霍尼韦尔智能控制策略在湿磨干烧水泥生产线DCS中的应用

1　引言

目前，我国水泥工业多数工厂采用传统湿法水泥生产线，设备落后，生产效率不高，自动化程度低，能耗大，环保问题严重；全干法水泥生产线，一次性投资过大，难以符合我国国情。湿磨干烧水泥生产线吸取湿法、干法二者的优点，在传统的水泥行业改造方面有很好的发展前景。

我们采用Honeywell C200型DCSPlantScape系统研制开发了浙江某水泥厂湿磨干烧水泥生产线自动控制系统，并在此基础上利用底层具有运算功能的控制器，实现了具有自学习、前馈功能的智能控制算法，并成功用于实际生产过程中，取得显著的经济效益。

2　湿磨干烧生产线自动控制系统

2．1　DCSPlantScape系统简介

PlactScape C200型DCS系统是美国Honeywell公司新推出的一套功能完备、技术先进DCS系统。它的软件开发系统由Display Build、Control Build和Quick Build构成。Display Build用于开发操作站控制界面；Control Build用于编制设备控制程序，下载到底层控制器对现场设备进行控制；Quick Build用于系统管理组态。

由于系统提供了较为丰富的图库，用DisplayBuild开发的用户界面简洁、实用美观、立体感强，并支持动态图象功能。与传统的梯形图相比，ControlBuild采用最先进的功能逻辑图形式，组态功能强大，操作与调试简便。该系统可靠性高，软件具有很强的自诊断、冗余、校验、互锁、纠错等功能，通讯设备检错、容错能力强；扩展性好，标准化的网络TCP／IP协议和ACCESS数据库利于系统高层互连；开放的网络Client／Server结构，支持系统远程工程、冗余服务器，网络动态数据交换（DDE），强大的报表功能和通用的数据格式，有利于办公自动化的实现；开放略。

2．2　系统硬件构成与冗余

整个控制系统分为中央控制室和窑头、窑尾两个现场控制站。如图2—1所示。

其中窑头现场控制站用于控制窑头设备，包括窑头电收尘、蓖冷机、喷煤装置、一次风机等；窑尾控制站用于控制窑尾设备，包括料浆过滤、烘干破碎机、回转窑主传、辅传电机、高温风机、窑尾电收尘、烘干破喷水降温系统等。整个控制系统的规模为714点。

2．3　系统软件设计

在Windows NT4．0平台上，根据工艺、设备的控制要求，我们利用控制组态软件Control Builder开发了窑头，窑尾各设备的CM（Control Module）和SCM（Sequence Control Module）控制模块，包括单机启停、设备组连锁启停、设备互锁、闭环回路控制、重要AI／AO参数监控、设备运行状态监视等。利用Dis－play Builder开发了一系列操作站界面，包括系统总图、窑头工艺流程图、窑尾工艺流程图、烧成窑中、料浆过滤、喂煤系统、窑头窑尾电收尘、辅助翻窑、回路控制等。每幅页面除含有必需的信息之外，还设有快捷按钮，以便实现页面之间的快速切换。

另外，基于PlantScape提供的基本功能，我们还开发了报表打印、历史曲线显示、交接班日记、紧急事件报警、对设备操作或其它操作触发的事件记录等功能。

3　先进控制策略的软件实现

整条生产线有窑头罩负压、窑头喷水、回转窑转速、蓖冷机冲程、分解炉温度等控制回路。通过现场调试，我们发现除分解炉温度外，其它控制回路利用系统提供的常规PID模块即可满足工艺要求。分解炉是一个具有时变、滞后，且严重非线性特点的控制对象，温度要求控制在870±30℃内，温度过高，分解炉出口易出现烧结堵塞现象；温度过低，生料分解不充分，影响水泥质量。采用PID的控制效果很不理想，控制误差有870±50℃，而且经常出现失控现象。实际上，分解炉的温度受诸多因素的影响，其中生料流量、煤粉流量和风量影响最为显著。在产量一定时，风量一般变化不大，但由于在湿磨干烧水泥生产工艺中，生料是以料饼的形式非连续的进入烘干破碎机，从而造成生料流量的波动，成为分解炉温度失控的主要因素。

针对分解炉受控对象的特点，我们采用了多控制器集成的智能控制策略：在分解炉设定值附近用自学习PID控制器；若因大的扰动使温度偏离设定值较大，用多值逻辑控制器；由于分解炉炉中温度能够反映分解炉出口温度变化的趋势，因此取分解炉炉中温度为前馈控制变量，具体实现算法如下：

3．1　自学习PID控制器

取误差e（k）＝Tsp（k）－T1（k）；误差变化量Δe（k）＝e（k）－e（k－1）；二次误差变化量Δ2e（k）＝e（k）－2e（k－1）＋e（k－2）。其中Tsp（k）为分解炉出口温度设定值，T1（k）为分解炉出口温度测量值。有：

w1、w2、w3为归一化权值。利用Hebb－Delta学习规则进行权值修正，

由于PID控制器主要用于进入平稳态后的阶段，取Δu1（k）＝α·u1（k），α为调节速率。

3．2　多值逻辑控制器

将误差e（k）量化为MVLe，多值逻辑控制器的增量算式为：

3．3　前馈控制器

因炉中温度测点靠近生料入口和煤粉入口，其图3—1　F（t1，t2）和F1（t1）的时序图

图4—1　分解炉出口温度实际控制曲线　　图3—2　分解炉温度控制图
温度变化明显超前于出口温度变化，超前时间在1～2min范围内变化。因此，取分解炉炉中温度的变化量对出口温度进行前馈控制。

其中，K3为前馈比例系数，ΔT（k）为分解炉炉中温度变化率。

3．4　集成综合控制器

综合控制器增量输出公式为：

其中F（t1，t2）为大误差标志位，F1（t1）为脉冲标志位，F（t1，t2）、F1（t1）时序如图3—1所示。

当｜e（k）｜＞3％并持续时间t＞t1后，F（t1，t2）置位为1；t＞t2后，F（t1，t2）复位为0。取F（t1，t2）的上升沿作为标志F1（t1）＝δ（t1）。在F（t1，t2）为0时，自学习PID控制器起作用。Δu1（k）累加到综合控制器输出；在F（t1，t2）为1时，自学习PID控制器不起作用，Δu1（k）＝0。F1（t1）为脉冲，每个脉冲Δu2（k）累加到综合控制器输出一次。喷煤计量装置和分解炉一起作为综合控制器的控制对象。因前馈控制对分解炉炉中温度变化具有抑制作用，故Δu3（k）无论F（t1，t2）和F1（t1）的状态如何，都累加到综合控制器输出。综合控制器框图见图3—2，其中喷煤计量装置为成套设备，其执行机构为一阶惯性环节，带有常规PID控制器。用Control Build编程实现上述算法，利用CM模块形成采样周期和大误差标志等，利用SCM模块进行算法运算。

4　应用效果与结论

在某水泥厂分解炉出口温度控制回路中的实际运行结果表明，采用常规PID控制，温度波动±50℃；采用本文方案，温度波动不超过±30℃。如图4—1所示，设定值Tsp＝870℃，T1为分解炉出口温度实测值，T2为炉中温度，u为控制量。与利用API函数编制用户算法在主服务器上运行相比，该方案克服了采样和控制周期受计算机负荷影响而变化的缺陷，而且不受通讯影响，工作稳定可靠，安全性好。综合控制器手动／自动切换时无扰动。

由于我们开发的湿磨干烧水泥生产线自动控制系统运行可靠，各回路控制精度很好的满足生产工艺的要求，尤其是我们利用系统控制组态软件实现了高级的控制策略，解决了生产实际问题。