關(guān)鍵字:模糊控制-ＤＣＳ--水泥回轉(zhuǎn)窯
摘要:介紹了模糊控制技術(shù)在水泥回轉(zhuǎn)窯分解爐溫度控制中的成功應(yīng)用，并討論了水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程ＤＣＳ系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件開發(fā)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、控制效果良好、滿足了生產(chǎn)工藝要求。
　　 水泥生產(chǎn)過程是一個(gè)理化反應(yīng)過程，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，系統(tǒng)工況復(fù)雜多變，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，采用傳統(tǒng)的控制策略往往難以獲得令人滿意的控制品質(zhì)。為了達(dá)到進(jìn)一步穩(wěn)定操作工藝、優(yōu)化技術(shù)參數(shù)、節(jié)能降耗、提高運(yùn)轉(zhuǎn)率之目的，目前世界各大水泥制造商和計(jì)算機(jī)公司除了注重ＤＣＳ系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用外，還特別開發(fā)了一些應(yīng)用于水泥生產(chǎn)工藝各主要環(huán)節(jié)的先進(jìn)控制策略，其中模糊控制技術(shù)在提高產(chǎn)量和質(zhì)量、節(jié)能以及穩(wěn)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(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)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(shù)應(yīng)用于石灰窯生產(chǎn)過程的控制中，揭開了模糊控制技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的新篇章。模糊控制規(guī)則是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，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(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠解決許多復(fù)雜而無法建立精確對(duì)象模型的系統(tǒng)的控制問題。它先將操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)歸結(jié)為模糊控制規(guī)則，然后把傳感器信號(hào)模糊化，并用此模糊輸入去適配控制規(guī)則，完成模糊邏輯推理，最后將模糊輸出量進(jìn)行解模糊判決，變?yōu)槟M量或數(shù)字量后送到執(zhí)行器上。
　　 杭州水泥廠新型干法水泥生產(chǎn)線采用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ 最新推出的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＤＣＳ系統(tǒng)，應(yīng)用模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)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(chǎn)線采用了目前廣泛使用的“五級(jí)旋風(fēng)窯外預(yù)熱分解”技術(shù)，整個(gè)生產(chǎn)工藝過程包括窯外預(yù)熱分解、窯內(nèi)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(gè)重要的工藝參數(shù)，它的穩(wěn)定對(duì)整條水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和節(jié)能具有重大影響。根據(jù)對(duì)生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析以及操作人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)： （１）如果增加喂煤滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速，則增大了入分解爐的煤粉流量，這將加劇分解爐內(nèi)的反應(yīng)，使分解爐溫度升高。轉(zhuǎn)速越高，則溫度上升的速度越快。
（２）如果增加生料滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速，則增大了入窯生料流量，這將增加分解爐內(nèi)反應(yīng)物料數(shù)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(yīng)，分解爐溫度反而會(huì)下降。事實(shí)上，入窯生料流量與入分解爐煤粉流量之間應(yīng)維持一定的比例關(guān)系，以便進(jìn)行充分反應(yīng)。
　　 （３）如果增大回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速，則分解爐溫度略有下降，但兩者之間的關(guān)系不是很明顯。正常情況下，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速是一個(gè)主要因素，而其它因素諸如生料滑差電機(jī)的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速也對(duì)分解爐溫度有一定影響，且各因素之間存在耦合關(guān)系，但它們的作用不是線性的，難以建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述該過程。如果采用傳統(tǒng)的控制方法，即通過建立對(duì)象模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)分解爐溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 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(jī)轉(zhuǎn)速增量Δｎ，將回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速和生料滑差電機(jī)轉(zhuǎn)速作為干擾因素處理。
　　 輸入變量Ｅ的論域?yàn)閇－５０，５０]，語言值為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)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(shù)如圖１所示。
　　 ＥＣ的論域?yàn)閇－２５，２５]，語言值為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，記作{ＮＢ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＢ}，隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)，值為{－２５，－１０，０，１０，２５}。
　　 輸出變量Δｎ的論域?yàn)閇－１５％，１５％]，語言值為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)速的輸出以百分?jǐn)?shù)形式表示，即當(dāng)控制滑差電機(jī)全速運(yùn)行時(shí)，輸出控制量為１００，停止時(shí)為０。
　　 設(shè)計(jì)模糊控制器的核心是模糊規(guī)則庫的建立。建立模糊規(guī)則庫常用的方法是根據(jù)工藝操作規(guī)程及對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，抽取相應(yīng)的模糊規(guī)則，這種方法較為簡(jiǎn)便，但獲得的規(guī)則較為粗糙，且因操作人員經(jīng)驗(yàn)的不同而帶有一定的主觀性。另一種方法是應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)建立對(duì)象的模糊模型，再根據(jù)模糊模型提取相應(yīng)的模糊控制規(guī)則。在此，我們采用了先建立對(duì)象的模糊模型，再提取模糊控制規(guī)則，同時(shí)借鑒操作人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)控制情況對(duì)控制規(guī)則作適當(dāng)修改的方法，最后所得的規(guī)則如表１所示。
　　 表1 模糊控制規(guī)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(diǎn)模糊化方法和加權(quán)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(xiàn)場(chǎng)一次投運(yùn)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(shí)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(duì)比，控制效果非常明顯。
　　 ２ 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　 杭州水泥廠回轉(zhuǎn)窯計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)選用了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司新近推出的基于Ｃ／Ｓ結(jié)構(gòu)的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＤＣＳ系統(tǒng)，組成圖４所示的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用兩臺(tái)Ｄｅｌｌ ６２００／ＯＰ ＧＸＰＲＯ ２００計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控站，其中一個(gè)作為ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ系統(tǒng)服務(wù)器并兼窯頭工作站，承擔(dān)總體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)器功能，處理整個(gè)系統(tǒng)的通訊、數(shù)據(jù)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(shè)備；另一個(gè)工作站主要負(fù)責(zé)窯尾及廢氣處理部分的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。系統(tǒng)軟件除具備編程、組態(tài)、系統(tǒng)生成功能外，還具備了操作站的所有操作及顯示功能。現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ復(fù)合控制器由控制模塊、通信模塊、電源模塊及相應(yīng)Ｉ／Ｏ模塊組成，具備數(shù)據(jù)采集、通信和控制功能。 為使設(shè)備運(yùn)行得安全可靠，系統(tǒng)對(duì)所控設(shè)備分別設(shè)置了計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)場(chǎng)控制兩種操作功能，各主要設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)都配有手操器和啟／停開關(guān)。由于水泥生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較多，故系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的聯(lián)鎖、順序啟／停以及故障停車順序等都編制了相應(yīng)軟件，避免事故發(fā)生。
　　 針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程開發(fā)的基于模糊控制技術(shù)的ＤＣＳ系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要由控制組態(tài)軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件兩大部分組成。其中控制組態(tài)軟件主要包括Ｑｕｉｃｋ Ｂｕｉｌｄ、Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｉｌｄ和Ｓｔａｔｉｏｎ，監(jiān)控組態(tài)軟件包括工藝流程圖、控制回路圖、順序控制圖、歷史趨勢(shì)圖、報(bào)警系統(tǒng)圖和參數(shù)報(bào)表等。該系統(tǒng)已于１９９８年５月在杭州水泥廠成功投運(yùn)，實(shí)際日生產(chǎn)能力由設(shè)計(jì)的７０００噸提高到１００００噸，噴煤用量的節(jié)能效率達(dá)１０％，達(dá)到了提高產(chǎn)量和質(zhì)量、降低能耗、實(shí)現(xiàn)“零污染”的目的。
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