水泥粉磨過程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)研究

  1 引言

  水泥磨是水泥生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，能耗高，磨損大，水泥磨的自動化控制水平直接影響著水泥產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗。然而對于復雜的水泥磨控制系統(tǒng)，由于水泥磨本身具有的大時滯、多約束、多變量以及變量間的強耦合性等特點，精確的數(shù)學模型難以建立，控制精度難以保證。隨著計算機技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，以PID控制為基本原理的自適應(yīng)PID、模糊PID等不斷成熟，為水泥磨系統(tǒng)控制注入了新的活力。

  目前我國水泥廠采用的自動配料系統(tǒng)實現(xiàn)了對各路物料下料比例的控制，使生產(chǎn)過程中化學成份達到合格的要求，但在質(zhì)量控制及產(chǎn)量方面存在如下問題：憑借操作工人經(jīng)驗控制喂料量，產(chǎn)量調(diào)整主要依賴定時化驗結(jié)果進行，造成調(diào)節(jié)滯后；調(diào)節(jié)滯后容易造成細度（或比表面積）波動；沒有準確有效的磨機料位測量手段，無法判斷磨機內(nèi)的料位及變化；難以在質(zhì)量合格前提下實現(xiàn)產(chǎn)量最大及穩(wěn)定，因而粉磨過程電耗偏高；當磨機內(nèi)物料過多時容易形成飽磨，會導致跑粉、磨內(nèi)溫度增高、水泥細度跑粗等問題；當磨機內(nèi)物料過少時，會造成鋼球、襯板磨損增大，產(chǎn)量急劇減少等問題。

  “水泥粉磨過程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)”以安全經(jīng)濟運行為目標，針對粉磨過程的運行特點，采用自尋優(yōu)、自適應(yīng)等先進控制算法與常規(guī)控制算法相結(jié)合的控制策略，實現(xiàn)粉磨過程自動控制，保證了粉磨過程安全、連續(xù)、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。適用于水泥廠生料粉磨過程和水泥粉磨過程。

  通過噪聲傳感器檢測磨機噪聲信號，經(jīng)變送器處理后得到能夠準確反映磨機內(nèi)存料量的標準信號，從而實現(xiàn)磨機內(nèi)料位的準確測量；控制磨機喂料總量、磨內(nèi)通風量、選粉機轉(zhuǎn)速等，調(diào)節(jié)磨機內(nèi)物料量、物料流速和循環(huán)負荷，并對磨機內(nèi)料位、物料流動速度和循環(huán)負荷進行優(yōu)化，保證磨機始終能在保證細度指標的前提下運行在最佳狀態(tài)；粉磨過程狀態(tài)的穩(wěn)定，能夠使得產(chǎn)品細度穩(wěn)定、均勻性得到改善，保證質(zhì)量、提高產(chǎn)量，對水泥廠生產(chǎn)過程降低電耗，提高經(jīng)濟效益具有十分重要的意義；同時，控制系統(tǒng)投入后，能夠防止空磨及飽磨，減輕運行、勞動強度，減少維護費用，改善工作環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。

  2 水泥磨優(yōu)化控制原理

  2.1磨機內(nèi)存料量測量

  磨機內(nèi)鋼球、鋼段和襯板相互碰撞產(chǎn)生噪聲，磨機噪聲隨著磨機內(nèi)料位（存料量）的變化而變化。在磨機料位低小時，鋼球、襯板碰撞的幾率大、能量大，產(chǎn)生的噪聲大；在磨機料位增高時，因為物料的不斷填充，鋼球、鋼段和襯板碰撞的幾率減小、能量變小，產(chǎn)生的噪聲也減小。因而，用噪聲傳感器采集磨機噪聲信號，經(jīng)由變送器對現(xiàn)場采集信號進行分析與處理，就可以檢測到磨機料位的大小和變化。

  經(jīng)過在不同水泥廠、不同型號磨機上的實際應(yīng)用，噪聲傳感器與料位變送器能夠準確、靈敏地測量磨機內(nèi)存料量多少和存料量實際變化，而且通風量、原料品質(zhì)的變化、原料的干濕對測量結(jié)果的影響都很小。磨機內(nèi)料位的準確測量為整個粉磨過程的自動控制奠定了基礎(chǔ)。

  2.2料位優(yōu)化控制

  在一定工況下，磨機料位--產(chǎn)量特性曲線如圖1所示。從曲線可以看出，磨機的產(chǎn)量并不存料量的增加而持續(xù)增大，實際上磨機存在最大產(chǎn)量料位點，即最佳工作點。雖然磨機的料位-產(chǎn)量特性曲線存在著極值特性，但是其無法用公式表達，而且會隨外界因素（例如物料、工況、機械磨損等）的變化而變化，特性曲線會發(fā)生漂移，但仍存在最佳工作點。根據(jù)粉磨過程運行存在最大產(chǎn)量這一特性，采用優(yōu)化控制算法，對磨機的最佳料位點進行搜索，以找到最大產(chǎn)量為方向，逐漸向最佳料位點靠近。優(yōu)化控制屬于控制的上層，對下層控制回路的操作目標值進行設(shè)定，以保證系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。

  圖1 磨機料位-產(chǎn)量特性曲線

  針對磨機大慣性、純滯后、參數(shù)時變的特點，采用自尋優(yōu)、自適應(yīng)和智能PI控制相結(jié)合的控制策略，控制框圖如圖2所示。智能PI控制算法能夠保證穩(wěn)定工況下磨機料位的穩(wěn)定，并有較好動態(tài)和靜態(tài)控制性能；在粉磨過程工況發(fā)生變化時，對象參數(shù)隨之改變，采用自適應(yīng)控制算法使得常規(guī)控制器參數(shù)能夠自動適應(yīng)對象模型的變化，保證粉磨系統(tǒng)在工況變化時的控制性能。

  圖2 磨機料位優(yōu)化控制原理框圖

  2.3物料流速與循環(huán)負荷控制

  物料在磨機內(nèi)的停留時間主要由物料的流動速度來決定，停留時間過長容易造成過磨，停留時間過短容易造成細度或比表面積不合格，導致產(chǎn)品不合格或經(jīng)選粉機后再次進入磨機進行二次或多次研磨。循環(huán)負荷同樣對磨機產(chǎn)量、質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，過大或過小的循環(huán)負荷都會導致磨機產(chǎn)量下降。物料流速依靠料位、料位分布及磨內(nèi)通風進行控制；循環(huán)負荷通過物料流速、選粉機轉(zhuǎn)速進行控制。

  3 水泥磨優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

  3.1項目背景

  北京市琉璃河水泥有限公司2#水泥磨為閉路磨，磨機規(guī)格為￠4.2×11米，控制采用北京和利時控制系統(tǒng)公司的MACS分布式控制系統(tǒng)（DCS），水泥磨的設(shè)計產(chǎn)量為90-110T/h，目前42.5#水泥的實際產(chǎn)量為90-100T/h，水泥磨單耗40KWh/T。DCS系統(tǒng)可以為每套粉磨系統(tǒng)提供一組AI點（0-20mA信號）。在實現(xiàn)磨機內(nèi)物料量的準確測量的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有運行參數(shù)，自動控制磨機喂料量；根據(jù)比表質(zhì)量調(diào)節(jié)選粉機轉(zhuǎn)速；在水泥磨喂料、排風機、選粉機、磨機、提升機電流故障情況能夠進行自動處理，在保證質(zhì)量的前提下，保證水泥磨自動、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

  圖3 2#水泥粉磨過程工藝圖

  圖中測點包括：噪聲料位、電機電流、出口風壓、提升機電流、選粉機電流、回粉量；控制點包括：入磨喂料總量控制點、風量控制點和選粉機轉(zhuǎn)速控制點。

  3.2系統(tǒng)構(gòu)成

  針對DCS系統(tǒng)的水泥廠粉磨過程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。新增CMOCS站（內(nèi)置兩塊網(wǎng)卡），CMOCS上運行ifix組態(tài)軟件，ifix作為OPC 服務(wù)器運行，服務(wù)區(qū)A、B訪問CMOCS 中的ifix OPC服務(wù)器。硬件配置如表1所示。

  表1  單套粉磨過程優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)配置

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  圖4 琉璃河水泥粉磨系統(tǒng)DCS結(jié)構(gòu)圖

  3.3控制方案

  采用的控制包括：承重倉物料量控制、入磨物料量控制、料位控制、循環(huán)負荷控制。其中循環(huán)負荷控制為微量控制，承重倉物料量控制為定范圍調(diào)節(jié)（在范圍內(nèi)不調(diào)節(jié)，超出一定量后調(diào)節(jié)），磨機料位控制為實時調(diào)節(jié)。擬采集過程參數(shù)包括：承重倉重量（或料位）信號、磨機料位信號、磨機電流（或功率）信號、入磨物料量、出磨提升機電流信號、選粉機轉(zhuǎn)速信號、水泥入庫提升機電流信號。控制點包括：分料閥開度、選粉機轉(zhuǎn)速等。

  另外，為了保證整個粉磨過程能夠達到最佳運行，需要對選粉機進行微調(diào)，屬于小范圍自動控制，實現(xiàn)循環(huán)負荷自動控制。同時在優(yōu)化時，同時對循環(huán)負荷進行優(yōu)化，實現(xiàn)粉磨系統(tǒng)整體優(yōu)化。#2水泥粉磨過程優(yōu)化控制系統(tǒng)界面如圖5所示。

  圖5 #2水泥磨粉磨CMOCS優(yōu)化站系統(tǒng)界面

  承重倉控制回路：

  目的：保證承重倉物料重量在一定范圍內(nèi)。

  原理：根據(jù)承重倉物料重量，調(diào)節(jié)配料總量。通過配料控制實現(xiàn)承重物料重量在設(shè)定范圍內(nèi)。

  圖6 2#水泥磨粉磨過程承重倉控制原理圖

  料位控制回路：

  目的：保證磨機一倉物料量穩(wěn)定在最佳狀態(tài)，保證研磨效果。

  原理：磨機一倉料位，調(diào)節(jié)入磨分料閥開度，實現(xiàn)對入磨物料量的調(diào)節(jié)，保證一倉料位穩(wěn)定在設(shè)定狀態(tài)。

  料位設(shè)定優(yōu)化：由于物料性質(zhì)的變化會引起最佳料位值的變化（由噪聲變化或系統(tǒng)狀態(tài)[包括物料]變化引起），同時考慮比表面積與指標的偏差，最終對料位設(shè)定值進行調(diào)整。

  圖7 2#水泥磨粉磨過程料位控制原理圖

  循環(huán)負荷控制回路：

  目的：保證磨機循環(huán)負荷穩(wěn)定。

  原理：磨機一倉料位，調(diào)節(jié)入磨分料閥開度，實現(xiàn)對入磨物料量的調(diào)節(jié)，保證一倉料位穩(wěn)定在設(shè)定狀態(tài)。

  料位設(shè)定優(yōu)化：由于物料性質(zhì)的變化會引起最佳料位值的變化（由噪聲變化或系統(tǒng)狀態(tài)變化引起），同時考慮比表面積與指標的偏差，最終對料位設(shè)定值進行調(diào)整。

  圖8 2#水泥磨粉磨過程循環(huán)負荷控制原理圖

  3.4結(jié)果分析

  圖9記錄了某年8月至9月手/自動運行產(chǎn)量數(shù)據(jù)：選取24小時不間斷運行、物料配比較平穩(wěn)的14個產(chǎn)量日（手動7天、自動7天）對比可見，投入自動化運行以來，2#水泥磨的產(chǎn)量較為穩(wěn)定。

  圖9 2#水泥磨粉磨過程自動、手動運行產(chǎn)量對比圖

  圖10為同一時間段手/自動運行的比表合格率折線圖：對比可見，自動運行質(zhì)量水平與手動操作相當，但總體趨勢相對穩(wěn)定，即質(zhì)量合格率較為穩(wěn)定。

  圖10 2#水泥磨粉磨過程自動、手動運行質(zhì)量對比圖

  自某年8月2日起，手動運行7天有效數(shù)據(jù)，平均臺時產(chǎn)量為93.98噸；自動運行7天有效數(shù)據(jù)，平均臺時產(chǎn)量96.49噸，增產(chǎn)2.51噸、計2.6%。產(chǎn)量的上升代表能耗的降低，以此推算，本項目平均每天節(jié)省電耗2831.28千瓦時（2.51噸×47千瓦時×24小時）。

  4 結(jié)論

  通過艾貝爾科技水泥磨優(yōu)化控制系統(tǒng)項目（CMOCS）的實施，使磨機長期處于最佳的工況運行，減小水泥制粉的耗電量，提高水泥生產(chǎn)效率，穩(wěn)定水泥生產(chǎn)質(zhì)量。該技術(shù)的推廣能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益與社會效益。