歐陽昆翔，袁亦斌，歐丹林，梁逸敏

生料分料CAMCAM智能控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

歐陽昆翔，袁亦斌，歐丹林，梁逸敏

懸浮預熱器裝置是水泥企業(yè)必備的生產(chǎn)配套裝置。預熱器可分為單系列和雙系列，本文主要針對雙系列預熱器。預熱器的預熱作用對水泥熟料生產(chǎn)有著不可忽視的作用。本文以CAM（Cement＇s Automation and Management System，即水泥自動化與管理系統(tǒng)）智能控制系統(tǒng)為平臺，創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開發(fā)出生料分料控制模塊，并在水泥企業(yè)實際應(yīng)用，實時控制分料閥，調(diào)整左右預熱器的喂料量，保證物料與熱風量相協(xié)調(diào)，穩(wěn)定預熱器左右兩側(cè)溫度平衡，提高熱效率。經(jīng)現(xiàn)場長期使用表明，生料分料控制器控制效果良好，能夠有效地減少左右預熱器的溫度差異，提高預熱器熱效率，提升預熱器預熱效果，在水泥企業(yè)生產(chǎn)中有重要的推廣意義。

預熱器；雙系列；CAM；智能控制；預熱效果

1　引言

近十幾年來，我國水泥生產(chǎn)以新型干法生產(chǎn)技術(shù)為主導[1]，在預分解窯爐煅燒工藝、節(jié)能粉磨技術(shù)、環(huán)境保護技術(shù)等方面，從設(shè)計到裝備制造都迅速達到了國際水平[2]。

懸浮預熱器是一種將生料與分解爐出口排出的氣體相混合，并使生料懸浮在熱氣中進行熱交換的設(shè)備。懸浮預熱器主要分旋風預熱器、立筒預熱器以及混合型預熱器三大類。近年來，隨著懸浮預熱技術(shù)的發(fā)展，新型高效、低阻的預熱器以及更合理的預熱器組合系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。如何減少燒成熱耗、降低風機電耗、提高預熱器的換熱效率以及整體綜合優(yōu)化已成為研究的重點[3]。

浙江邦業(yè)科技股份有限公司（以下簡稱邦業(yè)科技）針對水泥行業(yè)開發(fā)了一套智能控制系統(tǒng)——CAM智能控制系統(tǒng)，其核心技術(shù)包括以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)核的多變量模型預測技術(shù)、滾動優(yōu)化技術(shù)以及反饋校正技術(shù)[4]。在工廠現(xiàn)有DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，額外增加一套CAM智能控制系統(tǒng)，在不影響原本DCS系統(tǒng)的情況下，通過對控制參數(shù)進行實時分析、優(yōu)化，再反饋給DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)對被控裝置的智能化、全自動化操作。本文主要講述生料分料控制模塊。通過長期實踐驗證，與操作員手動控制相比，在CAM智能控制系統(tǒng)中，生料分料控制器能夠有效減少左右預熱器兩側(cè)溫度差異，提升預熱器預熱效果。

2　生料分料控制技術(shù)原理

2.1預熱器功能簡介

如圖1所示，在新型干法水泥生產(chǎn)線中，生料由生料庫底經(jīng)斗式提升機喂入預熱器。在五級預熱器中，生料和熱氣流進行熱交換，在到達C4A、C4B旋風筒后進入分解爐內(nèi)分解，然后進入五級旋風筒進行料氣分離后，物料入窯煅燒。

懸浮預熱器的主要功能在于充分利用回轉(zhuǎn)窯及分解爐內(nèi)排出的廢氣預熱生料，并使部分碳酸鹽分解，然后進入回轉(zhuǎn)窯或分解爐內(nèi)繼續(xù)加熱分解。因此它必須具備使氣固兩相充分均勻分散、迅速換熱、高效分離等三個功能，只有兼?zhèn)溥@三個功能并且盡力使之高效化，方可最大限度地提高換熱效率，為全窯系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗和穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造條件[5]。

Research and Application of Cam Intelligent Control System on Raw Material Distribution

圖1　新型干法水泥生產(chǎn)線流程圖

2.2預熱器的熱效率

預熱器的熱效率指生料粉體凈獲得的有效能和加入系統(tǒng)的總有效能之比。影響預熱器熱效率的主要因素有粉體的懸浮效率、系統(tǒng)氣固比、預熱器的系列數(shù)和級數(shù)、氣固相的分離效率、漏風影響等，本文重點關(guān)注系統(tǒng)氣固比對預熱器熱效率的影響[6]。

理論研究表明，當氣固比小于某值時，氣固換熱效率隨氣固比的增加而升高，且非常敏感；當氣固比大于某值時，氣固換熱效率隨氣固比的增加而降低。因此，保持預熱器內(nèi)生料粉體與高溫氣體的比例在一個合適值，有助于大幅提高熱效率。

2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人腦思維分為抽象（邏輯）思維、形象（直觀）思維和靈感（頓悟）思維三種基本模式[7]。其中，直觀性思維指的是將分布式存儲的信息綜合起來，結(jié)果是忽然間產(chǎn)生想法或解決問題的辦法[8]。這種思維方式的根本之點在于：信息是分布儲存在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)上，信息處理是通過神經(jīng)元之間同時相互作用的動態(tài)過程來完成的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是對直觀性思維方式的模擬，是一個非線性動力學系統(tǒng)，其特色在于信息的分布式存儲和并行協(xié)同處理。雖然單個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)極其簡單、功能有限，但大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的行為卻是極其豐富的[9]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理如圖2所示。

本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。生料穩(wěn)料控制策略如圖3所示，分為輸入層、隱含層和輸出層，從輸入層輸入所需要的參數(shù)，經(jīng)過隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，得出最佳控制參數(shù)以調(diào)節(jié)現(xiàn)場設(shè)備，最后輸出層輸出控制目標參數(shù)。

圖2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3　生料穩(wěn)料控制策略圖

2.4預熱器分料的意義

在預熱器之上存在一個分料閥，其作用是將斗式提升機運送來的物料分成兩份分別送入預熱器左右兩側(cè)的一級筒（C1A、C1B）中。在實際運行過程中，由于施工問題、老化問題等種種原因，從分解爐進入五級筒C5A、C5B的高溫氣體雖然溫度大致相同，但體積卻是隨機不定，這就導致了左右兩側(cè)預熱器所能提供的高溫氣體體積存在巨大差異且時時變化[10]。此時，若按照原本比例將生料分送至左右兩側(cè)預熱器，必然導致兩側(cè)預熱器所接受的生料量與氣體體積達不到最佳比例，嚴重影響預熱器換熱效率。實驗表明，若是左右兩側(cè)預熱器溫度差異巨大，將大大降低生料與熱風的熱交換效率。在某廠實驗所得的分料控制前后的數(shù)據(jù)如表1所示（其中分解爐溫度近似，生料喂料量不變）。

從表1可以看出，在控制分料閥之前，以固定比例向左右兩側(cè)預熱器輸送生料，C1A和C1B的平均出口溫度為375.1℃；分料控制后，自動調(diào)節(jié)分料閥，根據(jù)溫度差異，實時改變向左右兩側(cè)預熱器輸送的生料比例，C1A和C1B的平均溫度為373.25℃。

由能量守恒定律[11]可知，在其他條件一定的情況下（假設(shè)能量損耗相同），一級筒出口溫度越低，則生料通過熱交換獲得的能量越多，熱交換效率越高，預熱效果越好[12]。因此，控制生料分料有助于提升生料預熱效果。

表1　某廠現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

3　生料分料控制方案

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。智能控制系統(tǒng)的核心為CAM服務(wù)器組。一方面，CAM服務(wù)器組通過OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器與工廠采用的集散控制系統(tǒng)（DCS）進行交互，從而實現(xiàn)關(guān)鍵過程參數(shù)和調(diào)節(jié)變量的采集、分析、計算、調(diào)節(jié)、反饋等各項功能，而操作人員通過集成在操作員站的人機交互界面（HMI），與智能控制系統(tǒng)進行交互；另一方面，CAM服務(wù)器組也和位于工業(yè)以太網(wǎng)上的Web客戶端，以及位于Internet上的遠程維護客服端進行連接，供工程技術(shù)人員進行系統(tǒng)調(diào)試、維護等各項工作。另外，在DCS系統(tǒng)中新增人機交互界面，供操作人員日常使用。

3.2兩側(cè)一級筒溫度差的控制

減少預熱器兩側(cè)溫度差、提高熱交換效率，進而提升生料預熱效果是生料分料控制器的最終目的。傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)依靠操作員手動調(diào)節(jié)甚至不調(diào)節(jié)分料閥，其局限性在于：不能有效克服分料閥與一級筒出口溫度之間的時滯影響，不能準確提前響應(yīng)溫度變化。邦業(yè)科技開發(fā)的生料分料控制器，通過建立的分料閥與一級筒兩側(cè)出口溫度差之間的模型來預測溫度差的變化趨勢，在得到實際溫度差值后，適度調(diào)節(jié)分料閥的開度，同時通過前饋來預測二級筒出口溫度、三級筒出口溫度等變化對一級筒出口溫度產(chǎn)生的影響，最終使兩側(cè)出口溫度差值穩(wěn)定在±5℃以內(nèi)，極大地改善了一級筒兩側(cè)出口溫度的平衡性。

圖4　CAM智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

表2　國內(nèi)某水泥公司投用前后各一個月數(shù)據(jù)

4　實踐結(jié)果

生料分料控制器在國內(nèi)某水泥公司實際應(yīng)用近一年后，取得了良好的效果。以投用前后各一個月為例，統(tǒng)計出如表2所示的數(shù)據(jù)。其中C1A1、C1A2表示左側(cè)一級筒出口溫度，C1B1、C1B2表示右側(cè)一級筒出口溫度。

從表2可以看出，生料分料控制器投用率在98%以上，客戶相當認可生料分料控制器的控制效果；投用前一級筒出口溫度均值為362.79℃，投用后一級筒出口溫度均值為361.81℃，初步證明生料分料控制有助于提高預熱效果。

截取8h控制效果如圖5所示，C1A1、C1A2表示左側(cè)一級筒出口溫度，C1B1、C1B2表示右側(cè)一級筒出口溫度。其中C1D=（C1A1+C1A2）/2-（C1B1+C1B2）/2，即一級筒左右兩側(cè)出口溫度差。

從圖5可以看出，生料分料控制器控制效果良好，一級筒兩側(cè)出口溫度差控制在±5℃范圍內(nèi)，基本達到預計要求。

5　結(jié)語

生料分料控制器能夠有效地平衡預熱器兩側(cè)溫度差，這對水泥企業(yè)意義重大。預熱器預熱效率的提高，有助于穩(wěn)定分解爐溫度和窯工況，進一步降低企業(yè)生產(chǎn)成本，同時可以減少因燒煤而產(chǎn)生的環(huán)境污染，對水泥企業(yè)節(jié)能減排有實質(zhì)性的作用。經(jīng)現(xiàn)場長期使用表明，生料分料控制器控制效果良好，值得推廣。

圖5　生料分料控制效果圖

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TP183

A

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國家國際科技合作專項項目：工業(yè)回轉(zhuǎn)窯能源管理和控制一體化關(guān)鍵技術(shù)（2015DFA60200）

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