水泥闭路预粉磨系统与终粉磨系统的协调控制研究

2020-02-17任志鹏

四川水泥 2020年9期

关键词：协调控制

任志鹏

（同煤集团建材公司，山西大同 037000）

水泥闭路预粉磨系统与终粉磨系统的协调控制研究

任志鹏

（同煤集团建材公司，山西大同 037000）

中图分类号：TQ172

文献标识码：A

文章编号1007-6344（2020）09-0002-02

摘要：针对水泥闭路粉磨的预粉磨系统与终粉磨系统难以维持动态平衡的问题，本文基于水泥闭路粉磨系统工艺流程，通过分析相应的参数，建立系统模型，设计出水泥闭路粉磨系统协调控制器，并提出预粉磨系统与终粉磨系统协调控制的方案。结果表明水泥闭路预粉磨系统与终粉磨系统的协调控制能够有效调节预粉磨系统与终粉磨系统之间的动态平衡问题，提高水泥粉磨的效率，增加水泥产量。

关键词：预粉磨系统；终粉磨系统；协调控制

作者简介：任志鹏（1992.1-），男，本科，2016年7月毕业于太原理工大学，助理工程师，研究方向：水泥相关设备研究。

0 绪论

水泥作为我国传统型支柱产业，其产量直接影响经济的发展，而水泥粉磨是水泥生产最后的工序，对水泥产量有决定性的影响力。根据目前国内外的研究现状发现，水泥粉磨基于大数据的发展模式较为落后，在工艺流程中磨物料粗、稳流仓料位频繁波动等对生产效率有干扰作用的问题[1]，大多解决方案都是单因素控制[2]，因此基于水泥闭路粉磨系统工艺流程，通过分析相应的参数，建立系统模型，设计出水泥闭路粉磨系统协调控制器，并提出预粉磨系统与终粉磨系统协调控制的方案，能够有效地进行多因素协同控制，为提高水泥粉磨的效率提供科学途径。

1 水泥闭路粉磨系统工艺分析

水泥闭路粉磨工艺流程主要包括：出入磨斗式提升机、选粉机、稳流仓、辊压机、循环风机、球磨机、后主排风机以及收尘器，不同设备相互连接、相互配合形成一个闭路系统[3]。喂料量首先是经皮带秤和稳流仓，在辊压机的作用下破碎，通过选粉机的筛选，较小破碎颗粒直接进入循环风机，较大破碎颗粒再回稳流仓[4]。循环风机将小颗粒送入球磨机进行粉磨，然后由出磨斗式提升机送入选粉机重复筛选，粉磨合格的由后主排风机送入成品库，粉磨不达标的重回球磨机循环粉磨[5]。为了避免整体研究的繁杂，本文将粉磨系统划分为预粉磨系统与终粉磨系统，进行局部分析，以达到部分见整体的研究效果。预粉磨系统流程从喂料量到辊压机再到稳流仓，终粉磨系统由循环风机到球磨机再到回粉，其中球磨机到回粉进行循环。预粉磨系统和预粉磨系统在稳流仓与循环风机和球磨机的部分紧密联系。

2 水泥闭路粉磨系统参数的选取

喂料量是水泥闭路粉磨系统的始端，喂料量的变化关系到整个系统的运行，最先导致稳流仓料位值波动，而稳流仓料位值就是预粉磨系统所处的状态，因此可将喂料量设置为输入量，稳流仓料位值设置为输出量。与之对应的就是回粉量，能够体现出终粉磨系统的一个输出状态，而回粉量是受循环风机转速影响的，是终粉磨系统输入端，因此循环风机转速设置为终粉磨系统的输入量，回粉量设置为终粉磨系统的输出量。

参数设置好以后就需要确定数据，可以将工业现场作为数据来源，为了排除辊压机跳停等干扰因素的影响，保障数据分析的可行性，可以采取均值滤波。具体操作方法如下：以10 为单位，对数据分组，求均值；数据采集周期T=1s；采样点1 万个；选取稳定时间段的采样点数据5000 个。根据均值滤波获取以下曲线：喂料量滤波前后对比曲线、稳流仓料位值滤波前后对比曲线、回粉量滤波前后对比曲线、循环风机转速值滤波前后对比曲线。对比发现，喂料量、稳流仓料位值、循环风机转速、回粉量的数据更加稳定，基本可以确定不受其他外部因素的影响，能够做下一步研究。

3 水泥闭路粉磨系统模型建立流程

3.1 预粉磨系统模型建立流程

预粉磨系统模型建立是根据其工艺流程，结合了BP 神经网络算法，通过一系列的修正最终确定了权值矩阵和阈值矩阵。模型总共分为三层：输入层（2 个节点）、隐含层以及输出层（1 个节点）。输入层设置的是喂料量n时刻的状态，稳流仓料位值n 时刻的状态。隐含层设置的是神经元输出。输出层设置的是稳流仓料位值n+1 时刻的状态。然后根据输入层与隐含层的节点个数建立两层之间的权值矩阵和阈值矩阵。为了使得误差缩小到一定的范围，便于研究，因此要将两个矩阵进行一系列的修正，最终得到预粉磨系统的数学模型。最后在对输入层的两个节点进行滚动滤波的处理，即上文对于参数的处理，使得模型内部的关系更加清晰。

3.2 终粉磨系统模型建立流程

终粉磨系统模型建立是根据其工艺流程，结合最小二乘支持向量的方法，根据上文所确定的四个变量，得到终粉磨循环风机转速与回粉量n 时刻状态下的样本集，最终构建拉格朗日方程组，寻找最优解，经过计算得到各个参数的数值，获得终粉磨系统模型。

4 水泥闭路粉磨系统协调控制器的设计

水泥闭路粉磨工艺较为复杂，除了过程情况复杂，除了辊压机跳停等设备故障造成的干扰，还有人为因素的干扰。为了使得水泥闭路粉磨系统的运行更稳定，需要设计协调控制器，使得系统具备强抗干扰能力。

4.1 预粉磨系统控制器设计

对水泥闭路粉磨预粉磨系统模型进行变形,建立预粉磨系统线性函数：等式左边为稳流仓料位值在n+1 时刻的状态，等式右边为稳流仓料位值在n 时刻的状态，再加上干扰项。其中变量为喂料量在n 时刻的状态。根据工业现场的实际情况，首先确定输出参数稳流仓料位值的误差区间及其误差变化率区间，其次对区间进行均分，建立三角隶属度函数，最后计算隶属度，得到稳流仓料位值的误差、稳流仓料位值误差的变化速率、稳流仓料位值的稳定值的模糊规则表，最终得到比例参数、积分参数、积分参数n 时刻的值。再设定周期T，就可以得到预粉磨系统控制器。利用模糊PID 算法调节比例参数、积分参数、积分参数n 时刻的值，调节输入量，达到预定目的。

4.2 终粉磨系统控制器设计

对水泥闭路粉磨终粉磨系统模型进行变形，建立终粉磨系统线性函数：等式左边为终粉磨系统中回粉量在n+1 时刻的状态，等式右边为回粉量在n 时刻的状态，其中变量为循环风机转速在n 时刻的状态。将等式右边根据泰勒级数展开式进行变形，再通过非奇异变换，可以得到新的终粉磨系统方程。再通过将不确定因素以及干扰因素转化为复合干扰项，化解上述方程式可得终粉磨系统设计滑模面，最终设计出基于干扰的终粉磨系统控制器。终粉磨系统所设计的滑模控制器为了实现回粉量的输出值多次发生变化，首先调节循环风机转速，抑制干扰因素，然后使得输出值与目标值匹配，实现了终粉磨系统控制器的有效运行。

5 预粉磨系统与终粉磨系统协调控制的方案

水泥厂目前的控制方案主要通过人工控制来协调，基于不同层次操作员的调控，可能造成水泥的质与量在较大范围内波动，一方面给水泥厂带来输出偏差，另一方面给水泥需求方带来不稳定原料供应状况。因此建立预粉磨系统与终粉磨系统协调控制的方案能够避免人工控制造成的内部影响，降低干扰度，对于水泥粉磨系统有着助推力。协调控制方案是根据预粉磨系统控制器和终粉磨系统控制器的运行模式提出的，具体来说要根据不同工况的现实状况进行实际调整，主要分为磨机协调控制与粒度控制，前者控制的预粉磨系统与终粉磨系统，后者控制的水泥质量。具体方案如下：

终粉磨系统优先控制：当终粉磨系统波动较大，需要首先控制回粉量，以确保水泥质量，因此需要优先控制循环风机转速值，在保障输入与输出稳定的情况下使得终粉磨系统得以控制；当粉磨系统本身较为稳定，预粉磨系统稳流仓料位值会根据终粉磨系统循环风机转速的变化而动态变化，因此通过回粉量的控制来反作用于循环风机转速，依次使得喂料量根据目标产量得以控制，从而实现预粉磨与终粉磨系统的动态平衡。

终粉磨系统与预粉磨系统协同控制：当终粉磨系统与预粉磨系统都处于较大波动状态，没有平稳运行，如果不加以控制，这种不平稳状态会逐步增加，导致极端情况发生。这种两个系统都不平稳时，采取终粉磨系统优先控制无法在短时间内形成动态平衡。因此需要对喂料量和回粉量同时进行控制，通过控制模型对参数进行微调，分阶段逐步达到粉磨系统的动态平衡。

预粉磨系统优先控制：当表面上预粉磨系统与终粉磨系统都处于稳定状态，喂料量和回粉量都呈现一定的平衡，系统整体运行顺畅。但如果适当的从控制模型中调整喂料量的输入情况，回粉量的输出情况也有明显改善，这说明粉磨系统未能达到最优动态平衡。为了进一步提升粉磨效率，需要对预粉磨系统进行优先控制。通过调整喂料量的输入量，改变循环风机转速的状态，从而影响下一时刻回粉量的输出情况，经过一系列模型参数的调整，最终形成新的稳定状态，再次达到动态平衡。