賈華平

（中國硅酸鹽學會工程技術分會，北京 100831）

當今工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向，美國提出了工業(yè)互聯(lián)、德國提出了工業(yè)4.0、中國提出了兩化深度融合。但無論提法有何不同，其本質(zhì)是一樣的，自動化的范圍向上發(fā)展到智能化，向下擴展到整個工業(yè)生產(chǎn)的全方位、全過程。

這里，僅局限在水泥生產(chǎn)的粉磨系統(tǒng)，探討一下智能化的發(fā)展。有兩個概念需要注意，“智能化工廠”并不完全等同于“智能工廠”，這要看你“化”到什么程度，智能工廠都是逐漸“化”過來的。

1 關于智能化概念與智能水泥廠

什么是智能化？我們先用現(xiàn)代語言探討一下“智能”的概念。所謂的“人類智慧”，是從感知（信息的檢測與傳遞）到記憶（信息的儲存）再到思維（對信息的邏輯化處理、對已有邏輯的因果類比），這一過程被稱為“智慧”；智慧的結(jié)果（因果類比的導向作用）產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”；將智慧和能力合在一起就是“智能”。

智能化并不簡單等同于自動化，這是智能化發(fā)展中必須突破的思維概念，也是目前國內(nèi)智能化開發(fā)中的一個主要問題。智能化是自動化的高級發(fā)展，自動化是智能化的基礎部分；智能化是在自動化基礎上，通過引入“數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化”，實現(xiàn)了一些智慧和能力的高級發(fā)展。

一般的自動化系統(tǒng)或裝置，能夠根據(jù)既定指令進行操作調(diào)整實現(xiàn)無人控制，但一般會出現(xiàn)對于不同情況作出相同反應的結(jié)果，就像所有的生物具有一定的遺傳本能一樣，多用于重復性的工作或工程中。

而智能化是在自動化基礎上又加入了類似于人類的智慧程序，具有一定的學習能力，能根據(jù)外界的信息豐富自己，自主產(chǎn)生新的指令，一般能根據(jù)多種不同情況作出不同的反應，就像高等動物除了本能以外還具有一定的自適應能力。

智能化的工作過程包括：信息的檢測、采集、傳輸、處理與儲存，指令的形成、調(diào)整與發(fā)出，指令的執(zhí)行與結(jié)果的反饋。這些過程都離不開工業(yè)化、自動化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化這些基礎，所以說智能化是一個系統(tǒng)工程。

類比于人類，我們講一個人非?！奥斆鳌?，本意是說他的腦子好用，但“聰明”的具體指向是“耳聰目明”，可見及時、準確、甚至量化的信息對“大腦”的作用是多么重要；我們說這個人“心靈手巧”，又是在強調(diào)執(zhí)行機構(gòu)的重要性，沒有理想的執(zhí)行機構(gòu)，再好用的腦子又有什么用呢、而且沒有“巧手”的實踐又如何演化出“心靈”的大腦呢？

于2015年1月30日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）》，基本給出了一個智能水泥廠的概念。智能水泥廠不僅包括如下內(nèi)容：

（1）基于自適應控制、模糊控制、專家控制等先進技術，利用智能儀器儀表、工業(yè)機器人、計算機仿真、移動應用等信息系統(tǒng)與專用裝備，進一步突出實時控制、運行優(yōu)化和綜合集成，基本實現(xiàn)礦山開采、配料管控、窯爐燒成、水泥粉磨全系統(tǒng)全過程的智能優(yōu)化。

（2）應用機器人等技術，在礦山爆破排險、窯爐運行維護、投料裝車作業(yè)、高溫高塵搶修等，危害、危險、重復作業(yè)的環(huán)節(jié)，基本實現(xiàn)無人值守或機器人替代人工作業(yè)。

（3）建設信息物理融合系統(tǒng)（CPS），實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)運營的自動化、數(shù)字化、模型化、可視化、集成化，提高企業(yè)勞動生產(chǎn)率、安全運行能力、應急響應能力、風險防范能力和科學決策能力。

（4）在生產(chǎn)管控和經(jīng)營決策中，通過大數(shù)據(jù)平臺建設，應用商業(yè)智能系統(tǒng)（BI）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM），建立對采購、生產(chǎn)、倉儲、銷售、運輸、質(zhì)量、資源、能源和財務等全方位的智能管控平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品、市場和效益的動態(tài)監(jiān)控、預測預警，提升各環(huán)節(jié)的資源優(yōu)化配置能力和智能決策水平。

（5）建立與供應商和用戶的上下游協(xié)作管理系統(tǒng)，按照供應商提前介入（EVI）、準時生產(chǎn)技術（JIT）等模式，統(tǒng)一企業(yè)資源計劃（ERP）等企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)間信息交換接口、標準和規(guī)范，通過信息共享和實時交互，實現(xiàn)物料協(xié)同、儲運協(xié)同、訂貨業(yè)務協(xié)同以及財務結(jié)算協(xié)同。

根據(jù)“推進計劃”要求，智能水泥廠涵蓋生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)經(jīng)營的全面智能，生產(chǎn)線的智能控制是水泥智能工廠的基礎，沒有這個基礎，所謂的“智能工廠”就只能是一個“智能化工廠”。不過，這也沒關系，這有一個發(fā)展完善的過程，我們可以先做智能化水泥廠，能做多少是多少，逐步向智能水泥廠趨近。

2 走向智能水泥廠的技術路線

看似簡單的水泥工藝，其過程中包含有大量的物理反應、化學反應以及物理化學反應，囊括了地質(zhì)學、礦物學、巖相學、流體學、燃燒學、熱傳導、結(jié)晶學等等學科，要使整個過程處于受控狀態(tài)，按照我們設計的P-T-t軌跡（礦物學術語）運行，不但需要維持物料的量和質(zhì)的均衡穩(wěn)定，而且必須維持好各系統(tǒng)各工序各個特征參數(shù)的穩(wěn)定。

對于大工業(yè)生產(chǎn)，各種原燃材料以及各工序的工況，其波動是難以避免的，各項生產(chǎn)控制參數(shù)的穩(wěn)定、以及過程產(chǎn)品和成品性能指標的穩(wěn)定，都需要通過及時地操作調(diào)整才能得以實現(xiàn)。

水泥生產(chǎn)中的控制操作，可以是人工手動的，也可以是儀表自控的，但最好是智能程控的。因為變化無時不在，調(diào)節(jié)無時不需，而人的精力和經(jīng)驗是有限的。所以，從預分解窯生產(chǎn)工藝誕生的第一天起，人們就在謀求生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化，在整個水泥的生產(chǎn)控制中，從原料開采直到水泥出廠，引入了幾十個儀表自控調(diào)節(jié)回路。

遺憾的是，對于如此艱巨的任務，自動化實在是力不從心。其主要原因是自動化控制一般為單變量自控調(diào)節(jié)模型，而實際上影響某個從變量的應變量不止一個，而且這些應變量本身及其之間的關系是隨時而變的。

以這幾年大家非常重視的、已經(jīng)做了不少工作的“預熱器C5旋風筒出口溫度自控調(diào)節(jié)回路”為例，建立的數(shù)學模型為：“分解爐的喂煤量”＝＞“C5旋風筒出口氣體溫度”，（注：A=＞B為邏輯學符號，表示命題A與B的蘊涵關系，后同）。實踐證明，這個回路在燒成系統(tǒng)正常時有一定的作用，但在燒成系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動、正是需要它發(fā)揮作用的時候，它卻“掉鏈子”了，不但幾乎是沒有作用，有時甚至起副作用。

仔細分析便會發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)模型建立得過于簡單。影響“C5旋風筒出口氣體溫度”的因素，并不只是一個“分解爐的喂煤量”，還有諸如系統(tǒng)的喂料量、物料的易燒性、系統(tǒng)的通風量、分解爐的燃燒情況、煤質(zhì)的變化、窯內(nèi)的喂煤量、窯內(nèi)的燃燒情況、窯的轉(zhuǎn)速、篦冷機的冷卻情況，甚至系統(tǒng)的漏風、環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)散熱的影響等因素有關。欲穩(wěn)定“C5旋風筒出口氣體溫度”，必須建立起符合現(xiàn)場實際的控制模型。

我們可以建立一個多變量調(diào)整模型：分解爐的喂煤量＝＞∑（C5旋風筒出口氣體溫度，系統(tǒng)生料喂料量，生料KH、SM、細度，窯灰喂入量，C1出口的溫度、壓力、O2、CO、NOx，分解爐出口的溫度、壓力、O2、CO、NOx，煤粉的熱值、揮發(fā)份、細度、水分，后窯口的溫度、壓力、O2、CO、NOx，二次風溫度、三次風溫度、三次風閘板開度……）。

總之，只要你能想到的因素就只管往蘊含變量里加，然后進行相關性統(tǒng)計分析。根據(jù)不同的相關系數(shù)給予各變量不同的調(diào)節(jié)權重，各變量對于喂煤調(diào)節(jié)量的代數(shù)和，便是分解爐喂煤量的調(diào)節(jié)量。

相關性分析并不復雜，用計算機程序來做相關性分析更是小菜一碟。不僅可以從初始的統(tǒng)計分析開始，設定初始的調(diào)節(jié)權重，而且要每時、每天、每月、每年的一直做下去，以適應各種因素的變化。

為了適應各種因素的新情況、新變化，設定按照“先入先出的原則”滾動記錄最近10天（可根據(jù)實際情況的異變速度和頻次，確定和調(diào)整滾動天數(shù)）的數(shù)據(jù)、并進行相關性分析。根據(jù)最新的分析結(jié)果及時地調(diào)整調(diào)節(jié)權重的分配，使其在不斷地循環(huán)調(diào)整中趨于合理化，自動調(diào)節(jié)回路（已經(jīng)是智能調(diào)節(jié)回路）的效果就會越來越好。

3 粉磨系統(tǒng)智能化的國際概覽

3.1 生料粉磨智能化

與熟料燒成和水泥粉磨相比，對生料粉磨智能控制的研究和應用明顯偏少，主要是其大部分控制參數(shù)可通過傳統(tǒng)的PID實現(xiàn)一對一控制，而基于生料細度、水分等復雜控制則由于重視程度不夠、測量過程滯后等原因進展緩慢。

對生料粉磨過程中較為簡單的控制系統(tǒng)，如磨的入口壓力與循環(huán)風門開度，系統(tǒng)風量與循環(huán)風機閥門開度等，均可通過基本的PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)；而針對自動喂料、自動調(diào)節(jié)研磨壓力等具有非線性、長時滯特性的過程，可基于新型PID控制、模糊預測等方法，建立相關控制模型實現(xiàn)智能控制。

所謂新型PID控制算法的控制，包括磨內(nèi)壓差、出口溫度、磨內(nèi)通風和磨機入口負壓等。如基于模糊PID控制通過考察磨內(nèi)壓差實際值與控制值的誤差和誤差變化率，在基于模糊控制規(guī)則的情況下，在線對PID控制參數(shù)進行修改，從而使磨內(nèi)壓差的控制具有響應速度快、到達穩(wěn)態(tài)時間短等優(yōu)勢。

生料粉磨的主要智控目標是以最低的耗電量、最高的臺時產(chǎn)量，獲得需要的生料細度。生料粉磨的主要控制平衡是質(zhì)量與電耗的平衡，進一步細化就是細度與臺時的平衡，要想比較精準的把握平衡點，獲得對整個粉磨系統(tǒng)的優(yōu)化操作，就必須有適時的量化數(shù)據(jù)作支撐，特別是粉磨能力、粉磨電耗、粉磨細度3個主要指標。

實際上，就現(xiàn)有生料粉磨系統(tǒng)而言，粉磨能力（臺時產(chǎn)量）已有適時的配料秤給出，粉磨耗電（總耗電量）也有相關的電表隨時提供，而且都已經(jīng)進入DCS系統(tǒng)，唯一缺乏的只是生料細度的適時數(shù)據(jù)。生料細度，雖然也有具體的抽檢指標，但不是全檢存在代表性問題，不夠適時一般要滯后1個小時左右，難以滿足智能控制的需求。

生料粉磨系統(tǒng)（以立磨為例）智能控制模型的建立，需要確立如喂料量與磨內(nèi)壓差、磨機出口溫度與噴水量、選粉機轉(zhuǎn)速與生料細度等幾個主要因子的關聯(lián)性，需要一系列在線的適時數(shù)據(jù)。其中，喂料量、噴水量、振動值、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，均可通過現(xiàn)有傳感器或計量裝置實時測得，唯有生料細度的測定具有嚴重的滯后性，生料細度的在線監(jiān)測就成為實現(xiàn)粉磨系統(tǒng)智能控制的關鍵。實際上，生料細度的在線監(jiān)測技術已經(jīng)獲得突破，以下就此作一簡單介紹。

生料細度的在線檢測，目前已有軟測量與實測量兩種方法。前者指應用易測過程變量（輔助變量）和待測過程變量（主導變量）之間的數(shù)學關系，建立細度軟測量模型，實現(xiàn)細度在線檢測；后者指采用激光衍射儀等裝置，在線實測與細度相關的變量，繼而通過數(shù)學轉(zhuǎn)換實現(xiàn)細度的在線測量。

軟測量技術，是基于最小二乘支持向量機的實驗模型，利用DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和相應時刻化驗室離線分析值，基于生料喂料量、研磨壓力、選粉機轉(zhuǎn)速和磨內(nèi)壓差四個參數(shù)來預測生料細度，獲得生料細度軟測量模型，實現(xiàn)對生料粒度的在線檢測。當然，除了基于最小二乘支持向量機的模型外，還可通過神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊預測、專家規(guī)則等方式實現(xiàn)生料細度的在線軟檢測。

實測量技術，是應用激光衍射儀等裝置，直接對物料粒度進行在線檢測。其原理是激光在傳播過程中，遇到顆粒時會發(fā)生一定的衍射和散射，其光能的空間（角度）分布與顆粒粒徑有關，通過測量各特定角光能量即可反映顆粒粒徑分布情況。實際上，早在20世紀90年代，日本就已將激光衍射用于水泥粒度的在線檢測了，目前這一技術已經(jīng)非常成熟，而且國內(nèi)也有丹東百特、東方測控等在線粒度檢測儀推向市場。

激光衍射儀，目前用于水泥粒度在線檢測的業(yè)績比較多，而用于生料粒度在線檢測的業(yè)績尚未見報道，這有兩方面的原因。從技術角度上看，是因為生料中含有一定的黏土，給激光衍射儀的檢測增加了難度；而更主要的原因在于粒度的在線檢測還未上升為制約生料粉磨的主要矛盾。

無論是軟測量還是激光衍射儀，目前對生料細度的在線檢測相比水泥其應用并不廣泛，因為生料粉磨（立磨）系統(tǒng)的操作難點在于避免立磨振動過大發(fā)生跳停，對生料細度對粉磨電耗、煅燒能耗的影響認識還不到位，對該技術的需求尚缺乏緊迫性。

3.2 水泥粉磨智能化

水泥粉磨過程的控制目的，在于保證水泥細度、溫度等指標的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)量的最大化和電耗的最小化。與生料粉磨系統(tǒng)已經(jīng)普遍“無球化”不同，水泥粉磨系統(tǒng)仍然廣泛使用著球磨機，包括裸用球磨機系統(tǒng)、增設輥壓機或立磨的預粉磨系統(tǒng)、帶輥壓機或立磨的聯(lián)合粉磨等系統(tǒng)。其控制參數(shù)包括原料配比、入磨粒度或細度、磨內(nèi)通風、循環(huán)負荷、磨機進出口壓差、出磨細度和成品細度等。水泥粉磨智能控制的前提與前述其他系統(tǒng)的過程控制相同，仍是識別相關控制參數(shù)及控制模型。

在配料組分有效控制的情況下，水泥細度是控制系統(tǒng)調(diào)控的主要質(zhì)量指標，調(diào)控細度的主要措施都影響到粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)量，產(chǎn)量的高低又影響到電耗。適時地對細度調(diào)節(jié)能有效發(fā)揮粉磨系統(tǒng)的能力和降低粉磨電耗，適時的調(diào)節(jié)需要適時的檢測結(jié)果，水泥粒度在線檢測就成為水泥粉磨智能控制系統(tǒng)的重要技術。

水泥細度在線檢測與生料細度在線檢測類似，已經(jīng)有基于激光衍射儀的直接測量、基于神經(jīng)網(wǎng)絡等先進算法的軟測量，兩種方法被廣泛采用。而且，由于水泥原料中基本不含生料中的黏土，給激光衍射儀的檢測打開了方便之門。

前述的熟料燒成智能控制系統(tǒng)，由于與水泥粉磨智能控制系統(tǒng)在控制方法上大同小異，一般也提供水泥粉磨的智能控制方案，這里僅對PiT Navigator系統(tǒng)和Lafarge LUCIE系統(tǒng)作一簡單介紹。

★ Powitec公司的PiT Navigator系統(tǒng)，在球磨機的進料端安裝了兩個“磨音指示器”，其中一個裝于“有料側(cè)”、另一個裝于“無料側(cè)”，用以反應磨內(nèi)物料的填充程度；在選粉機入口、回料和成品收集的相關部位，安裝了振動傳感器，用以反應相關的物料量，繼而求得循環(huán)負荷、選粉機效率等參數(shù)。

在上述硬件的基礎上，系統(tǒng)配置有一個“水泥磨導航器”，對水泥磨機和選粉機等設備進行優(yōu)化控制。該“導航器”可實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的自動采集與分析，并通過自適應、自學習的非線性模型預測控制，實現(xiàn)對水泥粉磨系統(tǒng)磨的智能控制，其控制測量流程見圖1。

圖1 PiT Navigator水泥磨控制系統(tǒng)

★ Lafarge的LUCIE系統(tǒng)，控制的基本原則是：穩(wěn)定磨機物料總的通過量，優(yōu)化水泥的細度，優(yōu)化磨機物料總的通過量來提高磨機產(chǎn)量。該系統(tǒng)的控制方法為模糊控制，先將工藝操作經(jīng)驗和規(guī)則加以總結(jié)，再運用語言變量和模糊邏輯，歸納出一系列控制算法和規(guī)則進行控制。

總的控制過程是首先采集磨喂料量、回粉量、磨機功率、磨音、出磨斗式提升機功率、選粉機轉(zhuǎn)速、磨差壓或出口壓力等信號；繼而應用標準化參數(shù)表對這些信號進行處理，轉(zhuǎn)換成無量綱的數(shù)值；然后通過模糊控制的規(guī)則由輸入的信號對磨機總通過量、磨內(nèi)物料量、水泥細度等進行評估；最后通過模糊化參數(shù)表做出模糊決策，進行自動控制。

4 搭建粉磨智能化的基礎平臺

一個好的智能化系統(tǒng)應該具備三大特征，一是要多變量調(diào)控。二是不能拉掉關鍵變量的調(diào)控。三是調(diào)控程序應該不斷的滾動優(yōu)化。

4.1 POLYSIUS的多變量自動化控制

到目前為止，國內(nèi)廠家對球磨機自控系統(tǒng)也做了大量的工作，系統(tǒng)主要以磨音（或磨震）信號反饋控制喂料量，有的還引入了循環(huán)提升機運行電流，雖取得了不可否定的效果，但始終不盡人意。

在多年前使用過一個Polysius的球磨機自控系統(tǒng)，不論水泥磨還是生料磨（風掃式球磨機）都感覺非常好用，與我們現(xiàn)用的系統(tǒng)相比，主要是對喂料量的控制引用了多個因變量，而且各因變量的調(diào)節(jié)權重是向操作員開放的，操作員可以根據(jù)自己不斷的經(jīng)驗累積進行不斷地優(yōu)化調(diào)整。

雖然時過多年，但仍然值得我們借鑒。我們在第二部分已經(jīng)給出了一個智能化路線，主要涵蓋了“多變量”和“滾動優(yōu)化”兩個概念。按此定義，Polysius的這個系統(tǒng)雖然還談不上智能化，但已經(jīng)采用了“多變量”控制，突破了現(xiàn)有自動化單變量控制的概念，只是將“滾動優(yōu)化”交給了操作員而已，已經(jīng)為我們進一步的智能化打下了基礎。

操作過polysius設計的球磨機自控系統(tǒng)，不論是生料磨還是水泥磨，都感覺非常順手。除開磨初期需要人工干預，防止較長時間的調(diào)節(jié)震蕩外，正常運行中幾乎不用操心，可以達到幾天之內(nèi)不需要人工干預。

4.1.1 自控系統(tǒng)的構(gòu)成

該球磨機的控制原理見圖2。現(xiàn)場畫面為瞬時參數(shù)（見圖中序號：1、2、4、6、9、10、12、14、16、17、19、20），現(xiàn)場畫面為調(diào)節(jié)參數(shù)（見圖中序號：3、5、7、8、11、13、15、18、21、22、23），包括控制調(diào)節(jié)參數(shù)和工藝調(diào)節(jié)參數(shù)。

圖2 Polysius的水泥磨控制系統(tǒng)現(xiàn)場畫面

圖2中所標示設備為：

Feeder：是喂料設備。

PDM：是脈寬調(diào)節(jié)器。該系統(tǒng)對喂料秤的控制輸出采用脈沖信號，即輸出一個信號后要維持一定的時間后再輸出下一個信號，這個維持的時間就是脈寬。

MAX：是限幅調(diào)節(jié)器。對通過調(diào)節(jié)器的數(shù)值進行限幅處理，限幅值可根據(jù)需要設定，對超過限幅的數(shù)據(jù)，一律以限幅值輸出。

PD-CO：是比例微分調(diào)節(jié)器。它不但能對輸出參數(shù)與給定值的偏差進行比例調(diào)節(jié)，而且能對該信號進行微分處理，即可根據(jù)輸出參數(shù)（被調(diào)參數(shù)）的變化速度進行“超前調(diào)節(jié)”，從而提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

PT1：是數(shù)字濾波器。它的功能是對采集的原始信號進行濾波處理，不但減少采集信號的外來干擾，而且能緩慢信號的變化速度。

P-CO：是比例調(diào)節(jié)器。根據(jù)被調(diào)節(jié)參數(shù)與給定值的偏差進行比例調(diào)節(jié)。

L（W）：是數(shù)字校正器。用于校正某一參數(shù)對采集信號的影響。

MAX、MIN：是雙向限幅調(diào)節(jié)器。即能限制最大的輸出，也能限制最小的輸出。

4.1.2 自控系統(tǒng)的參數(shù)

（1）S.FRESH M表示喂料量。

（2）F.MDEMAND。N1G08-OUT Cement mill feed demand %。

水泥磨要求喂料量

此值為喂料需求量（4）經(jīng)限幅處理后，給出的喂料秤的百分比開度。比如此值60%時，表示喂料量為150×60%=90t/h。

（3）MAX。

N1FM MAX Fresh material maxlmum%

喂料最大值

它的主要作用是對輸出的喂料參數(shù)進行限幅處理。此值根據(jù)需要進行人為設定，一般取60%～65%。避免由于過激調(diào)節(jié)引起反復震蕩。

其功能關系式如下：（2）= MIN [（3），（4）]

（4）FMD。

N1FMD Fresh material demand %

喂料需求量

此值為限幅處理前的實際需求值，是經(jīng)過回粉、磨位調(diào)整后的設定喂料量，其功能關系式為：（4）=（5）+ （6）

（5）FMYD。

N1FMYD Fresh material%

設定喂料量

此值由操作員根據(jù)磨機能力初步設定，然后再由計算機根據(jù)回粉及磨位與設定值的偏差進行調(diào)節(jié)，最終建立一個相對平衡。

此值設定較高時，平衡后回粉及磨位也較高，此值設定較低時，平衡后的回粉及磨位較低。

但此值如果設的過大，超出了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，將引起回粉陡增，繼而滿磨；如果設的過小，又將引起回粉陡降，繼而磨空。因此，要求此值設定盡量適中，也就是說要盡量減小計算機的調(diào)節(jié)負荷（6），盡量使設定值（5）與輸出值（2）同一起來。

當此值設定較高時，由于其具有較高的回粉量，這可作為在不動選粉機的情況下提高比表面積的一個手段。

設定喂料量＝預調(diào)回粉量×0.3×（7）

對于一定的立軸轉(zhuǎn)速和循環(huán)風量，（5）與（2）的偏差越大，將使計算機系統(tǒng)對回粉的調(diào)節(jié)能力增強，從而強化了對回粉的調(diào)節(jié)，在這種平衡狀態(tài)下生產(chǎn)，可減小回粉的波動幅度。

（6）GRCO。

N1 GRCO Backflow controller output%

回粉控制器輸出值

此值是在設定喂料量的基礎上，根據(jù)回粉及磨位與各自設定值的偏差而給出的調(diào)節(jié)量。當（8）= 0.000時，（6）= 0.3 ×（7）×（9）。

（7）P-FACT。

N1 GRCP Backflow controller P-FACT

回粉控制器比例調(diào)節(jié)系數(shù)

（8）D-FACT。

N1 GRCD Backflow controller D-FACT

回粉控制器微分調(diào)節(jié)系數(shù)

（9）GRCXW。

N1 GRCXW Backflow controller deviation TP

回粉控制器輸入偏差值 噸/小時

（9）=（13）-（12）+（14）

（10）Back Flow 。

選粉機的回粉量

（11）F-FACT。

N1 GRFF Backflow filter factor

回粉過濾器系數(shù)

（12）B.F.Filtered。

N1 GRF Backflow filtered TP.

濾波后的回粉量（t/h）

（13）GRYO。

N1 GRYO Backflow YO TP.

設定回粉量

存在回粉是閉路系統(tǒng)具有較高產(chǎn)質(zhì)量的根本所在，因此就選粉系統(tǒng)而言，如果提升機、選粉機的能力允許，應該盡量選擇較高的回粉量，這樣能夠及時的將合格產(chǎn)品選出，減少過粉磨現(xiàn)象。

但從另一個角度來講，回粉太大勢必增高磨位。如果磨位太高，勢必影響研磨體對物料的沖擊與研磨，從而使粉磨效率降低。

鑒于上述兩點，當磨位不是太高時（≥60%）應盡量選擇較大的回粉，以充分體現(xiàn)閉路系統(tǒng)的功能。

就該廠而言，出磨物料一般控制在280t/h左右（計算和設計控制基準，實際中也可適當突破，在300t/h左右提升機仍能正常生產(chǎn)），還要考慮留出20t/h的波動能力，故回粉量的選擇式一般為：

回粉量= 280-20-臺時產(chǎn)量

（14）LEVCO。

N1 LEVCO level controller output TP.

磨位控制器輸出值

（14）=（15）×（16）

（15）P-FACT。

N1 LEVCP level controller P-FACT

磨位控制器比例調(diào)節(jié)系數(shù)

磨位控制器比例調(diào)節(jié)系數(shù)，即磨位百分比調(diào)節(jié)量對回粉相當噸的轉(zhuǎn)換系數(shù)，它的大小在一定程度上反映著粉磨系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如果此系數(shù)較小，磨系統(tǒng)以回粉調(diào)節(jié)為主，而回粉調(diào)節(jié)存在著滯后時間長且缺少穩(wěn)定調(diào)節(jié)的弱點，易造成喂料、磨位、回粉三個參數(shù)的反復振蕩。既不利于提高臺時產(chǎn)量，又易造成水泥波動，影響斜槽輸送。

如能適當?shù)奶岣叽藚?shù)，比如控制在10或15，就可以增加磨位調(diào)節(jié)的比重。磨位調(diào)節(jié)不但滯后時間較短，而且具有穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力。雖然喂料調(diào)節(jié)頻率提高了，顯得操作不穩(wěn)，但磨位卻被大大地穩(wěn)定下來，從而使回粉也穩(wěn)定了下來，這對粉磨系統(tǒng)是相當重要的。

但此參數(shù)也不可控制的過高，否則，由于調(diào)節(jié)幅度較大，不利于磨位的回粉調(diào)節(jié)，容易造成反復振蕩。

因此，當磨位處于回粉調(diào)節(jié)狀態(tài)時，應將此參數(shù)設的較小一點，比如5，或者干脆手控干預；而當磨位處在穩(wěn)定調(diào)節(jié)狀態(tài)時，可將該參數(shù)設的大一些。

值得注意的是，當該參數(shù)設的較高時，由磨位調(diào)節(jié)比例的增加，同時降低了回粉調(diào)節(jié)比例，要求磨位上限設定值給與適當降低。提早進行回控調(diào)節(jié)，以免回粉過高引起振蕩或壓住提升機。

（16）LEVCXW。

N1 LEVCXW level controller deviation%

磨位控制器輸入偏差值

（16）=（20）-（19）

（17）LEVEL 磨位信號%。

此信號由磨音測量電耳測得。

（18）W-FACT。

N1 WATKF water injection factor

磨內(nèi)噴水校正系數(shù)

（19）LEVEL CORRECTED。

N1 LEVK LEVEL CORRECTED%

校正后的磨位信號。

（20）LEV FIL。

N1 LEVF level filtered%

濾波（限幅）后的磨位信號

當（19）＞（22）時，（20）= min [（21），（19）]；

當（19）＜（22）時，（20）=（22）

（21）MAX 磨位限幅調(diào)節(jié)器的最大值%。

（22）MIN 磨位限幅調(diào)節(jié)器的最小值%。

此限幅調(diào)節(jié)器具有雙向限幅調(diào)節(jié)功能和范圍內(nèi)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)功能。磨位最大最小值的設定，除與填充率、通風量、噴水、回粉、物料易磨性有關外，設定時還應考慮到它是一個相對信號，并不能指示真正的磨位，有時甚至相差很大（調(diào)整不當時）。只有在設定磨位最大最小值時，將此偏差考慮在內(nèi)，才能更好的適應控制系統(tǒng)的需要，進行優(yōu)化生產(chǎn)。

（23）F-FACT。

N1 LEVFF level filter factor

磨位濾波器系數(shù)

4.1.3 自控系統(tǒng)的功能

Polysius的水泥球磨機自控系統(tǒng)的特點是，在設定喂料量的基礎上，進行以回粉、磨位兩個參數(shù)的調(diào)節(jié)，再加以磨內(nèi)噴水校正。

表1 國內(nèi)可供選用的在線粒度儀

該系統(tǒng)以回粉調(diào)解為主，進行“回粉定量”調(diào)節(jié)，以磨位調(diào)節(jié)為輔。當磨位在上下限之間時，只進行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，延緩磨位的變化；只有在磨位超出上限或下限時，才進行磨位“回粉調(diào)節(jié)”。

磨位的調(diào)節(jié)是在比例調(diào)節(jié)器將磨位百分比轉(zhuǎn)換為“相當噸”后，與回粉調(diào)節(jié)量疊加輸出的，整個控制系統(tǒng)是以磨位穩(wěn)定并達到合理的比表面積為目標的。

應該說明的是該水泥粉磨系統(tǒng)的現(xiàn)場設置有比表面積在線檢測儀，遺憾的是到現(xiàn)場時這個在線檢測儀已經(jīng)停用了。何時停用的、什么原因停用的、為什么水泥球磨機自控系統(tǒng)沒有將“比表面積”這個重要的參數(shù)引進來？由于該廠已經(jīng)投產(chǎn)多年、管理和生產(chǎn)人員幾經(jīng)更換，這些問題的原因都難以說清了。

事實上，Polysius的球磨機自控系統(tǒng)仍然是用多變量糾偏，只是不帶滾動優(yōu)化而已，各因變量的相關性由人工判斷調(diào)整。盡管不是前沿技術，但這正是多變量優(yōu)化糾偏的前生或基礎，對完善現(xiàn)有的自控回路、進一步發(fā)展為“多變量優(yōu)化糾偏的智控回路”都具有借鑒意義。

4.2 XOPTIX的關鍵變量自動化控制

我們知道，水泥的粉磨細度是粉磨系統(tǒng)最重要的控制指標，既影響到水泥的質(zhì)量（強度等）又影響到系統(tǒng)產(chǎn)量（電耗等），而且質(zhì)量和產(chǎn)量是系統(tǒng)操作中主要平衡的矛盾，這個平衡點就是一個合適的粉磨細度。所以，“粉磨細度”就是自控系統(tǒng)的關鍵變量。那么，如何控制這個關鍵變量呢？

早期主要是控制80μm方孔篩篩余，逐漸進步到控制45μm方孔篩篩余，或者兩者互補監(jiān)控，但篩余更多反應的是細度不合格部分的剔除量，而對水泥中的合格部分缺少細度的體現(xiàn)；后來又進步到采用比表面積控制水泥細度，較好地體現(xiàn)了對水泥中合格部分細度的反應，或者比表面積和篩余互補監(jiān)控，獲得了對水泥中合格、不合格兩部分的同時監(jiān)控，這是目前對水泥粉磨細度的主要監(jiān)控措施，反應的仍然是水泥粉磨后的總體細度。

水泥技術發(fā)展到今天，我們已經(jīng)知道不僅是總體細度，水泥性能還受到其顆粒級配和顆粒形狀的重大影響。同一種配料，即使在篩余和比表面積相同的情況下，如果顆粒級配不同，水泥的性能也會表現(xiàn)出較大的差異。因此，我們對水泥粉磨細度的控制又提出了更高的要求，不僅要控制其總體細度、而且要控制其顆粒級配。目前，有些公司已經(jīng)配置了水泥顆粒級配檢測儀器。

盡管顆粒級配檢測儀已經(jīng)成熟，但由于其仍然需要人工取樣，時效性差、代表性差，仍然不能滿足生產(chǎn)系統(tǒng)智控的需要；對“水泥顆粒級配的在線監(jiān)控”就成為生產(chǎn)智控的必要，“在線粒度檢測儀”便應運而生。目前在國內(nèi)可供選用的在線粒度儀見表1，已有上海傳偉引進技術的Xoptix、丹東百特的BT-Online1在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)、濟南微納的Winner7303在線激光粒度監(jiān)測儀投入使用。

（1）Xoptix在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)簡介。

Xoptix是1套專門針對工業(yè)現(xiàn)場設計的在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)，直接在生產(chǎn)管線中對水泥的顆粒級配和變化趨勢，進行24h連續(xù)、快速、及時、準確的檢測監(jiān)控，并將監(jiān)控結(jié)果及時傳送到中控室的DCS或PLC系統(tǒng)中，從而為水泥粉磨系統(tǒng)的自動化控制提供重要的信息支撐。

圖3 Xoptix在線激光粒度儀在水泥粉磨系統(tǒng)中的應用

圖4 Xoptix在線激光粒度儀的工作原理

Xoptix在線激光粒度儀，不但解決了人工取樣和檢測的時效性和代表性問題，而且解決了其他在線產(chǎn)品鏡頭容易臟、經(jīng)常需要激光對焦的問題，能夠較好地建立起粒度分布與強度的關系。Xoptix在線激光粒度儀在水泥粉磨系統(tǒng)中的應用位置見圖3。

Xoptix在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能部件有：儀器主機（包括激光發(fā)送、信號接收），樣品流動池，取樣系統(tǒng)，回樣系統(tǒng)，信號控制箱。在線激光粒度儀的組成和工作原理見圖4。

在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)，為了確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定、精準運行，必須對容易受樣品污染的光學鏡片等加以保護。該系統(tǒng)給分布于樣品池兩側(cè)的激光發(fā)射腔和接收腔充以高于取樣氣體壓力的保護氣體，分別在兩腔與樣品池之間形成隔離粉塵的氣幕（高壓氣體密封），較好的解決了光學鏡片的污染問題。Xoptix激光衍射裝置及氣封保護見圖5。

Xoptix是一套專門針對工業(yè)現(xiàn)場設計的在線粒度監(jiān)控系統(tǒng)，可以減小人工取樣的勞動強度和人工檢測的誤差，能為水泥粉磨系統(tǒng)的精細化操作、智能控制提供重要及時的信息支撐。

圖5 Xoptix激光衍射裝置及氣封保護

在粉磨系統(tǒng)啟動的初期，適時的調(diào)整是不可避免的，使用Xoptix能使您隨時掌握您的調(diào)整結(jié)果，提高調(diào)整的準確性、加快進入穩(wěn)定狀態(tài)的速度，從而減小開停機損失。

在粉磨系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)下，使用Xoptix能夠?qū)崟r了解到運行狀況，作出及時、準確的微調(diào)，避免了滯后調(diào)節(jié)、盲目調(diào)節(jié)造成的被動局面，減少產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗損失，降低質(zhì)量波動、減少為應付波動設定的超標率，這也正是我們所謂“新型干法”在操作上強調(diào)“預打小慢車、防止大變動”的體現(xiàn)。

（2）Xoptix自控系統(tǒng)在中聯(lián)響水的使用案例。

中聯(lián)水泥響水公司（粉磨站）2013年安裝了1套Xoptix在線粒度分析系統(tǒng)，將Xoptix安裝在選粉機后的成品輸料斜槽上，Xoptix通過螺旋輸送器將斜槽內(nèi)一部分水泥取出，經(jīng)Xoptix激光衍射檢測后再送回到成品輸料斜槽內(nèi)。

在安裝Xoptix之前，質(zhì)控處用80μm和45μm篩余控制水泥細度，不同人員的檢驗誤差和30min的檢驗時長，影響到中控操作員穩(wěn)定操作；使用Xoptix之后，嘗試對選粉機的轉(zhuǎn)速作細微調(diào)整，約3min之后在中控室就可以看到水泥的粒度分布隨選粉機轉(zhuǎn)速的調(diào)整而變化的結(jié)果，就像把實驗室的儀器搬到了現(xiàn)場，既精準又方便還及時。

使用了Xoptix前，該公司一直采用45μm篩余和比表面積相結(jié)合控制出磨水泥的細度，在生產(chǎn)初期取得了不錯的效果，但對于水泥的顆粒分布卻沒有監(jiān)控。使用Xoptix后，能夠?qū)崟r獲得出磨水泥的顆粒級配，快速判斷是磨機研磨導致顆粒分布變化還是物料（熟料和混合材）活性變化導致水泥強度變化，并且能夠?qū)崟r跟蹤調(diào)整結(jié)果，給中控操作員增添了一個控制水泥性能的先進手段。

圖6 Xoptix使用前后水泥特征粒度參數(shù)的波動情況

儀器的穩(wěn)定性也在長期的使用中得到印證，在系統(tǒng)工藝穩(wěn)定的情況下，幾個特征粒度參數(shù)的趨勢非常穩(wěn)定，波動范圍在±1.5%以內(nèi)。使用Xoptix前后幾個水泥特征粒度參數(shù)（90μm、32μm、45μm）的波動情況見圖6。

該公司是粉磨站企業(yè)，外購熟料質(zhì)量存在較大波動，導致出磨水泥強度標準偏差較大。使用Xoptix之前出磨水泥28天抗壓強度標準偏差為1.633MPa，使用之后由于操作員根據(jù)粒度趨勢的及時調(diào)整，使出磨水泥28天抗壓強度標準偏差減小到0.459MPa，水泥產(chǎn)品均衡穩(wěn)定，滿足了商品混凝土公司的需求，也成了該公司產(chǎn)品的主要賣點。

使用Xoptix前后的幾項指標比較見表2，按100萬t的年產(chǎn)能初步估算，每年可以降低生產(chǎn)成本達600多萬元。

表2 使用Xoptix前后幾項技術指標的比較

這里應該說明的是：①Xoptix的應用業(yè)績，國內(nèi)主要在水泥粉磨系統(tǒng)，同時在生料磨、煤磨上也已有案例。②Xoptix的應用，盡管抓住了關鍵變量，但仍然處于自動化階段，首先它不是多變量控制，第二他還不具備自我滾動優(yōu)化的自學習、自成長能力。

4.3 STEAG的多變量智能化控制

德國Steag的PiT智能控制系統(tǒng)見圖7，由監(jiān)測模塊、預測模塊、自尋優(yōu)控制模塊構(gòu)成，采用聚類分析、神經(jīng)元網(wǎng)絡建模、模型預測等技術，具備全局優(yōu)化和自學習功能，所有控制目標由系統(tǒng)自行探索、設定，適應性較強，可持續(xù)穩(wěn)定在無人干預情況下運行。

PIT系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，包括實際喂料量、物料配比與水泥強度、顆粒級配與水泥強度、磨頭磨尾壓差與磨內(nèi)通風、磨尾溫度與磨內(nèi)噴水、選粉機轉(zhuǎn)速與風量、回粉量大小、提升機電流、磨內(nèi)填充率（磨音、磨震），綜合考慮實際工況和外部變量的影響，通過內(nèi)部經(jīng)驗或機理模型，實現(xiàn)粉磨系統(tǒng)的自我實時優(yōu)化。

PIT系統(tǒng)可基于系統(tǒng)的優(yōu)化計算，自我設定系統(tǒng)喂料量、磨內(nèi)填充率、系統(tǒng)風機轉(zhuǎn)速、選粉機轉(zhuǎn)數(shù)、循環(huán)風機轉(zhuǎn)速、物料配比、顆粒級配等被控變量的控制目標，并持續(xù)優(yōu)化。從而在低電耗、低料耗（熟料）的情況下，實現(xiàn)較高的臺時產(chǎn)量、穩(wěn)定的水泥質(zhì)量。

該系統(tǒng)基本符合我們前面講的智能水泥廠概念?？上驳氖牵罱呀?jīng)在南方水泥廣西某公司投入運行；遺憾的是，由于時間較短，還沒有拿出詳細的總結(jié)報告和效益分析，讓我們期待南方水泥。不過，我前天（20180408）還是拿到了兩張系統(tǒng)運行前后的、幾個關鍵參數(shù)的運行曲線見圖8、圖9。

圖7 德國Steag的PiT智能控制系統(tǒng)

圖8 PIT系統(tǒng)投入運行前后幾個主要參數(shù)曲線的對比

圖9 PIT系統(tǒng)投入運行前后喂料量和填充率的曲線對比

由圖8、圖9可見，在PIT系統(tǒng)投入運行以后，粉磨系統(tǒng)的幾個主要參數(shù)都趨于更加穩(wěn)定，雖然還沒有效果分析，但我們知道穩(wěn)定就是效益。若能達到前述Powitec公司PiT系統(tǒng)的使用效果，則能取得如下效益：降低電耗6%，減少細度偏差30%，增加產(chǎn)量10%，讓我們翹首以待。