水泥回转窑分解炉温度的模糊控制
关键字:模糊控制-ＤＣＳ--回转窑
摘要:介绍了模糊控制技术在水泥回转窑分解炉温度控制中的成功应用，并讨论了水泥回转窑生产过程ＤＣＳ系统的总体结构和应用软件开发。实际运行结果表明：系统稳定可靠、控制效果良好、满足了生产工艺要求。
水泥生产过程是一个理化反应过程，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，系统工况复杂多变，难以建立精确的数学模型。因此，采用传统的控制策略往往难以获得令人满意的控制品质。为了达到进一步稳定操作工艺、优化技术参数、节能降耗、提高运转率之目的，目前世界各大水泥制造商和计算机公司除了注重ＤＣＳ系统在水泥生产线的应用外，还特别开发了一些应用于水泥生产工艺各主要环节的先进控制策略，其中模糊控制技术在提高产量和质量、节能以及稳定工况等方面，具有显著的效果。
自１９６５年Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ教授提出模糊集理论后，１９７３年Ｅ． Ｈ． Ｍａｍｄａｎｉ教授首次成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机的控制中，获得了比ＰＩＤ控制更好的控制效果；１９７９年丹麦工程师Ｏｓｔｅｒｇａａｒｄ成功地将模糊控制技术应用于石灰窑生产过程的控制中，揭开了模糊控制技术工业化应用的新篇章。模糊控制规则是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制系统，是一种从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的智能控制方法，是模糊数学与控制理论相结合的产物，能够解决许多复杂而无法建立精确对象模型的系统的控制问题。它先将操作人员或专家的经验归结为模糊控制规则，然后把传感器信号模糊化，并用此模糊输入去适配控制规则，完成模糊逻辑推理，最后将模糊输出量进行解模糊判决，变为模拟量或数字量后送到执行器上。
杭州水泥厂新型干法水泥生产线采用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ 最新推出的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＤＣＳ系统，应用模糊控制技术，实现了水泥回转窑生产过程的实时监控。
１ 分解炉温度的模糊控制
杭州水泥厂新型干法水泥生产线采用了目前广泛使用的“五级旋风窑外预热分解”技术，整个生产工艺过程包括窑外预热分解、窑内煅烧、熟料冷却、废气处理和煤粉制备等工序。其中，窑尾分解炉温度是一个重要的工艺参数，它的稳定对整条水泥生产线的稳产、高产和节能具有重大影响。根据对生产工艺和现场数据的分析以及操作人员经验的总结，可以发现： （１）如果增加喂煤滑差电机转速，则增大了入分解炉的煤粉流量，这将加剧分解炉内的反应，使分解炉温度升高。转速越高，则温度上升的速度越快。
（２）如果增加生料滑差电机转速，则增大了入窑生料流量，这将增加分解炉内反应物料数量，使分解炉温度升高。但生料流量增大到一定程度后，由于物料未能充分反应，分解炉温度反而会下降。事实上，入窑生料流量与入分解炉煤粉流量之间应维持一定的比例关系，以便进行充分反应。
（３）如果增大回转窑转速，则分解炉温度略有下降，但两者之间的关系不是很明显。正常情况下，回转窑转速基本保持不变。
由此可见，影响分解炉温度的因素很多，但喂煤滑差电机的转速是一个主要因素，而其它因素诸如生料滑差电机的转速和回转窑的转速也对分解炉温度有一定影响，且各因素之间存在耦合关系，但它们的作用不是线性的，难以建立一个准确的数学模型来描述该过程。如果采用传统的控制方法，即通过建立对象模型来实现对分解炉温度的控制则非常困难，为此我们采用模糊控制技术实现对分解炉温度的自动调节。 模糊控制器的输入变量为分解炉温度偏差Ｅ和温度偏差的变化ＥＣ，输出变量为喂煤滑差电机转速增量Δｎ，将回转窑转速和生料滑差电机转速作为干扰因素处理。
输入变量Ｅ的论域为[－５０，５０]，语言值为{负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大}，记作{ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＮＺ，ＺＯ，ＰＺ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ}，隶属度函数如图１所示。
ＥＣ的论域为[－２５，２５]，语言值为{负大，负小，零，正小，正大}，记作{ＮＢ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＢ}，隶属度函数采用三角形函数，值为{－２５，－１０，０，１０，２５}。
输出变量Δｎ的论域为[－１５％，１５％]，语言值为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记作{ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ}，值为{－１５，－１０，－５，０，５，１０，１５}。其中，控制滑差电机转速的输出以百分数形式表示，即当控制滑差电机全速运行时，输出控制量为１００，停止时为０。
设计模糊控制器的核心是模糊规则库的建立。建立模糊规则库常用的方法是根据工艺操作规程及对操作人员经验的总结，抽取相应的模糊规则，这种方法较为简便，但获得的规则较为粗糙，且因操作人员经验的不同而带有一定的主观性。另一种方法是应用系统辨识技术，根据输入输出数据建立对象的模糊模型，再根据模糊模型提取相应的模糊控制规则。在此，我们采用了先建立对象的模糊模型，再提取模糊控制规则，同时借鉴操作人员的经验和现场控制情况对控制规则作适当修改的方法，最后所得的规则如表１所示。
表1 模糊控制规则表
E
EC NB NM NS NZ ZO PZ PS PM PB
NB PB PB PM PM PS PS ZO NS NS
NS PB PM PM PS PS ZO ZO NS NS
ZO PM PM PS PS ZO NS NS NM NM
PS PM PM PS ZO ZO NS NS NM NB
PB PS PS ZO ZO NS NM NM NB NB
采用了Ｚａｄｅｈ推理方法、单点模糊化方法和加权平均解模糊方法的分解炉温度模糊控制器于１９９８年５月在现场一次投运成功，取得了良好的控制效果。图２为采用模糊控制策略的分解炉温度１２小时变化曲线，图３为采用ＰＩＤ控制策略的温度变化曲线。由此可见，采用模糊控制策略后，分解炉的温度基本控制在８５０℃左右，与采用ＰＩＤ控制策略的温度变化曲线对比，控制效果非常明显。
２ 计算机控制系统实现
杭州水泥厂回转窑计算机控制系统选用了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司新近推出的基于Ｃ／Ｓ结构的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＤＣＳ系统，组成图４所示的总体结构。系统采用两台Ｄｅｌｌ ６２００／ＯＰ ＧＸＰＲＯ ２００计算机作为监控站，其中一个作为ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ系统服务器并兼窑头工作站，承担总体网络系统的服务器功能，处理整个系统的通讯、数据库的管理和控制，又作为工作站管理和控制窑头、窑中和煤粉制备部分的主要设备；另一个工作站主要负责窑尾及废气处理部分的数据采集和设备控制。系统软件除具备编程、组态、系统生成功能外，还具备了操作站的所有操作及显示功能。现场控制级的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ复合控制器由控制模块、通信模块、电源模块及相应Ｉ／Ｏ模块组成，具备数据采集、通信和控制功能。 为使设备运行得安全可靠，系统对所控设备分别设置了计算机控制和现场控制两种操作功能，各主要设备在现场都配有手操器和启／停开关。由于水泥生产线现场设备较多，故系统对设备的联锁、顺序启／停以及故障停车顺序等都编制了相应软件，避免事故发生。
针对实际生产过程开发的基于模糊控制技术的ＤＣＳ系统应用软件主要由控制组态软件和监控组态软件两大部分组成。其中控制组态软件主要包括Ｑｕｉｃｋ Ｂｕｉｌｄ、Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｉｌｄ和Ｓｔａｔｉｏｎ，监控组态软件包括工艺流程图、控制回路图、顺序控制图、历史趋势图、报警系统图和参数报表等。该系统已于１９９８年５月在杭州水泥厂成功投运，实际日生产能力由设计的７０００吨提高到１００００吨，喷煤用量的节能效率达１０％，达到了提高产量和质量、降低能耗、实现“零污染”的目的。
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