專利名稱：基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水泥流程工業(yè)領(lǐng)域的生料粉磨領(lǐng)域，特別是涉及基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，水泥流程工業(yè)的生料粉磨過(guò)程占據(jù)了水泥生產(chǎn)過(guò)程總能耗的30% 40%，原始的生料生產(chǎn)過(guò)程仍以球磨機(jī)粉磨為主，但是球磨機(jī)不僅單機(jī)產(chǎn)量低，且生產(chǎn)過(guò)程揚(yáng)塵大、 噪聲大、產(chǎn)出能耗比高。立磨采用烘干風(fēng)掃技術(shù)，將磨機(jī)與選粉機(jī)集成在一起，提高了粉磨效率，單機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)量接近同體積球磨機(jī)的2倍；磨內(nèi)始終保持高負(fù)壓狀態(tài)，大量減少了揚(yáng)塵；采用料床輥壓技術(shù)替代原有鋼球碰撞擠壓，大大降低了噪音。因此立磨逐漸取代球磨機(jī)成為生料粉磨的首選設(shè)備。但是，現(xiàn)階段，立磨系統(tǒng)的控制主要有以下兩種形式1、DCS監(jiān)控系統(tǒng)+操作員經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)；2、DCS監(jiān)控系統(tǒng)+PID反饋調(diào)節(jié)+操作員經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)。方式1完全依靠操作員的經(jīng)驗(yàn)判斷來(lái)進(jìn)行立磨系統(tǒng)的控制，缺點(diǎn)如下(1)立磨生產(chǎn)效率通常無(wú)法達(dá)到最大；(2)立磨運(yùn)行狀態(tài)波動(dòng)大，降低設(shè)備的使用壽命；(3)誤操作幾率大，不僅損害設(shè)備，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間短；(4)產(chǎn)品主要質(zhì)量參數(shù)，如粒度、細(xì)度等，波動(dòng)性較大。方式2雖然加入了一定的控制策略，但對(duì)于立磨系統(tǒng)這種具有非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID的控制效果很差，對(duì)操作員的依賴性仍然很強(qiáng)，且具有與方式1類似的缺陷?，F(xiàn)有的先進(jìn)控制策略包括模糊PID控制、模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測(cè)控制等。模糊PID控制、模糊控制和專家控制均在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，但仍然適用于工況較簡(jiǎn)單、系統(tǒng)耦合性弱、線性特征明顯、控制目標(biāo)單一的工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)，對(duì)于具有大延時(shí)、非線性、強(qiáng)耦合特點(diǎn)的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程，以上控制方法不僅在控制器構(gòu)建時(shí)會(huì)遇到很多困難，且無(wú)法達(dá)到期望的控制效果。預(yù)測(cè)控制被認(rèn)為是一種非常適合流程工業(yè)的優(yōu)化控制算法，對(duì)于復(fù)雜控制問(wèn)題， 預(yù)測(cè)控制技術(shù)能夠取得比傳統(tǒng)控制方式更好的控制效果，并已得到廣泛的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)矩陣控制作為預(yù)測(cè)控制的一種，不但具有滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等預(yù)測(cè)控制的傳統(tǒng)特點(diǎn)，而且具有對(duì)模型要求較低、處理約束方便、魯棒性強(qiáng)等特性，非常適合應(yīng)用在具有大滯后、非線性和強(qiáng)耦合等特點(diǎn)的立磨系統(tǒng)中。國(guó)內(nèi)外，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)預(yù)測(cè)控制理論在球磨機(jī)控制方面的應(yīng)用做了大量理論研究工作，并在一些現(xiàn)場(chǎng)投入試運(yùn)行，取得不錯(cuò)的運(yùn)行效果?，F(xiàn)有的立磨DCS監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)立磨關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，并采集記錄其實(shí)時(shí)數(shù)值(每秒采集一次)，這為預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)提供了很好的基礎(chǔ)平臺(tái)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)，以改善水泥立磨系統(tǒng)現(xiàn)有控制方式落后、設(shè)備生產(chǎn)效率及運(yùn)轉(zhuǎn)率低、操作人員工作強(qiáng)度大等現(xiàn)狀，并克服其自身具有的大滯后、強(qiáng)耦合、非線性等缺陷。本實(shí)用新型提供了一種針對(duì)立磨粉磨過(guò)程的先進(jìn)控制系統(tǒng)，以模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制理論為基礎(chǔ)，以提高磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定性、增大臺(tái)時(shí)產(chǎn)量和提高成品合格率為目標(biāo)，并力求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、操作維護(hù)方便、運(yùn)行可靠。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷并最大化利用立磨工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是提供一種基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)，包括內(nèi)置立磨粉磨過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)控制器，該系統(tǒng)還包括用于獲取立磨粉磨過(guò)程所有關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的流程監(jiān)控模塊， 通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接至立磨粉磨生產(chǎn)裝置的DCS監(jiān)控系統(tǒng)；用于對(duì)出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機(jī)出口溫度的最佳目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定的目標(biāo)優(yōu)化模塊；和用于最佳控制量輸出值計(jì)算的負(fù)荷控制模塊，包含預(yù)測(cè)控制器；預(yù)測(cè)控制器與DCS監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接；流程監(jiān)控模塊與目標(biāo)優(yōu)化模塊、負(fù)荷控制模塊分別連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳遞；其中流程監(jiān)控模塊內(nèi)置立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、病態(tài)工況專家?guī)旌皖A(yù)警提示模塊；病態(tài)工況預(yù)警模塊與病態(tài)工況專家?guī)煜噙B，通過(guò)查詢模式與病態(tài)工況專家?guī)鞂?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；病態(tài)工況預(yù)警模塊與第一預(yù)警提示模塊連接，通過(guò)寫(xiě)入模式與第一預(yù)警提示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞；目標(biāo)優(yōu)化模塊內(nèi)置目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模塊、第二預(yù)警提示模塊、模型辨識(shí)模塊、模型寫(xiě)入模塊和目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入模塊；目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模塊與模型辨識(shí)模塊相連，以預(yù)警提示模式實(shí)現(xiàn)選擇性連接；目標(biāo)優(yōu)化模塊與負(fù)荷控制模塊之間連接，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入、模型寫(xiě)入。本實(shí)用新型中基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)，其控制方法包括以下步驟(1)流程監(jiān)控模塊通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 OPC從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取立磨粉磨過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；在對(duì)操作和工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析后，病態(tài)工況預(yù)警模塊調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M(jìn)行趨勢(shì)匹配；如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；如匹配結(jié)果未提示存在病態(tài)工況，則進(jìn)行下一步驟；(2)目標(biāo)優(yōu)化模塊根據(jù)立磨基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況，給出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機(jī)出口溫度的最佳目標(biāo)設(shè)定值，并寫(xiě)入預(yù)測(cè)控制器；(3)負(fù)荷控制模塊根據(jù)最佳目標(biāo)設(shè)定值，設(shè)定喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、噴水閥開(kāi)度、 液壓輥壓力和冷熱風(fēng)閥開(kāi)度的最佳控制量輸出，并由預(yù)測(cè)控制器輸出至DCS監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器動(dòng)作。所述步驟O)中，若所述最佳目標(biāo)設(shè)定值的變化幅度超出預(yù)設(shè)值，則提醒進(jìn)行模型重新辨識(shí)；模型辨識(shí)模塊重新辨識(shí)立磨粉磨過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并更新至預(yù)測(cè)控制器；否則，保留預(yù)測(cè)控制器中的原有數(shù)學(xué)模型不變。所述病態(tài)工況專家?guī)斓臉?gòu)建方法為從存儲(chǔ)于DCS監(jiān)控系統(tǒng)的立磨操作和生產(chǎn)工藝的歷史數(shù)據(jù)中提取立磨運(yùn)行所有病態(tài)工況，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)確定各病態(tài)工況出現(xiàn)時(shí)反映工況變化的監(jiān)測(cè)量及變化趨勢(shì)，以此構(gòu)建立磨粉磨過(guò)程的病態(tài)工況專家?guī)臁１緦?shí)用新型中，所述立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)為軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，包括支撐系統(tǒng)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和運(yùn)行于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備上的各種軟件功能模塊。本實(shí)用新型所述流程監(jiān)控模塊、目標(biāo)優(yōu)化模塊、負(fù)荷控制模塊、預(yù)測(cè)控制器、立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、病態(tài)工況專家?guī)?、第一預(yù)警提示模塊、目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模塊、第二預(yù)警提示模塊、模型辨識(shí)模塊、模型寫(xiě)入模塊和目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入模塊均為軟件功能模塊。這些軟件功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式可以有很多種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型思路及各服務(wù)器和相應(yīng)模塊的功能描述之后，完全可以根據(jù)其掌握的技能實(shí)現(xiàn)各模塊的編程與運(yùn)行，不存在無(wú)法理解或無(wú)法再現(xiàn)的可能性。本實(shí)用新型具有預(yù)警、建議和預(yù)調(diào)節(jié)功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的工況專家?guī)炜梢詭椭袛喾勰ミ^(guò)程工況變化趨勢(shì)并對(duì)病態(tài)情況預(yù)警，根據(jù)磨機(jī)工況趨勢(shì)給出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)建議，包括選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓輥液壓力等，預(yù)測(cè)控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和目標(biāo)設(shè)定值， 預(yù)判當(dāng)前時(shí)刻控制量變化在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能引起的粉磨過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)的變化，給出控制量的最佳調(diào)節(jié)量。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)集合了靜態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化兩種方法，其靜態(tài)優(yōu)化方式通過(guò)獲取立磨粉磨過(guò)程運(yùn)行參數(shù)構(gòu)建粉磨過(guò)程最佳數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)立磨基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新；立磨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化方式在目標(biāo)變量設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)和控制量歷史數(shù)據(jù)、歷史變化量等基礎(chǔ)上，根據(jù)粉磨過(guò)程數(shù)學(xué)模型，采用預(yù)測(cè)控制算法計(jì)算控制量歷史變化對(duì)目標(biāo)變量的影響，尋找控制量累積調(diào)節(jié)量最小、目標(biāo)變量向設(shè)定值逼近最快的最佳控制方案，最佳目標(biāo)設(shè)定根據(jù)基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化來(lái)確定。本實(shí)用新型根據(jù)獲取的反映原料品質(zhì)和成品質(zhì)量的歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以對(duì)磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行最優(yōu)化，包括最佳料層厚度設(shè)定、最佳循環(huán)負(fù)荷設(shè)定、最佳液壓輥壓力設(shè)定和最佳磨機(jī)出口溫度設(shè)定。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型專利可以大大提高立磨粉磨過(guò)程的自動(dòng)化水平，且充分利用現(xiàn)有的控制基礎(chǔ)條件，如DCS監(jiān)控系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上組建上位機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)。針對(duì)立磨粉磨過(guò)程的非線性、強(qiáng)耦合、大滯后等復(fù)雜特點(diǎn)，摒棄常規(guī)控制算法，采用預(yù)測(cè)控制算法提升控制系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和有效性，保證立磨在最大效率點(diǎn)附近長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證成品合格率始終處于較高水平且質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定；在運(yùn)行過(guò)程中，液壓輥壓力、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料量合理配合，使物料在磨機(jī)內(nèi)部充分研磨且減小物料在磨內(nèi)的循環(huán)量，從而有效降低水泥廠生產(chǎn)過(guò)程的電耗，提高經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)可以有效避免出現(xiàn)空磨、飽磨等惡劣工況，防止設(shè)備出力過(guò)重而損傷，減少維護(hù)費(fèi)用；本實(shí)用新型專利采用可視化可操作軟件形式，操作方便，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)，一方面提高立磨的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，提高成品的質(zhì)量；一方面降低立磨的產(chǎn)出能耗比，降低操作員的工作強(qiáng)度，延長(zhǎng)磨機(jī)設(shè)備的使用壽命。本實(shí)用新型具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)(1)集合了立磨系統(tǒng)所有病態(tài)工況，可以準(zhǔn)確地給出定性調(diào)節(jié)建議；(2)實(shí)時(shí)建立和更新立磨粉磨過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；(3)預(yù)測(cè)控制算法可靠準(zhǔn)確的指導(dǎo)立磨粉磨過(guò)程；(4)保證磨機(jī)在最大效率點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并保留一定的穩(wěn)定余量。

[0029]圖1為典型立磨粉磨過(guò)程工藝流程圖；圖2為立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)各功能模塊之間的邏輯關(guān)系圖；圖4為軟件設(shè)計(jì)功能界面簡(jiǎn)圖；圖5為立磨粉磨過(guò)程優(yōu)化控制流程圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型具有多目標(biāo)優(yōu)化功能，且靜態(tài)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)優(yōu)化兼容，可以根據(jù)立磨運(yùn)行基本條件與產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化，獲得最佳目標(biāo)設(shè)定值，調(diào)用在線模型辨識(shí)模塊重新辨識(shí)粉磨過(guò)程數(shù)學(xué)模型，并將上述最佳目標(biāo)設(shè)定值和過(guò)程模型更新至預(yù)測(cè)控制器；動(dòng)態(tài)優(yōu)化指采用帶有滾動(dòng)誤差補(bǔ)償、凸優(yōu)化尋優(yōu)和閉環(huán)反饋功能的預(yù)測(cè)控制算法，自動(dòng)尋找達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值的最佳控制路徑，以保證控制量變化累加值最小、逼近目標(biāo)值過(guò)程最快。本實(shí)用新型中，所述流程監(jiān)控模塊、目標(biāo)優(yōu)化模塊、預(yù)測(cè)控制器、模型辨識(shí)模塊和負(fù)荷控制模塊均為由軟件功能模塊，其具體實(shí)現(xiàn)方式可以有很多種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型思路及各模塊的功能描述之后，完全可以根據(jù)其掌握的技能實(shí)現(xiàn)各模塊的編程與運(yùn)行，不存在無(wú)法理解或無(wú)法再現(xiàn)的可能性。
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型內(nèi)容作詳細(xì)說(shuō)明圖1描述了一個(gè)典型立磨粉磨過(guò)程的工藝流程圖，電動(dòng)機(jī)12通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)磨盤 4轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)時(shí)熱風(fēng)14、15從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入磨內(nèi)，物料經(jīng)穩(wěn)流倉(cāng)8均勻混合后，在入磨皮帶9與回料提升機(jī)5運(yùn)回的回料混合，經(jīng)三道鎖風(fēng)閥6進(jìn)行金屬除渣后，從下料口落在磨盤中央；由于離心力的作用，物料向磨盤邊緣移動(dòng)，經(jīng)過(guò)磨盤上的環(huán)形槽時(shí)受到的磨輥3的碾壓而粉碎，繼續(xù)向磨盤邊緣移動(dòng)，直到被風(fēng)處的氣流帶起，大顆粒直接落回到磨盤上的重新粉磨。氣流中的物料經(jīng)過(guò)分離器2時(shí)，在導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子的作用下，粗料從錐斗重新落到磨盤上，細(xì)粉隨氣流一起出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置7中收集，即為產(chǎn)品，物料在與氣體接觸過(guò)程中被烘干，達(dá)到所要求的產(chǎn)品水分，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)葉片的角度和分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，便可得到不同細(xì)度的產(chǎn)品17。為了保障立磨系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，并生產(chǎn)出合格的物料，必須合理控制喂料量、磨輥研磨壓力、磨機(jī)通風(fēng)溫度和風(fēng)量等重要參數(shù)。立磨的操作要點(diǎn)主要有(1)保持穩(wěn)定的料層厚度。合適的料層厚度是立磨料床粉磨的基礎(chǔ)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。料層厚度可通過(guò)調(diào)節(jié)檔料圈的高度來(lái)調(diào)整，合適的厚度以及它們與磨機(jī)產(chǎn)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)在調(diào)試階段找出。料層厚度過(guò)厚將使得立磨粉磨效率變低，料層太薄會(huì)使磨輥與磨盤之間的沖擊過(guò)于劇烈，從而引起磨機(jī)振動(dòng)，甚至?xí)p壞磨盤和磨輥。(2)選擇合適的磨輥液壓壓力。立磨是借助于對(duì)料層施加高壓而進(jìn)行粉磨作業(yè)的。正常操作下，隨著壓力的增加，產(chǎn)量會(huì)相應(yīng)得增加，但是磨輥壓力增加與所需要的功率有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此此舉屬于整個(gè)系統(tǒng)的能效問(wèn)題。合適的磨輥壓力需要兼顧產(chǎn)量和電耗，該值取決于物料性質(zhì)、粒度以及磨機(jī)產(chǎn)量。對(duì)于某個(gè)具體的企業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)找出合適的磨輥壓力以及壓力與生產(chǎn)能力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；(3)選擇合適的風(fēng)速。立磨系統(tǒng)主要靠氣流帶動(dòng)物料循環(huán)。合理的選擇磨內(nèi)風(fēng)速可以形成較好的磨內(nèi)循環(huán)，使盤上料層穩(wěn)定，從而提高粉磨效率。在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)環(huán)面積已確定，則風(fēng)速由風(fēng)量所決定。合理的風(fēng)量應(yīng)和喂料量相聯(lián)系，如喂料量增大，則應(yīng)增大進(jìn)風(fēng)量。如果在實(shí)際操作中，風(fēng)速過(guò)大而喂料過(guò)小則外循環(huán)量加大，進(jìn)而使料層變薄，引起磨機(jī)振動(dòng)；(4)合理地控制磨內(nèi)風(fēng)溫。立磨是烘干粉磨系統(tǒng)，出磨風(fēng)溫是磨機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。如果風(fēng)溫過(guò)低，則烘干能力不足，成品水分增大，影響粉磨效率和烘干效率。參照?qǐng)D2所示，為立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，描述了一種水泥廠生料粉磨過(guò)程優(yōu)化控制方法，包括以下步驟(1)獲取立磨DCS監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)的大量歷史數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研立磨操作和生產(chǎn)工藝，提取立磨運(yùn)行中所有病態(tài)工況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析確定各病態(tài)工況出現(xiàn)時(shí)，能反映工況變化的監(jiān)測(cè)量及其變化趨勢(shì)，建立立磨粉磨過(guò)程病態(tài)工況專家?guī)臁Ｒ陨瞎ぷ骶x線完成；(2)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 OPC從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取粉磨過(guò)程歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)； 相關(guān)變量變化趨勢(shì)分析，調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)?，判斷立磨系統(tǒng)是否出現(xiàn)病態(tài)工況，進(jìn)行預(yù)警顯示，給出定性調(diào)節(jié)建議；(3)根據(jù)原料品質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量要求變化與否，選擇性調(diào)用模型辨識(shí)模塊，若模型發(fā)生變化，更新到預(yù)測(cè)控制器；(4)根據(jù)立磨基本運(yùn)行條件(如原料含水量、原料粒度)和成品質(zhì)量要求(如粒度、 細(xì)度)，給出最佳料層厚度設(shè)定、最佳循環(huán)負(fù)荷設(shè)定、最佳液壓輥壓力設(shè)定、最佳磨機(jī)出口溫度設(shè)定；(5)以料層厚度設(shè)定、循環(huán)負(fù)荷設(shè)定、液壓輥壓力設(shè)定、磨機(jī)出口溫度設(shè)定為目標(biāo)，給出最佳控制量輸出喂料量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速、噴水閥開(kāi)度、液壓輥壓力和冷、熱風(fēng)閥開(kāi)度。圖3列出了立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)各功能模塊之間的邏輯關(guān)系流程監(jiān)控模塊包含立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、OPC接口和第一預(yù)警提示模塊。立磨流程監(jiān)控通過(guò)OPC接口與DCS監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊，實(shí)時(shí)傳輸立磨粉磨流程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在軟件前臺(tái)界面顯示。病態(tài)工況預(yù)警模塊與病態(tài)工況專家?guī)爝B接，依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行立磨工況匹配，如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警提示， 并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒。目標(biāo)優(yōu)化模塊包括目標(biāo)值優(yōu)化計(jì)算模塊、模型辨識(shí)模塊、第二預(yù)警提示模塊、目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入模塊和模型寫(xiě)入模塊。由流程監(jiān)控模塊提供的立磨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模塊得到最佳控制目標(biāo)值，由目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入模塊將計(jì)算得到的最佳目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入負(fù)荷控制模塊的預(yù)測(cè)控制器。若最佳目標(biāo)設(shè)定值變化幅度超出預(yù)設(shè)值，則提醒進(jìn)行模型重新辨識(shí)，模型辨識(shí)模塊得到的最新粉磨過(guò)程模型寫(xiě)入到負(fù)荷控制模塊的預(yù)測(cè)控制器。負(fù)荷控制模塊根據(jù)流程監(jiān)控提供的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、目標(biāo)優(yōu)化模塊提供的最佳目標(biāo)設(shè)定值和粉磨過(guò)程模型，調(diào)用預(yù)測(cè)控制器，計(jì)算控制量輸出，并經(jīng)OPC接口寫(xiě)入DCS監(jiān)控系統(tǒng)，控制執(zhí)行器執(zhí)行控制動(dòng)作。圖4所示為立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖，基于立磨粉磨過(guò)程采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，為滿足該控制系統(tǒng)的可操作性，以軟件架構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)立磨優(yōu)化控制。選項(xiàng)“文件”包括修改系統(tǒng)密碼、系統(tǒng)退出，注意系統(tǒng)登錄和退出都需要密碼安全認(rèn)證。[0057]選項(xiàng)“0PC設(shè)置”包括0PC連接、OPC斷開(kāi)、OPC參數(shù)配置、讀取變量名設(shè)置。OPC 為該軟件與DCS監(jiān)控系統(tǒng)通訊的一種接口協(xié)議，可以從DCS系統(tǒng)讀取指定變量的歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。選項(xiàng)“流程監(jiān)控”監(jiān)控立磨系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括立磨入口氣體壓力、入口溫度、主電機(jī)電流、水平振動(dòng)值、垂直振動(dòng)值、出口氣體壓力、出口溫度、磨輥液壓站壓力、磨輥壓力反饋值、冷風(fēng)閥開(kāi)度、熱風(fēng)閥開(kāi)度、選粉機(jī)變頻轉(zhuǎn)速給定、選粉機(jī)電流、回料皮帶電流、回料提升機(jī)電流、入庫(kù)提升機(jī)電流、回料倉(cāng)倉(cāng)重、噴水閥開(kāi)度。“病態(tài)工況預(yù)警” 按鈕調(diào)用病態(tài)工況模塊，該模塊調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M(jìn)行趨勢(shì)匹配；如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；如匹配結(jié)果未提示存在病態(tài)工況，則進(jìn)行下一步驟。選項(xiàng)“目標(biāo)優(yōu)化”顯示獲取的反映立磨基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的參數(shù)喂料量實(shí)時(shí)值、原料含水量、原料平均粒度、噴水閥開(kāi)度實(shí)時(shí)值、產(chǎn)品細(xì)度要求、產(chǎn)品粒度要求、 料層厚度實(shí)時(shí)值、回料提升機(jī)電流。按鈕“優(yōu)化計(jì)算”調(diào)用立磨粉磨過(guò)程控制目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算最佳目標(biāo)設(shè)定值，并顯示。按鈕“設(shè)定值寫(xiě)入”將計(jì)算得到的目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入預(yù)測(cè)控制器，用于下面控制量輸出值的計(jì)算。根據(jù)立磨基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況，還可以提醒操作員是否進(jìn)行粉磨過(guò)程模型重新辨識(shí)。選項(xiàng)“負(fù)荷控制”顯示反映立磨運(yùn)行狀態(tài)的主要監(jiān)測(cè)變量和可以控制磨機(jī)狀態(tài)改變的主要控制量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、模型辨識(shí)模塊。監(jiān)測(cè)變量包括料層厚度、液壓輥壓力、回料提升機(jī)電流、磨機(jī)振動(dòng)值、磨機(jī)出口溫度、磨內(nèi)壓差，還包括各監(jiān)測(cè)變量的最佳設(shè)定值、取值范圍；控制量包括喂料量、噴水閥開(kāi)度、冷熱風(fēng)閥開(kāi)度、液壓輥壓力、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速，還包括各控制量的取值范圍、計(jì)算輸出值；模型辨識(shí)模塊，根據(jù)立磨基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品要求的變化情況，選擇調(diào)用模型辨識(shí)模塊重新辨識(shí)粉磨過(guò)程模型，并更新至預(yù)測(cè)控制器。 圖5所示為立磨優(yōu)化控制程序流程圖，獲取DCS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波等預(yù)處理之后，調(diào)用工況專家?guī)爝M(jìn)行趨勢(shì)匹配，如果工況異常，則記錄報(bào)警并給出調(diào)節(jié)建議， 否則目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算目標(biāo)最佳設(shè)定值，判斷調(diào)節(jié)動(dòng)作是否為單一回路喂料、通風(fēng)或液壓，選擇調(diào)用單回路預(yù)測(cè)模型或多回路協(xié)調(diào)控制，最后經(jīng)凸優(yōu)化預(yù)測(cè)控制求解給出控制量輸出。 本實(shí)用新型專利適用于立磨應(yīng)用的一切工業(yè)場(chǎng)所，包括水泥生料生產(chǎn)、水泥熟料立磨研磨過(guò)程、鋼鐵廠磨煤過(guò)程、其他金屬礦、非金屬礦的立磨粉磨過(guò)程等，集成了 DCS監(jiān)控、優(yōu)化控制軟件監(jiān)控和下位PLC控制，自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通訊接口，操作簡(jiǎn)單，功能齊全，極大地提升了立磨粉磨過(guò)程的自動(dòng)化水平，提高了立磨生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能降耗，且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人為生產(chǎn)事故的發(fā)生幾率。
權(quán)利要求1.基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)，包括內(nèi)置立磨粉磨過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)控制器，其特征在于，該系統(tǒng)還包括用于獲取立磨粉磨過(guò)程所有關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的流程監(jiān)控模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接至立磨粉磨生產(chǎn)裝置的DCS監(jiān)控系統(tǒng)；用于對(duì)出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機(jī)出口溫度的最佳目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定的目標(biāo)優(yōu)化模塊；和用于最佳控制量輸出值計(jì)算的負(fù)荷控制模塊，包含預(yù)測(cè)控制器；預(yù)測(cè)控制器與DCS監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接；流程監(jiān)控模塊與目標(biāo)優(yōu)化模塊、負(fù)荷控制模塊分別連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳遞； 其中流程監(jiān)控模塊內(nèi)置立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、病態(tài)工況專家?guī)旌皖A(yù)警提示模塊；病態(tài)工況預(yù)警模塊與病態(tài)工況專家?guī)煜噙B；病態(tài)工況預(yù)警模塊與第一預(yù)警提示模塊連接；目標(biāo)優(yōu)化模塊內(nèi)置目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模塊、第二預(yù)警提示模塊、模型辨識(shí)模塊、模型寫(xiě)入模 ±夬和目標(biāo)設(shè)定值寫(xiě)入模塊；目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模塊與模型辨識(shí)模塊相連；目標(biāo)優(yōu)化模塊與負(fù)荷控制模塊之間連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及水泥流程工業(yè)領(lǐng)域的生料粉磨領(lǐng)域，旨在提供一種基于模型辨識(shí)和預(yù)測(cè)控制的立磨先進(jìn)控制系統(tǒng)。包括從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；在對(duì)操作和工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析后，調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M(jìn)行趨勢(shì)匹配；如果顯示出現(xiàn)病態(tài)工況發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；根據(jù)立磨基本運(yùn)行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況給出最佳目標(biāo)設(shè)定值，并寫(xiě)入預(yù)測(cè)控制器；根據(jù)最佳目標(biāo)設(shè)定值設(shè)定最佳控制量輸出，并輸出至DCS監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)而控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器動(dòng)作。本實(shí)用新型可以準(zhǔn)確地給出定性調(diào)節(jié)建議；實(shí)時(shí)建立和更新立磨粉磨過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；指導(dǎo)立磨粉磨過(guò)程，保證磨機(jī)在最大效率點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并保留穩(wěn)定余量。
文檔編號(hào)B02C25/00GK202097023SQ201120072039
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者孟濬, 張進(jìn)峰, 李沛然, 秦偉, 鄭軍, 顏文俊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)