨机停机重启，严重时会发生堵磨。出现这种情况的主要原因之一是DCS中提供的数据趋势曲线，没有经过滤波处理，信噪比比较小，导致趋势在短时间内无法正确分辨，另外也存在人工操作的速度比较慢的问题，操作员不可能短时间内不断地对磨况进行判断，然后做出调整。但是，两次操作时间间隔长一点有一种好处，就是能够保持磨机的平稳运行，因为物料从配料料斗出来，经过皮带称、传送带、提升机、以及物料在磨内的停留时间，存在很大的一段时间延时，如果频繁修改操作量，会导致磨机运行不稳。
水泥生料磨的负荷优化除了考虑料位要运行在磨机的最大出力点，实际生产中还有一个比较重要的因素要考虑进去，那就是粉磨系统的稳定运行状况，因为粉磨系统是一个大滞后、强耦合、非线性的系统，系统稳定下来需要很长的时间，少则10几分钟，多则一个小时，甚至更长时间，如果磨机不能够很稳定的运行，最终将影响生料的合格率，同时磨机主轴震动会比较厉害，增加耗电量和磨损。当磨机喂料不断向最优点优化调整的过程，常常会打破原来系统的稳定运行状态，有时这种调整会得不偿失。
现在工业现场大多是用电耳听到的磨音来判断磨机填充率。一般都会以磨音作为被控制变量，以喂料作为操作变量(磨音与磨机填充率是反比关系)，例如:在14:56:00时磨音升高,反映磨内料位较低,而当时的磨音设定值为43%，因此要增加喂料量，来调整磨机的料位，使磨音回到设定值。在实际操作中，我们发现直到16:28:00时，磨音开始平稳，出磨提升机电流也开始平稳，说明磨机的运行状态趋于稳定了。在这个过程中用了 I小时32分，由于磨机本身的喂料机构不能进行频繁的操作，至少要2分钟调节一次，另外，生料磨系统本身的非线性、大延迟的特点，最终导致磨机重新恢复平稳运行状态，需要很长时间，在这段时间内，喂料的不断调整，会使系统的料位波动很大，磨机的主电机电流波动也很大，最终会造成磨机用电量的升高，浪费很多电能，也会影响磨机的使用寿命，最终还会影响成品的的合格率。所以，有时为了使磨音向设定值靠近，而改变喂料量，就会破坏粉磨系统现有的稳定运行状态，会消耗更多电能。因此，系统的稳定运行状态成为粉磨系统优化控制必须要考虑的一个因素。发明内容
针对现有技术的不足，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤I) DCS系统通过OPC服务器采集主要技术数据并进行滤波处理，再上传至专家系统；专家系统对滤波后的数据进行检验；
步骤2)专家系统根据水泥生料粉磨系统反馈的技术数据进行工况辨识，并将专家系统设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值发送至DCS系统；
步骤3)将设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值的限幅和选择的模式反馈至专家系统；如果选择自动模式，则执行步骤4);如果选择手动模式，则执行操作员人为设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值；
步骤4)专家系统将设定的磨音设定值和细粉仓入口压力设定值作为参考值，将水泥生料粉磨系统磨音的检测值和细粉仓入口压力的检测值作为反馈值，利用带有前馈补偿的分段式PID控制方法构成双闭环反馈系统，实现系统的自动控制；
步骤5)对闭环反馈系统输出的数据进行检验。
所述步骤1)、2)中的技术数据为水泥生料粉磨系统反馈到专家系统的数据，包括:磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流、选粉机电流、入库提升机电流、循环风机功率、主电机功率、喂料量反馈值、分料阀开度反馈值。
所述步骤I)中滤波处理包括以下步骤:
步骤1-1)对整个采样周期的数据进行比较，去掉其中的最大值的M个值和最小值的M个值；
步骤1-2)将(N-2XM)个数据进行平均计算；
其中，N> (2XM)，N为整个采样周期的数据的总个数；M为抗强干扰参数，根据试验设定；
步骤1-3)输出计算后的平均值；
所述专家系统对滤波后的数据进行检验时采用死区限幅的方式进行检验。
所述步骤2)中工况辨识包括以下步骤:
专家系统根据DCS系统反馈的主要技术数据分出具体的工况；
如果工况为堵磨工况，则紧急停车；
如果工况为异常工况，则进行应急状况处理，使其返回至正常工况；
如果工况为正常工况，则返回步骤3)。
所述带有前馈补偿的分段式PID控制器方法，包括:
磨音带有前馈补偿的分段式PID控制方法，磨音设定值与磨音反馈值相减构成磨音控制器的输入，通过可切换的磨音控制器转化为喂料量的参考值，与喂料量补偿相加成为喂料量的执行值去控制球磨机；
细粉仓入口压力带有前馈补偿的分段式PID控制算法，细粉仓入口压力设定值与细粉仓入口压力反馈值相减构成分料阀开度控制器的输入，通过可切换的控制器转化为分料阀开度的参考值，与分料阀开度补偿相加成为分料阀开度的执行值去控制球磨机。
所述磨音控制器包括:
如果磨音误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器I ;
如果磨音误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器2 ；
其中，磨音误差值=磨音设定值-磨音反馈值；
所述喂料量补偿是根据选粉机电流的变化率经过喂料量补偿控制器计算得到的，其中，喂料量补偿控制器为PID控制器；
所述分料阀开度控制器包括:
如果细粉仓入口压力误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器3 ；
如果细粉仓入口压力误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器4 ;
其中，细粉仓入口压力误差值=细粉仓入口压力设定值-细粉仓入口压力反馈值；
所述分料阀开度补偿量是根据出磨提升机电流的变化率经过分料阀开度补偿控制器计算得到的，其中，分料阀开度补偿控制器为PID控制器。
所述磨音反馈值的采样周期采用主控步长与监测步长相结合的方式:
主控步长=物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间+调节时间；
监测步长=磨内物料停留时间+调节时间；
主控步长=η*监控步长。
其中，η为大于I的整数，调节时间是根据物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间决定的；
所述细粉仓入口压力反馈值的采样周期采用主控步长一种时间长度。
所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括解耦控制，具体为根据磨音反馈值与细粉仓入口压力反馈值的主控步长采样点的采样时间不同，将两个控制回路在时间上错位，分别进行喂料量和分料阀开度的控制。
所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括对磨音设定值死区限幅，具体为将出磨提升机电流及其变化率分别分为4个等级，根据等级和加料/减料的不同，改变相应的死区限幅；
其中，加料/减料是根据磨音误差值e判断的，判断步骤包括:
步骤I) e =磨音反馈值-磨音设定值；
步骤2)当e > O时，控制器I/控制器2输出为减料；
当e < O时，控制器I/控制器2输出为加料；
所述步骤5)中的检验包括:
执行周期的检验:在执行周期内设备只执行I次；
进行变量输出限幅:对喂料量的执行值和分料阀开度的执行值设定限幅。
本发明具有以下有益效果及优点:
1.本发明主要针对中卸式水泥生料磨+选粉机的水泥生料粉磨系统，利用基于黑板模型的专家系统结构，通过与现场操作员和工程师的相互协调，处理生料粉磨过程中遇到的各种工况，同时协调粗粉仓和细粉仓料位的合理分配，以及粉磨系统的平稳运行。从而提高水泥生料磨操磨的自动化程度，实现水泥生料粉磨系统高效、稳定的运行。
2.本发明提出了采用抗强干扰的滑动滤波方法对数据进行滤波，同时通过现场调试总结，对不同的变量确定了合理的滤波参数，有效地删除了原来DCS数据中存在的干扰和病态数据，使操作变量、被控变量的数据趋势曲线更加平滑可控。
3.本发明提出主控步长与监测步长相结合的采样方式，在一个主控步长的采样周期内又重新以监测步长为周期进行划分，主控步长进行粗粉仓控制回路的计算，监测步长负责监测在一个主控步长的采样周期内是否有异常工况发生。使控制器可以平稳的对磨内物料进行调整，同时也能及时的对磨内物料的较大波动进行监控，防止堵磨和空磨等异常工况的发生。


图1是本发明的中卸式水泥生料磨系统智能控制方法结构示意图2是本发明的中卸式水泥生料磨+选粉机的水泥生料粉磨工艺流程图3是本发明的水泥生料粉磨控制系统的网络结构图4是本发明的生料粉磨DCS监控画面；
图5是本发明的控制系统基本处理流程图6是本发明的抗强干扰滑动滤波方法计算流程图7是本发明的DCS中未经过处理的细粉仓入口压力曲线图8是本发明的经过滤波处理的细粉仓入口压力曲线图9是本发明的专家系统总体结构图10是本发明的粗粉仓控制回路结构图11是本发明的细粉仓控制回路结构图12是本发明的基于黑板模型的专家系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出了基于黑板模型的专家系统结构，针对水泥生料粉磨过程中遇到的各种工况，采取专家系统与现场工程师和操作员协调解决问题的方式；对具体工况进行具体的操作控制。对粗粉仓和细粉仓分别采用磨音和细粉仓入口压力为主要的被控变量，进行前馈补偿的分段式PID控制；针对粗、细粉仓的耦合作用，巧妙把两个回路的采样点间隔开，通过各自PID本身的调节修正作用，来解决耦合问题；实时判断粉磨系统当前时间段内是否处于稳定、高效的运行状态，再选择对喂料进行调整，避免频繁操磨，尽量保证粉磨系统的平稳、高效运行。
本文中所有数据都是依据2500吨/日的中卸式生料磨生产线的现场数据。
如图2所示，其中实线为物料的线路，虚线为风路的线路。本发明是一个中卸式水泥生料磨+选粉机的水泥生料粉磨控制系统的控制和优化方法。首先，水泥生料配料经过称重皮带秤按比例下料到传送皮带上，经过皮带传送，从磨机粗分仓的入料口，进行喂料，粗粉仓内主要是钢球，它的任务是对粒度比较大的料进行粉磨，经过粗粉仓粉磨的物料，从中卸式球磨机的中间出料口流出，经由出磨提升机，把料填入选粉机，经过选粉机的分选，粒度合格的物料经过入库提升机，进入生料均化库。粒度大的物料返回磨机重新粉磨，其中选粉机的回料被分料阀分成两部分，一部分进入粗粉仓，另一部分进入细粉仓，两部分物料经过分料阀进行合理分配，细粉仓内装的是钢锻，主要是对粒度比较小的物料进行粉磨，细粉仓的物料也由磨的中间出料口流出，经由出磨提升机，把料填入选粉机，进入新的循环。另外，粗粉仓和细粉仓会分别有一次风吹入，一次风能有助于物料在磨机内的流动。一次风从中卸口吹出，进入选粉机，最后从选粉机出来的风会进入高浓度旋风收尘器，从收尘器吹出的风一部分排出，一部分重新回到选粉机，作为循环的二次风。
系统的网络结构图如图3所示，基础DCS通过Ethernet与工程师站和操作员站进行通讯，中卸式水泥生料磨控制系统(专家系统)通过0PC(0LE for Process Control)与DCS (Distributed Control System)系统中的工程师站和操作员站进行通讯。如图3所示，对于粉磨系统中的具体问题可以通过专家系统给出控制策略，专家系统的最终控制决策要通过操作站来具体实施，专家系统将操作变量的数值通过OPC写入到操作员站的DCS画面的输入文本框中，等待执行。操作员可以根据实际情况选择是否执行专家系统的决策。还可以对专家系统做出的决策进行一些限制和修正，同时，计算机会把操作员的决策通过OPC通讯反馈给专家系统。例如图4为某工厂的操作画面:控制系统采用Client/Server (客户端/服务器)体系结构的OPC通讯方式，实现专家系统与操作员站和工程师站的数据通讯，专家系统会对任务给出最优解，由操作员具体决定是否投运自动控制；同时根据具体情况对喂料量和分料阀开度的上下限进行修改。现场的工艺工程师通过对一段时间内的磨机运行情况对磨音设定值和细粉仓入口压力设定值进行修改。操作员和工程师的专家意见会通过OPC反馈给专家系统，作为专家系统的一个具体参数参与控制。控制系统的基本处理流程如图5所不。
1、数字滤波
根据现场数据的动态形式和它本身的特性，要选择不同滤波方式对数据进行滤波。本系统采用了一种抗强干扰的滑动滤波方法对中卸式水泥生料磨系统所需的数据进行滤波。
抗强干扰的滑动滤波方法的基本思想是:对整个采样周期的数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后将剩余的N(窗口宽度)_2*M(抗强干扰参数)个数据进行平均计算(其中N > 2*M)。
在实际应用中，为了加快计算速度，窗口宽度的取值不宜太大，太大会导致数据的滞后延时，窗口宽度的取值也不能太小，太小不能起到很好的滤波效果。同样抗强干扰参数的取值也不宜太大，太大会使滤波结果失真，也不宜太小，太小不能完全去除数据趋势曲线中的毛刺，导致数据无法正常使用。当抗强干扰参数为O时，就相当于滑动平均的算法。抗强干扰的滑动滤波方法可以通过图6所示的程序流程图来实现。如图7和图8所示，未经处理的数据存在大量毛刺和跳变，根本没法用作控制，经过处理的曲线平滑，不存在病态数据，为以后的控制提供了可靠的数据基础。
通过现场的不断调整和测试，其中主要的参数如表1:
表I数字滤波参数表
变量名称窗口宽度抗强干扰参数
权利要求
1.一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1)DCS系统通过OPC服务器采集主要技术数据并进行滤波处理，再上传至专家系统；专家系统对滤波后的数据进行检验； 步骤2)专家系统根据水泥生料粉磨系统反馈的技术数据进行工况辨识，并将专家系统设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值发送至DCS系统； 步骤3)将设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值的限幅和选择的模式反馈至专家系统；如果选择自动模式，则执行步骤4);如果选择手动模式，则执行操作员人为设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值； 步骤4)专家系统将设定的磨音设定值和细粉仓入口压力设定值作为参考值，将水泥生料粉磨系统磨音的检测值和细粉仓入口压力的检测值作为反馈值，利用带有前馈补偿的分段式PID控制方法构成双闭环反馈系统，实现系统的自动控制； 步骤5)对闭环反馈系统输出的喂料量和分料阀开度进行检验。
2.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述步骤1)、2)中的技术数据为水泥生料粉磨系统反馈到专家系统的数据，包括 磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流、选粉机电流、入库提升机电流、循环风机功率、主电机功率、喂料量反馈值、分料阀 开度反馈值。
3.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述步骤I)中滤波处理包括以下步骤: 步骤1-1)对整个采样周期的数据进行比较，去掉其中的最大值的M个值和最小值的M个值； 步骤1-2)将(N-2XM)个数据进行平均计算； 其中，N > (2XM)，N为整个采样周期的数据的总个数;M为抗强干扰参数，根据试验设定; 步骤1-3)输出计算后的平均值； 所述专家系统对滤波后的数据进行检验是采用死区限幅的方式进行检验。
4.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述步骤2)中工况辨识包括以下步骤: 专家系统根据DCS系统反馈的主要技术数据分出具体的工况； 如果工况为堵磨工况，则紧急停车； 如果工况为异常工况，则进行应急状况处理，使其返回至正常工况； 如果工况为正常工况，则返回步骤3)。
5.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述带有前馈补偿的分段式PID控制器方法，包括: 磨音带有前馈补偿的分段式PID控制方法，磨音设定值与磨音反馈值相减构成磨音控制器的输入，通过可切换的磨音控制器转化为喂料量的参考值，与喂料量补偿相加成为喂料量的执行值去控制球磨机； 细粉仓入口压力带有前馈补偿的分段式PID控制算法，细粉仓入口压力设定值与细粉仓入口压力反馈值相减构成分料阀开度控制器的输入，通过可切换的控制器转化为分料阀开度的参考值，与分料阀开度补偿相加成为分料阀开度的执行值去控制球磨机。
6.根据权利要求5所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述磨音控制器包括: 如果磨音误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器I ; 如果磨音误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器2 ； 其中，磨音误差值=磨音设定值-磨音反馈值； 所述喂料量补偿是根据选粉机电流的变化率经过喂料量补偿控制器计算得到的，其中，喂料量补偿控制器为PID控制器； 所述分料阀开度控制器包括: 如果细粉仓入口压力误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器3; 如果细粉仓入口压力误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器4 ; 其中，细粉仓入口压力误差值=细粉仓入口压力设定值-细粉仓入口压力反馈值；所述分料阀开度补偿量是根据出磨提升机电流的变化率经过分料阀开度补偿控制器计算得到的，其中，分料阀开度补偿控制器为PID控制器。
7.根据权利要求5所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述磨音反馈值的采样周期采用主控步长与监测步长相结合的方式: 主控步长=物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间+调节时间； 监测步长=磨内物料停留时间+调节时间； 主控步长=nX监控步长； 其中，η为大于I的整数 ，调节时间是根据物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间决定的； 所述细粉仓入口压力反馈值的采样周期采用主控步长一种时间长度。
8.根据权利要求1和权利要求5所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括解耦控制，具体为根据磨音反馈值与细粉仓入口压力反馈值的主控步长采样点的采样时间不同，将两个控制回路在时间上错位，分别进行喂料量和分料阀开度的控制。
9.根据权利要求1和权利要求5所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括对磨音设定值死区限幅，具体为将出磨提升机电流及其变化率分别分为4个等级，根据等级和加料/减料的不同，改变相应的死区限幅； 其中，加料/减料是根据磨音误差值e判断的，判断步骤包括: 步骤I) e =磨音反馈值-磨音设定值；步骤2)当e > O时，控制器I/控制器2输出为减料； 当e < O时，控制器I/控制器2输出为加料。
10.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于: 所述步骤5)中的检验包括: 执行周期的检验:在执行周期内设备只执行I次； 进行变量输出限幅: 对喂料量的执行值和分料阀开度的执行值设定限幅。
全文摘要
本发明涉及一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，针对水泥生料粉磨过程中遇到的各种工况，由操作员根据自己经验给出负荷优化设定值，对粗粉仓和细粉仓分别采用磨音和细粉仓入口压力为主要的被控变量，进行带有前馈补偿的分段式PID控制，通过将粗粉仓控制回路的主控步长和监测步长的采样点间隔开的办法来实现解耦控制；采用专家系统来实时的调整控制器输入的死区限幅；对于控制算法的采样周期采用主控步长与监测步长相结合的方式；对于水泥生料粉磨这种扰动较多、负荷无法准确测量、喂料存在大延迟、各变量之间耦合比较严重的系统提供了一种科学有效的智能控制方法，从而提高水泥生料磨操磨的自动化程度，实现水泥生料粉磨系统的智能控制。
文档编号C04B7/38GK103149887SQ20111045213
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者庞强, 苑明哲, 王斌, 罗先喜 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所