王靖,艾軍,魏燦,朱金波
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水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究
王靖,艾軍,魏燦,朱金波
本文介紹了天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司最新開發(fā)成功的水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。主要內(nèi)容包含該系統(tǒng)的工作原理、軟硬件配置以及主要功能等,并重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的實(shí)際控制效果。
智能控制;優(yōu)化控制;模塊控制;節(jié)能降耗
水泥智能優(yōu)化控制系統(tǒng)(TCOCS)(Cement Optimization Control System)是由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所開發(fā),專門針對(duì)水泥廠復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程而研發(fā)的一款新型智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多變量預(yù)測(cè)控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等多種先進(jìn)控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨車間所有關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的過(guò)程優(yōu)化控制,并能夠及時(shí)檢測(cè)及自動(dòng)處理經(jīng)常發(fā)生的特殊工況,達(dá)到安全、穩(wěn)定、優(yōu)化的自動(dòng)控制效果。
采用TCOCS系統(tǒng),預(yù)計(jì)能使水泥生產(chǎn)增產(chǎn)1%~12%,過(guò)程變動(dòng)性減少40%~80%,從而減少?gòu)U料和原料,單位能耗減少1%~10%,使達(dá)到環(huán)境排放法規(guī)所需的成本降低約50%,在不超過(guò)環(huán)境限制的前提下最大限度地提高產(chǎn)質(zhì)量,同時(shí)維持安全穩(wěn)定生產(chǎn);能極大降低操作員的工作強(qiáng)度,大大提升企業(yè)的自動(dòng)化、信息化管理水平,能給企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。
TCOCS系統(tǒng)采用了多變量預(yù)測(cè)控制、模糊控制、魯棒控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制理論,實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)各個(gè)主要車間關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能優(yōu)化控制。TCOCS系統(tǒng)以天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司雄厚的技術(shù)支持為基礎(chǔ),集合了大量水泥生產(chǎn)工藝知識(shí)及操作經(jīng)驗(yàn),更加貼合水泥生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際工況。由于該TCOCS系統(tǒng)采用了預(yù)測(cè)控制理論,能夠預(yù)測(cè)過(guò)程變量的變化趨勢(shì),因此控制效果更加精確,不僅能夠穩(wěn)定控制過(guò)程變量,還能夠確保過(guò)程變量在最優(yōu)狀況下運(yùn)行。
圖1 TCOCS系統(tǒng)工作原理圖
TCOCS系統(tǒng)分為原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨四個(gè)子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)中都有若干控制模塊,可以按照用戶需求靈活定制子系統(tǒng)和控制模塊,也可以根據(jù)用戶要求增加其他控制模塊和控制要求。
TCOCS系統(tǒng)通過(guò)OPC服務(wù)器采集DCS數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)處理模塊的濾波、軟儀表、失效數(shù)據(jù)檢測(cè)、噪聲檢測(cè)等方式進(jìn)行處理。處理完成的數(shù)據(jù)部分用于生產(chǎn)工況監(jiān)視模塊,用來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)特殊工況并進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)控制;部分用于先進(jìn)控制算法模塊,用來(lái)計(jì)算目標(biāo)控制變量的變化幅度,從而進(jìn)行智能優(yōu)化控制;部分用于監(jiān)視設(shè)備和軟件的運(yùn)行情況,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象并自動(dòng)處理,處理不了的情況可語(yǔ)音報(bào)警提醒操作員手動(dòng)干預(yù)(見圖1)。
TCOCS系統(tǒng)按照生產(chǎn)工藝劃分為原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭、水泥粉磨四個(gè)子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)中包含的具體控制模塊如下:
3.1原料粉磨系統(tǒng)
控制點(diǎn)有原料磨喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、研磨壓力、噴水量、循環(huán)風(fēng)閥、V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、原料磨入磨冷熱風(fēng)閥等。
測(cè)量點(diǎn)有原料質(zhì)量參數(shù)、原料磨差壓、磨主電機(jī)電流、循環(huán)斗式提升機(jī)電流、原料磨出口溫度、緩沖倉(cāng)倉(cāng)重等。
擾動(dòng)變量測(cè)點(diǎn)有磨機(jī)震動(dòng)、比表面積、篩余。
控制目標(biāo):在保證原料質(zhì)量的前提下盡量提高產(chǎn)量,降低粉磨質(zhì)量的波動(dòng),降低電耗,減少操作員的工作量,可對(duì)輥磨和輥壓機(jī)進(jìn)行控制。
實(shí)現(xiàn)的控制模塊有:
(1)輥壓機(jī)倉(cāng)重自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定倉(cāng)重的目標(biāo)值,該模塊即可通過(guò)控制原料調(diào)配的喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等變量來(lái)自動(dòng)控制輥壓機(jī)的倉(cāng)重。
TCOCS系統(tǒng)原料粉磨子系統(tǒng)(輥壓機(jī))控制界面見圖2。
圖2 TCOCS系統(tǒng)原料粉磨子系統(tǒng)(輥壓機(jī))控制界面
(2)原料輥磨差壓自動(dòng)控制模塊。對(duì)于原料輥磨,只需預(yù)先給定原料輥磨差壓的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考輥磨外排量,同時(shí)考慮磨機(jī)震動(dòng)值,控制輥磨喂料量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制輥磨的差壓。
(3)原料輥磨出口溫度自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定原料輥磨出口溫度的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考輥磨入口溫度,控制輥磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來(lái)自動(dòng)控制輥磨的出口溫度。
3.2燒成窯尾系統(tǒng)
控制點(diǎn)有分解爐喂煤量、窯喂料量、窯轉(zhuǎn)速、窯頭喂煤、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、煤磨進(jìn)料量、煤磨入口冷熱風(fēng)閥、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。
測(cè)量點(diǎn)有分解爐出口溫度、C5下料溫度、窯喂料量、窯電流、游離鈣含量、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫、煙室溫度、預(yù)熱器各級(jí)壓力、預(yù)熱器各級(jí)溫度、煤磨差壓、煤磨選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、煤磨外排量、煤磨出口溫度、煤磨入口溫度、窯內(nèi)O2、CO和NOx含量等。
控制目標(biāo):穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況,確保良好的燒成條件,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)量,降低煤耗和電耗,穩(wěn)定O2、CO和NOx含量,減少操作員的工作量等。
實(shí)現(xiàn)的控制模塊有:
(1)窯尾喂煤自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定分解爐出口溫度的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)控制窯尾喂煤量,同時(shí)參考生料喂料量、三次風(fēng)溫、煙室溫度等變量來(lái)自動(dòng)控制分解爐出口溫度。
(2)窯頭喂煤自動(dòng)控制模塊。根據(jù)窯電流、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫、煙室溫度、窯內(nèi)NOx含量、游離氧化鈣含量等變量預(yù)估出窯內(nèi)的燒成帶溫度,進(jìn)而根據(jù)燒成帶溫度情況調(diào)整窯頭喂煤量、窯喂料量、窯轉(zhuǎn)速、高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等變量來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)燒成帶的溫度。
(3)煤磨差壓自動(dòng)控制模塊。對(duì)于煤輥磨,只需預(yù)先給定煤磨差壓的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考煤磨外排量,控制煤磨喂煤量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制煤磨的差壓;對(duì)于煤管磨,只需預(yù)先給定煤磨差壓的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考煤磨外排量,控制煤磨喂煤量及V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制煤磨的差壓。
(4)煤磨出口溫度自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定煤磨出口溫度的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考煤磨入口溫度,控制煤磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來(lái)自動(dòng)控制煤磨的出口溫度。
TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)控制界面見圖3、圖4。
圖3 TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)分解爐溫度控制界面
圖4 TCOCS系統(tǒng)燒成窯尾子系統(tǒng)煤磨控制界面
3.3燒成窯頭系統(tǒng)
控制點(diǎn)有篦冷機(jī)篦速、窯喂料量、篦冷機(jī)各室風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/閥門開度、窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。
測(cè)量點(diǎn)有篦冷機(jī)篦下壓力、篦冷機(jī)各風(fēng)室壓力、窯頭負(fù)壓、收塵器入口溫度、熟料溫度、二次風(fēng)溫、三次風(fēng)溫等。
控制目標(biāo):穩(wěn)定并最優(yōu)化燒成工況,確保良好的冷卻條件,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)量,降低電耗,穩(wěn)定O2、CO和NOx含量,減少操作員的工作量等。
實(shí)現(xiàn)的控制模塊有:
(1)篦冷機(jī)篦速自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定窯喂料量,該模塊通過(guò)控制篦冷機(jī)的篦速來(lái)自動(dòng)控制篦下壓力到一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
(2)窯頭負(fù)壓自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定窯頭負(fù)壓的設(shè)定值,該模塊通過(guò)控制窯頭排風(fēng)機(jī)的頻率來(lái)自動(dòng)控制窯頭的負(fù)壓。
(3)各室風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定篦冷機(jī)各室壓力的設(shè)定值,該模塊通過(guò)控制各室風(fēng)機(jī)的頻率(變頻風(fēng)機(jī))或風(fēng)門的開度(定頻風(fēng)機(jī))來(lái)自動(dòng)控制各室的壓力。
TCOCS系統(tǒng)燒成窯頭子系統(tǒng)控制界面見圖5。
圖5 TCOCS系統(tǒng)燒成窯頭子系統(tǒng)控制界面
3.4水泥粉磨系統(tǒng)
控制點(diǎn)有水泥磨喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、研磨壓力、噴水量、循環(huán)風(fēng)閥、V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、石膏量、水泥磨入口冷熱風(fēng)閥等。
測(cè)量點(diǎn)有水泥磨差壓、水泥磨外排量、水泥磨主電機(jī)電流、循環(huán)斗式提升機(jī)電流、水泥磨出口溫度、水泥磨入口溫度、水泥磨緩沖倉(cāng)倉(cāng)重等。
控制目標(biāo):在保證水泥質(zhì)量的前提下盡量提高產(chǎn)量,降低粉磨質(zhì)量的波動(dòng),降低電耗,減少操作員的工作量,可對(duì)球磨、輥磨和輥壓機(jī)進(jìn)行控制。
實(shí)現(xiàn)的控制模塊有:
(1)水泥磨差壓自動(dòng)控制模塊。對(duì)于水泥輥磨,只需預(yù)先給定水泥磨差壓的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考輥磨外排量、磨主電機(jī)電流、循環(huán)斗式提升機(jī)電流等,控制水泥磨喂煤量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制水泥磨的差壓;而對(duì)于水泥管磨,只需預(yù)先給定水泥磨差壓的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考水泥磨外排量及循環(huán)斗式提升機(jī)電流,控制水泥磨喂料量及V型選粉機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)控制水泥磨的差壓。
(2)水泥磨出口溫度自動(dòng)控制模塊。只需預(yù)先給定水泥磨出口溫度的目標(biāo)值,該模塊通過(guò)參考水泥磨入口溫度,控制水泥磨入口冷風(fēng)閥或熱風(fēng)閥來(lái)自動(dòng)控制水泥磨的出口溫度。
TCOCS系統(tǒng)一般安裝在TCOCS操作站中,通過(guò)OPC服務(wù)器與DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作(見圖6),進(jìn)而達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的目的。TCOCS系統(tǒng)所需要的安裝環(huán)境非常簡(jiǎn)單。軟件環(huán)境只需要操作系統(tǒng)使用Windows XP以上(推薦Windows7),并安裝Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)即可。硬件環(huán)境要求CPU采用Pentium IV處理器或更好,雙CPU處理器,2GHz或更高;內(nèi)存需要1GB以上(推薦4GB);硬盤需要80GB以上(推薦160GB);顯示器需要顯示性能至少256色,分辨率至少1024 768或以上;配備TCP/IP協(xié)議,搭建局域網(wǎng)用于連接到DCS系統(tǒng)(推薦雙網(wǎng)卡,另一個(gè)連接到Internet網(wǎng)絡(luò),用于遠(yuǎn)程登錄調(diào)試)。
圖6 帶TCOCS服務(wù)器的DCS架構(gòu)圖
TCOCS系統(tǒng)已經(jīng)成功在山東莒州水泥和大連天瑞水泥投入使用,取得了出色的控制效果。該系統(tǒng)投用之后,分解爐溫度波動(dòng)范圍迅速收斂,能在正常工況條件下i 5℃以內(nèi)波動(dòng),甚至能長(zhǎng)期保持在i 2℃范圍之內(nèi),全工況在i 10℃之內(nèi)波動(dòng)。相比之前人工手動(dòng)控制,波動(dòng)范圍縮小了75%,大幅提高了分解爐溫度的穩(wěn)定程度,大大改善了燒成系統(tǒng)的工況,穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量(見圖7)。此外,該系統(tǒng)安全可靠,在正常工況下能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行,最大限度減少生產(chǎn)過(guò)程的波動(dòng)。系統(tǒng)投運(yùn)率能夠達(dá)到99%以上,極大降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
圖7 分解爐喂煤智能優(yōu)化控制模塊投運(yùn)與手動(dòng)控制效果對(duì)比
投用TCOCS系統(tǒng)之后,篦冷機(jī)一室篦下壓力波動(dòng)范圍迅速收斂,能在正常工況條件下i 200Pa以內(nèi)波動(dòng),甚至能長(zhǎng)期保持在i 150Pa范圍之內(nèi),全工況在i 300Pa之內(nèi)波動(dòng)(見圖8)。相比之前人工手動(dòng)控制,波動(dòng)范圍縮小了70%,大幅提高了篦冷機(jī)篦下壓力的穩(wěn)定程度。投用TCOCS系統(tǒng)之后,窯頭負(fù)壓波動(dòng)范圍迅速收斂,能夠在正常工況條件下i 20Pa以內(nèi)波動(dòng),甚至能長(zhǎng)期保持在i 15Pa的范圍之內(nèi),全工況在i 25Pa之內(nèi)波動(dòng)(見圖9)。相比之前人工手動(dòng)控制,波動(dòng)范圍縮小了80%,大幅提高了窯頭負(fù)壓的穩(wěn)定程度。
圖8 一室篦下壓力智能優(yōu)化控制模塊投運(yùn)效果圖
TCOCS系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用表明,該系統(tǒng)能夠大大改善水泥生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性,提升產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)生產(chǎn)變量發(fā)生變化時(shí),該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、跟蹤迅速,控制效果明顯。采用該系統(tǒng),能夠極大降低操作員的工作強(qiáng)度,解決不同水平操作員操作效果懸殊這一難題,最大限度減少人為因素對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程的影響。此外,經(jīng)短期推算,該系統(tǒng)能夠降低燒成過(guò)程的煤耗,提高篦冷機(jī)的冷卻效率,能夠達(dá)到節(jié)能降耗減排的控制效果,給投用企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,大大提升企業(yè)的自動(dòng)化、信息化管理水平,增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。
Application Research of Intelligent Optimization Control System in Cement Plant
圖9 窯頭負(fù)壓智能優(yōu)化控制模塊投運(yùn)效果圖
TP273.5
A
1001-6171(2016)02-0031-04
通訊地址:天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津300400;2015-11-06;編輯:呂光