水泥回轉窯分解爐溫度的模糊控制
關鍵字:模糊控制-ＤＣＳ--回轉窯
摘要:介紹了模糊控制技術在水泥回轉窯分解爐溫度控制中的成功應用，并討論了水泥回轉窯生產過程ＤＣＳ系統的總體結構和應用軟件開發。實際運行結果表明：系統穩定可靠、控制效果良好、滿足了生產工藝要求。
水泥生產過程是一個理化反應過程，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，系統工況復雜多變，難以建立精確的數學模型。因此，采用傳統的控制策略往往難以獲得令人滿意的控制品質。為了達到進一步穩定操作工藝、優化技術參數、節能降耗、提高運轉率之目的，目前世界各大水泥制造商和計算機公司除了注重ＤＣＳ系統在水泥生產線的應用外，還特別開發了一些應用于水泥生產工藝各主要環節的先進控制策略，其中模糊控制技術在提高產量和質量、節能以及穩定工況等方面，具有顯著的效果。
自１９６５年Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ教授提出模糊集理論后，１９７３年Ｅ． Ｈ． Ｍａｍｄａｎｉ教授首次成功地將模糊控制應用于鍋爐和蒸汽機的控制中，獲得了比ＰＩＤ控制更好的控制效果；１９７９年丹麥工程師Ｏｓｔｅｒｇａａｒｄ成功地將模糊控制技術應用于石灰窯生產過程的控制中，揭開了模糊控制技術工業化應用的新篇章。模糊控制規則是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制系統，是一種從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的智能控制方法，是模糊數學與控制理論相結合的產物，能夠解決許多復雜而無法建立精確對象模型的系統的控制問題。它先將操作人員或專家的經驗歸結為模糊控制規則，然后把傳感器信號模糊化，并用此模糊輸入去適配控制規則，完成模糊邏輯推理，最后將模糊輸出量進行解模糊判決，變為模擬量或數字量后送到執行器上。
杭州水泥廠新型干法水泥生產線采用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ 最新推出的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＤＣＳ系統，應用模糊控制技術，實現了水泥回轉窯生產過程的實時監控。
１ 分解爐溫度的模糊控制
杭州水泥廠新型干法水泥生產線采用了目前廣泛使用的“五級旋風窯外預熱分解”技術，整個生產工藝過程包括窯外預熱分解、窯內煅燒、熟料冷卻、廢氣處理和煤粉制備等工序。其中，窯尾分解爐溫度是一個重要的工藝參數，它的穩定對整條水泥生產線的穩產、高產和節能具有重大影響。根據對生產工藝和現場數據的分析以及操作人員經驗的總結，可以發現： （１）如果增加喂煤滑差電機轉速，則增大了入分解爐的煤粉流量，這將加劇分解爐內的反應，使分解爐溫度升高。轉速越高，則溫度上升的速度越快。
（２）如果增加生料滑差電機轉速，則增大了入窯生料流量，這將增加分解爐內反應物料數量，使分解爐溫度升高。但生料流量增大到一定程度后，由于物料未能充分反應，分解爐溫度反而會下降。事實上，入窯生料流量與入分解爐煤粉流量之間應維持一定的比例關系，以便進行充分反應。
（３）如果增大回轉窯轉速，則分解爐溫度略有下降，但兩者之間的關系不是很明顯。正常情況下，回轉窯轉速基本保持不變。
由此可見，影響分解爐溫度的因素很多，但喂煤滑差電機的轉速是一個主要因素，而其它因素諸如生料滑差電機的轉速和回轉窯的轉速也對分解爐溫度有一定影響，且各因素之間存在耦合關系，但它們的作用不是線性的，難以建立一個準確的數學模型來描述該過程。如果采用傳統的控制方法，即通過建立對象模型來實現對分解爐溫度的控制則非常困難，為此我們采用模糊控制技術實現對分解爐溫度的自動調節。 模糊控制器的輸入變量為分解爐溫度偏差Ｅ和溫度偏差的變化ＥＣ，輸出變量為喂煤滑差電機轉速增量Δｎ，將回轉窯轉速和生料滑差電機轉速作為干擾因素處理。
輸入變量Ｅ的論域為[－５０，５０]，語言值為{負大，負中，負小，負零，零，正零，正小，正中，正大}，記作{ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＮＺ，ＺＯ，ＰＺ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ}，隸屬度函數如圖１所示。
ＥＣ的論域為[－２５，２５]，語言值為{負大，負小，零，正小，正大}，記作{ＮＢ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＢ}，隸屬度函數采用三角形函數，值為{－２５，－１０，０，１０，２５}。
輸出變量Δｎ的論域為[－１５％，１５％]，語言值為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記作{ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ}，值為{－１５，－１０，－５，０，５，１０，１５}。其中，控制滑差電機轉速的輸出以百分數形式表示，即當控制滑差電機全速運行時，輸出控制量為１００，停止時為０。
設計模糊控制器的核心是模糊規則庫的建立。建立模糊規則庫常用的方法是根據工藝操作規程及對操作人員經驗的總結，抽取相應的模糊規則，這種方法較為簡便，但獲得的規則較為粗糙，且因操作人員經驗的不同而帶有一定的主觀性。另一種方法是應用系統辨識技術，根據輸入輸出數據建立對象的模糊模型，再根據模糊模型提取相應的模糊控制規則。在此，我們采用了先建立對象的模糊模型，再提取模糊控制規則，同時借鑒操作人員的經驗和現場控制情況對控制規則作適當修改的方法，最后所得的規則如表１所示。
表1 模糊控制規則表
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、單點模糊化方法和加權平均解模糊方法的分解爐溫度模糊控制器于１９９８年５月在現場一次投運成功，取得了良好的控制效果。圖２為采用模糊控制策略的分解爐溫度１２小時變化曲線，圖３為采用ＰＩＤ控制策略的溫度變化曲線。由此可見，采用模糊控制策略后，分解爐的溫度基本控制在８５０℃左右，與采用ＰＩＤ控制策略的溫度變化曲線對比，控制效果非常明顯。
２ 計算機控制系統實現
杭州水泥廠回轉窯計算機控制系統選用了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司新近推出的基于Ｃ／Ｓ結構的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＤＣＳ系統，組成圖４所示的總體結構。系統采用兩臺Ｄｅｌｌ ６２００／ＯＰ ＧＸＰＲＯ ２００計算機作為監控站，其中一個作為ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ系統服務器并兼窯頭工作站，承擔總體網絡系統的服務器功能，處理整個系統的通訊、數據庫的管理和控制，又作為工作站管理和控制窯頭、窯中和煤粉制備部分的主要設備；另一個工作站主要負責窯尾及廢氣處理部分的數據采集和設備控制。系統軟件除具備編程、組態、系統生成功能外，還具備了操作站的所有操作及顯示功能。現場控制級的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ復合控制器由控制模塊、通信模塊、電源模塊及相應Ｉ／Ｏ模塊組成，具備數據采集、通信和控制功能。 為使設備運行得安全可靠，系統對所控設備分別設置了計算機控制和現場控制兩種操作功能，各主要設備在現場都配有手操器和啟／停開關。由于水泥生產線現場設備較多，故系統對設備的聯鎖、順序啟／停以及故障停車順序等都編制了相應軟件，避免事故發生。
針對實際生產過程開發的基于模糊控制技術的ＤＣＳ系統應用軟件主要由控制組態軟件和監控組態軟件兩大部分組成。其中控制組態軟件主要包括Ｑｕｉｃｋ Ｂｕｉｌｄ、Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｉｌｄ和Ｓｔａｔｉｏｎ，監控組態軟件包括工藝流程圖、控制回路圖、順序控制圖、歷史趨勢圖、報警系統圖和參數報表等。該系統已于１９９８年５月在杭州水泥廠成功投運，實際日生產能力由設計的７０００噸提高到１００００噸，噴煤用量的節能效率達１０％，達到了提高產量和質量、降低能耗、實現“零污染”的目的。
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