专利名称：水泥制造的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明有关水泥制造的方法和装置。在本发明当前的实施例中，本发明有关一种制造水泥的方法和装置，尤其是用一种回转窑采用一种湿法或干法过程来制造水泥的方法和装置。在一个特别的方面，本发明有关在水泥厂中通过一种过程步骤的有序过程顺序由一个磨碎系统所进行的对磨碎操作的操作和控制。
常规水泥制造过程包括将预定比例的石灰材料(例如石灰石、泥灰石、白垩及其类似物)、粘土材料(例如粘土、页岩、炉渣、煤灰、(火山灰)砂及其类似物)和/或硅质材料进行混合，所有这些材料泥浆的或干的形式并被送进和埋入一水泥形成窑。所产生的熟料被同石膏相混合并磨碎并通常形成干粉末状的现代硅酸盐水泥。混合物中各配料的比例、它们的磨细程度决定了熟料的化学成分以及最后的水泥产品。添加剂用来与一种或多种成分相混合来提供专门的水泥特征。控制过程基本上是纯粹通过由不同操作者的决定所确定的手工方法来实现的，因此大部分的制造过程是次优化操作的。
水泥厂中的一道关键操作是磨碎系统的操作。在一水泥厂中的一个磨碎系统、尤其是一个干磨碎系统组成有一球磨机、垂直滚压机(VRM)或滚压机(RP)，用于接收一个由数种成分组成的混合进料，这些成分的每一种经由各自的进料仓倾卸到磨机进料传送带上。那些不能够通过一个传送带被进给的成分(例如干煤灰)则用气动方式被传送到磨机进料耳轴或卸料斗式提升机中。水泥磨碎中的球磨机典型地是气吹式的，其中采用鼓风机下手段的吸入作用所产生的一股抽风气流将材料输送通过磨机。磨机中的物料被卸至一斗式提升机并被传送至一分选机、通常是一动态吹气分选机。在分选机中，材料被分成返回至磨机再重磨的粗材料(粗料)以及送往贮存仓去的细料。磨机抽风气流中的任何细小灰尘也同时被收集至一静电沉淀器(ESP)或袋式过滤器中并与分选机来的细料相混合。
磨机系统是水泥制造装置的一个重要部分。
对磨碎质量和最终水泥产品质量至关重要的磨碎操作受到规则产生的周期干扰所影响，这些周期性干拢影响到工厂和生产过程的产量。磨机系统的每个部件有其自身的控制回路和用于保持一给定设定值的监测能力和调节性。
本发明的目的是为水泥磨机提供一种磨碎系统，其中磨碎系统的性能被控制成使得磨机的总进给量成为最大，补偿任何的过程偏移，同时保证产品(细料)满足过程要求的细度指标。细度典型地表示为对粗磨机的一种颗粒尺寸分布，以及对水泥磨机的布莱恩比面面积。其它在操作和/或安全限度之内应加以保持的过程变量为磨机积聚量、磨机电机功率、斗式提升机功率、分选机功率、以及流通负载(总进给量被新进给量所除)或粗料吨量。
迄今为止，水泥磨机中的磨碎系统的这些操作主要是由操作者控制的。本发明提供一种用在水泥厂中的干式磨碎系统，该系统被提供有一种基于监督控制的多变量模型。该方法的目的是控制磨碎系统以达到改善产量、将产品质量保持在所需的技术指标上，补偿过程偏差并保证使所有设备操作参数保持在预定的安全限度之内。控制的功能性是处在一个较高的监督水平上，且被执行为经过一分布控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)网络将目标提供给低一级的比例-积分-微分控制器(PID)来各自控制与磨碎系统相关联的控制回路。
对磨碎系统的控制是通过操纵送入磨机的新料吨数、分选机的转数、以及磨碎系统中不同吹风线(典型地为磨机吸入线和分选机吹风线)上的风门来实现的。在本发明的监控方法中，控制器根据对被控变量的测量结果以及上文所述的性能指标来同时计算所有上述变量的值。通过对一受约束最优问题的在线求解来保证最优控制，其中要求最小化的目标函数是相对于性能指标偏差的平方和，所被操纵的变量作为决策变量而所有操作和安全限度则被公式化为最优化中的硬约束。
根据本发明，提供有一用于水泥厂的磨碎系统，该系统的部件具有一组预定控制的和操纵的变量，它们被一种包括有下述步骤的方法所控制提供一个常有一数据采集软件接口〔SuC〕的监督控制计算机；提供一个图形监督控制接口〔SCI〕；将被控制和操纵的变量的设定点和约束经〔SCI〕输入到〔SuC〕中，〔SCI〕反过来又将测量结果提供给一模型预测控制软件模块〔MPC〕，该模块具有用于磨碎系统各部件的操作结构的多变量状态空间模型；在〔MPC〕中将被控变量〔CV〕关联到被操纵变量〔MV〕，该被操纵变量〔MV〕是基于经数据采集接口被接收为〔SuC〕中的反馈信号的工厂数据发展出来的。
提供一个过程控制干预〔PCI〕软件模块，该模块使用操作过程数据来估计系统产品细度作为〔MPC〕中控制计算的反馈数据；提供基于超驰软件模块〔RBO〕的一个后处理器规则，它与一组基于操作者行为的规则合成为总体并适用于从〔MPC〕和/或从〔PCI〕接收控制信号；将从〔MPC〕和/或〔PCI〕接收到信号作比较来产生操作的或校正的信号；将该操作的或校正的信号发送至〔SuC〕用于转换成指令，这些指令被提供来通过分布控制系统〔DCS〕/可编程逻辑控制器〔PLC〕来同时操作或校正磨碎系统的全部或任何一个部件。
根据本发明的一优选实施例，本方法包括通过认证足够大的一组模型来使〔MPC〕中的这些模型适用于覆盖磨碎系统部件的整个操作区域，这组模型的每一个适用于该操作区域的一个子集。
根据本发明，MPC典型地采用一种对所有模型输出的加权平均用于预测控制。优选地，模型的权重是根据任何一个时刻的操作点来在线动态地计算的。
根据本发明的一优选实施例，该方法包括采用〔PCI〕中的实验室分析数据来刷新细度模型参数的步骤，条件是如果模型的预测被发现偏离实验室分析值的话。
本方法优选地包括采用当前为操作者和工程师所使用的干预规则来提供〔PCI〕以确定干扰(例如给料粗细度、湿度的变化)是否正在影响着过程。
干扰信息尤其被〔MPC〕以前馈方式加以使用来提供〔SuC〕的快速规则的行为。以下参照附图来叙述本发明，附图中
图1为根据本发明的用于水泥磨机系统的控制方法的方块图，示出该磨机系统的不同部件。
图2和图3根据本发明示出用于图1所示的硅酸盐火山灰水泥磨机系统的典型控制实施结构和典型监督控制过程。
图4～10为根据本发明的方法操作的一个例子的图形表达，示出水泥磨机系统产量、产品质量、输入总进给料随时间的变化关系、积聚量百分比以及布莱恩估计模型的操作。
参照这些附图，图中示出根据本发明的用于控制一个水泥磨机系统的一种方法和装置。
附图中的图1示出一典型的水泥磨碎机系统10。在一水泥厂中的水泥磨碎机系统10、尤其是一个干法磨碎系统组成有一球磨机、垂直滚压机或滚压机GM，用于从料斗14、16和18接收数种成分的一合成进给料，该进给料可以是熟料、石膏和火山灰(煤灰)，它们中的每一种经各自的进料仓14、16和18倾斜到磨机进给传送带18上。
那些不能经一传送带被方便地进料的成分(例如煤灰)优选地可以气动方式被传送进入磨机进料耳轴或卸料斗式提升机中。水泥磨碎中的球磨机典型地是气吹式的，其中采用鼓风机12出口段的吸入作用产生的一股抽风气流将材料输送通过磨机。
磨机GM的物料被卸至一斗式提升机22并被传送至一分选机、通常是一动态吹气分选机20。在分选机20中，材料被分成返回至磨机GM再重磨的粗材料(粗料)CV1以及送往贮存仓28去的细料。磨机抽风气流CV4中的任何细小灰尘也同时被收集至一静电沉淀器(ESP)或袋式过滤器26中并与分选机20来的细料相混合，并被用一施流分选机24吸入到贮存仓28线中。
本发明的目的是控制水泥磨机的磨碎系统10的性能指标，使得到磨机GM的总进给量MV4成为最大，同时保证产品(细料)CV6满足过程要求的细度指标。细度典型地表示为对粗磨机的一种颗粒尺寸分布，以及对水泥磨机的布莱恩比面面积。其它在操作和/或安全限度之内应加以保持的过程变量为磨机积聚量CV2、磨机电机功率CV3、斗式提升机功率CV5、分选机转速MV3，以及风门控制量MV1和MV2、和流通负载(总进给量被新进给量所除)或粗料吨量CV1。其中的MV1～MV4为被操纵变量，而CV1～CV6为被控/被监测变量。
图2和图3示出控制器的设计。
该控制器是基于一种混合式模型预测控制方法，且由三个模块所组成，在下文对它们加以叙述。
尤其参照图2，该图示出监督控制结构。监督控制是通过监督控制计算机SuC来实施的，操作者通过SCI将设定值和约束输入该计算机SuC。SuC中的数据采集接口反过来又将测量提供给程序块PCI、RBO和MPC并从那些程序块接收控制信号用于将校正/操作指令传经一DCS(分布式控制系统)/PLC(可编程逻辑控制器)传输给磨碎机10中的不同部件，该DCS/PLC被提供有目标且如图1所示那样用作为控制器SuC和磨碎机系统10的各部件之间的一个接口。模型预测控制模块(MPC)本发明基于模型预测控制(MPC)技术，该技术的几种变化形式已被授予专利(例如Prett等人的美国专利第4,349,869号(没有印度的等价专利)，1982年；Lu的美国专利第5,572,420号(没有印度的等价专利)1996年；Buecher等人的美国专利第5,659,667号(没有印度的等价专利)，1997年)。对MPC也已进行了广泛的研究且在公开文献中已发表了对此的数种进展情况(Garcia和Morshed，1986年-“动态矩阵控制的二次编程解(QDMC)”，Garcia C.E.和MorshedA.M.，化工通讯，46期，73-87页(1986年)；Garcia等，1989年-Garcia C.E.，Prett D.M.和Morari M.，“模型预测控制理论和实践-综述”，自动化，第23卷第3期，335-348页(1989年)；Ricker，1994年-Ricker N.L.，“模型预测控制的当前技术水平”，CPC IV-第四届国际化学过程控制会议会议录，Padre Island，德克萨斯，271-296页(1991年))。根据本发明的MPC模块采用磨碎系统部件的多变量状态空间模型，将被控变量CV1～CV6关联来操纵变量MV1～MV4，变量MV1～MV4是根据工厂数据发展而来的。模型适配来覆盖磨碎系统的整个操作区域是通过认证足够大的一组模型来加以结合的，其中的每个模型，适用于该操作区域的一个子集。MPC算法采用一种对所有的模型输出的加权平均来用于预测控制。模型权重值则根据任一时刻的操作点动态在线地加以计算。基于规则的超驰模块(RBO)RBO是用于MPC的后处理器模块。其功能是监测干扰或报警过程条件并对未被过程模型所恰当地描述的状况采取快速校正行动。RBO是一种在线专家系统，与基于普通操作者行为的规则合为一个整体。过程条件干预模块(PCI)在水泥磨碎系统10中有着数个决定性的被控变量，它们并不是被在线测量到的。最终产品的细度CV6是这类变量的最重要的一个。PCI模块采用过程数据来估计系统产品细度作为用于MPC中控制计算的反馈值。也有一种措施来采用实验室分析数据来刷新细度模型参数，条件是如果模型预测被发现偏离实验室分析值的话。此外，该PCI模块也包含数个当前被操作者和工程师所使用的用于确定是否干扰(例如给料粗细度的变化、湿度)正在影响着过程的干预规则。该干扰信息被MPC模块以前馈的方式加以使用来提供快速规则的行动。
图3示出根据本发明的混合式控制方法，叙述如下。方块CVPV所代表的用于被控变量(CV1～CV6)的过程变量(PV)值、和MVPV所代表的被操纵变量(MV1～MV4)的过程变量(PV)值，以及由方块MVSP所代表的MV变量的当前设定点(SP)值被读入。这些值首先被异常条件触发器模块ATC所监测，该模块时所有的MV即MV1～MV4检查在PV和SP之间的过量偏差值(该偏差值将指示出这些控制设定点未在被正确地加以使用)同样也针对决定性的CV即CV1～CV6来检查过量的变化率，如果没有异常状况，那么所有的MV、PV和SP被送到一个MV滤波器块MVF，它过滤MV值来考虑水泥磨碎机系统的瞬态特征。
被过滤的MV值和CV PV值被送至布莱恩估计器模块BE，它计算用于最终被磨碎水泥产品的布莱恩估计值。异常条件触发器ATC、被操纵变量滤波器块MVF、以及布莱恩估计器BE包括图2的过程条件干预(PCI)模块。所有的估计值和PV值然后被作为过程反馈方块PFB提供给模型预测控制(MPC)模块。MPC模块也把工厂操作者所提供的过程设定点和约束作为输入。正常的MPC计算被进行来产生最优设定点〔OSP〕。若检测有一异常条件，则产生有一警报AL且该MPC被旁路。在本例中，所有的PV和SP值被供应给基于规则的超驶(RBO)模块，该模块以一快速采样频率控制水泥磨机系统10来从异常条件中快速恢复出来。来自MPC模块的正常最优设定点也被通过RBO来检查约束被侵犯情况。RBO的输出是最终的MV SP值，它被下载至现场装置块DCS/PLC来影响对磨碎机系统10的诸如象吹风线风门12、磨碎机提升机放大器22以及分选机转速20这样的部件的控制。效益从实施该监督控制技术中所能获得的效益包括·对整个系统的鲁棒多变量控制·对产品细度的可靠和经常性的在线估计·快速的系统稳定·从系统得到更高的平均产量·维持所需的细度·降低在磨碎过程中的专门能量消耗·显著降低产量和产品细度的可变性·对所有重要的过程装置的更平稳的操作新颖特征此处所描述的本发明的新特征是采用了一种混合式MPC技术，其中采用了一种基于规则的超驶(RBO)控制来监测并后处理对MPC模块的控制计算。该RBO组成有对水泥厂中使用的干法磨碎系统来说十分典型的操作规则。
另一新特征是过程条件干预模块，其中采用了一种主成分分析模型来根据系统中其它过程变量的测量值估计出产品细度的变化(颗粒尺寸或布莱恩比面面积)。
本发明的新特征然后可被总结为如下几条·带有用于控制水泥磨机系统的专家系统和干预模块的混合式MPC·基于主成分分析的在线产品细度估计器根据本发明的方法中的核心控制方法是模型预测控制(MPC)。用在MPC中的控制器模型是一个对过程的离散状态空间表示x(k+1)＝φx(k)+Γu(k) (1)y(k)＝Cx(k)+Du(k) (2)式中X为状态变量矢量，u为MV的矢量，而y为CV的矢量。k为当前时刻。
在控制计算中，基于当前信息的位于时刻k+1的被预测输出 被计算为y^(k+1/k)=Cφx^(k/k-1)+[CΓ+D]u(k)]]>+[y(k)-y^(k/k-1)]---(3)]]>一旦被预测输出被计算，一个最优化问题则被建立来计算获得所需目标所要求的控制运动。最优化步骤组成有找出将来的一组最优控制运动，它们把在预测范围内按最小二乘法所得的预测误差在满足过程约束的条件下降至最小。该预测误差计算如下e(k+j)=yd(k+j)-y^(k+j/k)---(4)]]>式中yd为所需的轨线(典型地为当前时刻的设定点)。
最小化的目标函数由下式给出minX(Δu)＝eTQe+ΔuTRΔu承受所规定的约束。对被操纵的和输出的变量的过程约束可根据对将来控制运动的约束来写出。R和Q分别为控制运动和预测误差的权重矩阵。对权重矩阵的确定构成了MPC中重要的转折步骤，而对它们的选择的转折规则已经被众多的研究者加以讨论(Maurath等，1988年；Garcia等，1989年)。
为解决上述问题，列出了一个二次规划(QP)子问题，其中输出和被操纵变量约束被表达为对决策变量的硬约束minq(Δu)＝1/2ΔuTGΔu+gTΔu(6)约束CcTΔu≥bc (7)G是目标函数(5)的海塞矩阵(Hessian)，g为目标函数梯度。(7)代表线性等式和不等式约束的系统。约束簇被规定如下。被操纵变量约束对作用在被操纵变量上的边界约束，CcT＝lL，式中lL是一下三角矩阵，其中所有的非零元素均等于+1。对一上边界umax、下边界umin以及被操纵变量的当前值u(k)，bc元素对下界来说被设为等于umin-u(k)，对上界来说被设为等于u(k)+umax。对速度约束来说，CcT＝1，式中1为单位矩阵且bc元素被设为等于最大可允许控制运动的值。输出约束输出约束的施加则是要求被预测输出位于整个预测范围、或者该预测范围的一个称之为约束窗的子集之上的所需边界之内。bc的第j个元素被给出为对于输出的一个下边界ymin，bc(j)=(ymin-y(k))-Σi=1N-1(aj+i-ai)Δu(k-i)---(8)]]>对于输出的一个上边界ymax，bc(j)=(y(k)-ymax)+Σi=1N-1(aj+i-ai)Δu(k-i)---(9)]]>ai为CV-MV对的阶跃响应矢量的第i个元素，Cc1的相应元素为动态矩阵A的第j列，该矩阵A为基于阶跃响应系数的一个下三角Toeplifz矩阵，是通过记录CV对MV的一个阶跃变化产生的瞬态响应得到的。
以下参照根据本发明的控制系统的操作的一实际工作例来叙述本发明，该例子是在印度的一家年产百万吨水泥的工厂中实施的。通过该实施得到的某些结果被叙述在下文中并在附图的图4～10中用图形表示出来。讨论了三种情况。情况1 正常最优控制图4、5和6为在监督控制器SuC工作期间所捕捉到的在线数据。控制器是在磨机被冷起动之后的18、15、10分钟时被带入在线工作，且此时过程处于瞬态状态。在图4所示的图中，线a表示起动之后的产量。这要比系统在人工控制之下所需的正常稳定时间要快。图5中，在线细度估计值在图中被表示为线b。下限为330mz/kg，且可看到对分选机转速线c的同时操纵用于保证将细度保持在较高的产量上。图6示出线d为控制器所要求的总进料设定点，线e为(皮带传送带测量所得的)实际进料率。在1级PID控制行为中有着明显的偏差，而监督控制也能够补偿该误差。情况2 异常条件恢复此处例举RBO模块的功能。图7中，线f示出控制器正在增加系统产量，此时在磨机积聚线g(见图8)中在1405时有一突变的斜坡，是由进料湿度的突然增加产生的。如果没有控制行为来对抗上述这一情况，磨机将会被堵塞，从而造成严重停机。可看到与线i相对，控制器采取平滑校正行为线h来反抗该干扰，且当磨机积聚为正常时则采取最优控制。在手工控制之下，操作者典型地会大幅度减少进料量，从而产生产量损失和产品质量改变。在这种运行中，产品细度变化没有超出所规定的界限。情况3 布莱恩估计性能图10说明了本发明的PCI模块的在线布莱恩估计模型的性能。该图示出产品的实际布莱恩比面面积值，是通过对在36小时周期内采集的样本进行的实验室分析所得到的(线j)，还示出对在相同采样时间内从PCI模块所得的被估计布莱恩值(线k)。这两根线之间既是在数值上又在曲线趋势方面的接近程度建立起布莱恩估计技术的精度和可靠性。
权利要求
1.一种水泥厂的磨碎系统，它具有一组预定的被控的和被操纵的变量，其特征在于；磨碎系统的部件被一方法所控制，该方法包括下述步骤提供一带有一数据采集软件接口〔SuC〕的监督控制计算机；提供一图形监督控制接口〔SCI〕；将被控制和被操纵的变量的设定点和约束值经〔SCI〕输入到〔SuC〕中，〔SCI〕反过来又将测量结果提供给一模型预测控制软件模块〔MPC〕，该模块具有用于磨碎系统各部件的操作结构的多变量状态空间模型；在〔MPC〕中将被控变量〔CV〕关联到被操纵变量〔MV〕，该被操纵变量〔MV〕是基于经数据采集接口被接收为〔SuC〕中的反馈信号的工厂数据发展出来的；提供一个过程控制干预〔PCI〕软件模块，该模块使用操作过程数据来估计系统产品细度作为〔MPC〕中控制计算的反馈数据；提供基于超驰软件模块〔RBO〕的一个后处理器规则，它与一组基于操作者行为的规则合成为总体并适用于从〔MPC〕和/或从〔PCI〕接收控制信号；将从〔MPC〕和/或〔PCI〕接收到的信号作比较来产生操作的或校正的信号；以及将该操作的或校正的信号发送至〔SuC〕用于转换成指令，这些指令被提供来通过分布控制系统〔DCS〕/可编程逻辑控制器〔PLC〕来同时操作或校正磨碎系统的全部或任何一个部件。
2.如权利要求1所述的控制水泥τ的一磨碎系统的部件的方法，其特征在于该方法包括通过认证足够大的一组模型来使〔MPC〕中的这些模型适用于覆盖磨碎系统部件的整个操作区域，这组模型的每一个适用于该操作区域的一个子集。
3.如权利要求1或2所述的控制水泥厂的一磨碎系统的部件的方法，其特征在于MPC采用一种对所有模型输出的加权平均用于预测控制。
4.如上述权利要求之一所述的控制水泥厂的一磨碎系统的部件的方法，其特征在于模型的权重是根据任何一个时刻的操作点来在线动态地计算的。
5.如上述权利要求之一所述的控制水泥厂的一磨碎系统的部件的方法，其特征在于干扰或报警状况是由〔PCI〕来敏感的，该〔PCI〕将〔MPC〕旁路来警告〔RBO〕用于对那些未被〔MPC〕中的过程模型所恰当描述的情况采取快速的校正行为。
6.如上述权利要求之一所述的控制水泥厂的一磨碎系统的部件的方法，其特征在于采用〔PCI〕中的实验室分析数据来刷新细度模型参数，条件是模型的预测被发现偏离实验室分析值。
7.如上述权利要求之一所述的控制水泥厂的磨碎系统的部件的方法，其特征在于采用当前为操作者和工程师所使用的干预规则来提供〔PCI〕以确定干扰(例如给料粗细度、湿度的变化)是否正在影响着进程。
8.如上述权利要求之一所述的控制水泥厂的磨碎系统的部件的方法，其特征在于干扰信息被〔MPC〕以前馈方式加以使用来提供快速规则的行为。
9.一种控制结合附图在此所述的水泥厂的磨碎系统的部件的方法。
全文摘要
水泥厂的磨碎系统的控制方法,包括:将被控制和被操纵的变量的设定点和约束值经图形监督控制接口[SCI]输入到数据采集软件接口[SuC]中;在[MPC]中将被控变量关联到被操纵变量;提供过程控制干预[PCI]软件模块;提供基于超驰软件模块[RBO]的后处理器规则;将从[MPC]和/或[PCI]接收到的信号作比较来产生操作或校正信号;将操作或校正信号发送至[SuC]用于转换成指令,用来操作或校正磨碎系统的部件。
文档编号C04B7/52GK1361079SQ0013800
公开日2002年7月31日 申请日期2000年12月29日 优先权日2000年12月29日
发明者拉维·高皮纳特, 西斯图·帕尼·布尚, 阿尼鲁达·萨特 申请人:Tata咨询服务有限公司