水泥专家优化控制系统运行中存在的问题及改进建议

王恒兵 陆小松 王松华

（安徽海螺信息技术工程有限责任公司，安徽 芜湖 241000)

1 水泥专家优化控制系统介绍

水泥专家优化控制系统指代替操作员进行风、煤、料等的调节操作，设备的正常启动、停止、设备故障跳停等仍由操作员根据需要在DCS 中进行控制。水泥专家优化控制系统与DCS 系统通过OPC 协议进行双向数据交换，将DCS 系统相关的控制变量数据读入专家系统，通过模型计算得出操作变量数值，写入DCS 系统，DCS 系统将该操作变量数值给定到现场控制设备进行调节。

先进过程控制（APC,Advanced Process Control）：先进过程控制是对那些不同于常规单回路控制，比常规PID 控制效果更好的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。先进过程控制的任务是用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题[1]。

模型预测控制（MPC,Model Predictive Control）：模型预测控制是一类特殊的控制。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用，这是它与那些使用预先计算控制率的算法的最大不同。本质上模型预测控制求解一个开环最优控制问题。它的思想与具体的模型无关，但是实现则与模型有关。

操作变量（MV,Manipulated Variable）：操作变量是指在自动控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。

控制变量（CV,Controlled Variable）：受操作变量和干扰变量影响的过程输出。

干扰变量（DV,Disturbance Variable）：不能设置的过程输入，相当于关掉控制的操作变量。

时间常量（TC,Time Constant）：操作变量发生变化时，控制变量开始有响应至基本达到稳定状态的时间。

软仪表（VOA,Virtual Online Analyzers）：预测性软件过程工具，称为虚拟在线分析仪。

中控操作界面有切换按钮，操作员可根据实际情况选择由人工操作还是由专家自动操作系统操作，在系统出现报警时会自动退出专家自动操作系统，保持最后设定值，同时提示操作员进行人工干预。按照水泥生产“三磨一烧”的工艺系统划分，水泥专家优化控制系统相对应的建立了原料粉磨、原煤粉磨、水泥粉磨及熟料烧成四个控制系统，独立运行，配置灵活[2]。

2 水泥专家优化控制系统控制特点分析

水泥生产控制技术，历经了模糊控制、专家规则控制到如今的模型预测控制。

模型预测控制是上世纪70 年代左右提出的新型控制理论，预测控制的产生并非来源于理论发展的需要，而是从实践中发展起来的。很长一段时期以来，PID 几乎作为一种全能的控制器，应用于过程控制中，因其无需知道控制对象模型，参数较少且易调试的特点，应用非常广泛，当控制从回路发展到系统时，单回路的PID 控制很难保持全局良好的性能，对约束处理能力的提升，以及由回路调节发展到优化时，PID 则难以实现。这个时候模型预测控制得到大力发展，应用越来越广泛，成为最具代表性的一种算法，它具有多变量和滚动优化的特性，可以在实际应用过程中不断完善预测控制，使预测控制更加有效。该系统具有以下特点：

（1）模型精度要求不高，建模方便，过程描述可由简单实验获得；

（2）采用非最小化的模型，系统稳定性较好；

（3）采用滚动优化策略，而非全局一次优化，能及时弥补由于模型失配、畸变、干扰等因素引起的不确定性，动态性能较好；

（4）易将算法推广到有约束、大迟延、非最小相位、非线性等实际过程，尤为重要的是，它能有效地处理多变量、有约束的问题。

水泥工艺流程通常分为原料粉磨系统、熟料烧成系统和水泥粉磨系统三个部分，俗称“两磨一烧”，具有非线性、大滞后、强耦合等特点，一直以来都是专家优化控制的难点。目前，国内大多水泥生产企业对于水泥生产过程的控制仍以操作员手动操作控制为主。结合各种控制方式的特点，传统的PID 算法、单一的专家控制或模糊控制，难以对水泥生产过程进行较好地控制。而预测控制算法是一种非常适合复杂工业控制的优化控制算法，并已在多个领域取得成功应用[3]。

模型预测水泥专家优化控制系统可实现对水泥生产过程风、煤、料等关键参数的多变量自动操作控制，以自动导航的方式、高频小幅地逼近最优参数，实现烧成、原料磨、煤磨、水泥磨系统的专家级控制，达到节能环保、提产增效的效果，极大地降低操作员的劳动强度，减少人为因素的影响。

3 目前水泥专家优化控制系统运行存在的问题

水泥生产过程追求的是稳产、优产。但是原燃材料波动、架仓、断料、煤质波动以及固废浆渣、垃圾焚烧等协同处置都给系统稳定控制带来了扰动，同时主机设备、分析仪器、执行器死区、煤粉秤压力波动等也给系统调节带来了挑战。水泥专家优化控制系统从模糊逻辑控制，到专家系统控制再到模型预测优化控制，在探索中不断发展，但总体系统投运率不高，究其原因主要存在以下难点问题：

（1）控制软件设计与生产操作脱节。水泥专家优化控制系统是由专业软件公司进行开发、调试，一般都是标准产品，开发人员缺少现场操作工艺知识，对水泥生产工艺机理不熟悉，无法从生产操作角度解决问题。生产人员又不懂软件开发，需要双方深入地沟通交流。

（2）控制需求与生产管理指标的平衡矛盾。各公司的管理指标侧重点不同，有些公司要求生产线降煤耗，又要求增加余热发电量，这两者存在矛盾；有些公司对过程控制参数要求不一，系统控制时要求严格，操作员手动控制时又能接受更高的边界，这为专家优化控制系统的成功应用带来了难度。

（3）原燃材料质量波动大，协同处置扰动强。部分水泥公司石灰石为外购，质量控制难度大，原煤等材料来源广，品质波动大，源头上无法进行有效的质量管控。随着生产线协同处置固、危废等，给生产系统带来了较强的扰动，这些扰动又无法测量和控制，操作员手动操作也是凭经验进行尝试调整。

（4）关键测点仪器仪表工作不理想，设备响应存在死区。国内水泥熟料生产线普遍存在窑尾高温气体分析仪运行不理想的状况，阀门与执行器间存在死区，即执行器动作了而实际阀门没有动作，另一方面下料不畅也是制约系统稳定运行的主要因素。

（5）系统运维不及时，用户体验差。水泥工厂一般只是系统的使用者，运维工作大多进行外包。当原燃材料出现大的质量波动，或者因工艺设备技改导致的控制方式变化，原有控制模型难以适应，如果运维工作不能及时跟进，将会严重影响系统的投运，让用户体验变差，系统使用意愿降低。

上述系统运行过程中常遇到的问题，是制约水泥专家优化系统稳定运行的关键所在。其中工艺、设备是基础，在系统实施前，应充分梳理工艺、设备等方面存在的问题，进行相应的改造，提高系统的适用性。同时管理思路也需要同步转变。水泥专家优化控制系统是一套系统工程，需要各专业的协调配合才能高效推进，有效使用。

4 水泥专家优化控制系统运行问题的改进措施

针对系统运行存在的问题，我们尝试做了以下几方面改进，并取得了一定的成效[4]。

（1）软件开发应用。选择技术成熟、系统开放度高的软件平台进行深度合作，跟踪学习软件开发调试过程，掌握软件应用能力，自主开展系统推广实施，利用对水泥生产工艺机理熟悉、应用场景多的优势，结合不同类型算法的特点，不断对系统软件进行优化、迭代，解决软件设计与生产操作脱节以及运维不及时的问题。

（2）原燃材料管理。原燃材料品质波动，垃圾处理装置投运给生产控制带来较强的扰动，系统控制受其影响，效果欠佳，针对原燃材料波动，我们要求工厂加强物料、物流和品控管理，尽可能减少品种切换频次，保证物料稳定，做好原燃材料预均化、垃圾处理搭配，保证原燃材料品质稳定，进一步提高系统稳定性。

（3）异常工况处理。主机设备异常和工艺异常工况是影响系统稳定运行的主要因素，异常工况出现频次低，持续时间短，且大部分有规律可循，但个别异常工况，如喂煤秤压力波动、预热器塌料、断料等，存在较大的随机性和不可预知性，系统分析建模时我们针对具体异常工况建立特定算法模型，配合规则控制、逻辑判断进行异常工况检测、判断和处理，以提高系统适用性。

我们选取了2 个典型的应用场景，对煤磨出口温度和分解炉喂煤秤压力进行了分析。煤磨出口温度投运前平均波动幅度8.5℃，投运后平均波动幅度5.1℃，波动幅度下降40%，分解炉喂煤秤压力投运前平均波动幅度1.5kPa，投运后平均波动幅度0.5kPa，波动幅度下降60%以上，分解炉温度受喂煤秤压力影响波动幅度由21℃下降到15℃以内，波幅下降28%。通过多回路、多场景的应用，系统控制稳定性逐步提升，适应性进一步加强。

5 水泥专家优化控制系统运行管理的建议

（1）建立系统运维保障机制。把系统功能优化和参数调优作为一个常态性工作来抓，系统投运后需要根据原燃材料，设备运行状态、系统工况等条件的变化而进行不断优化调整。因此，系统运行维护是一项长期持续性的工作，需要坚持不懈地持续下去，才能最大程度地发挥系统的作用[5]。

（2）不断优化提升装备运行质量。加大对煤粉秤、喷煤管道、气体分析仪等关键设备的改造、优化和升级，改善系统运行环境，提升系统运行质量。

（3）加强进厂原燃材料管控。实行精细化管理，尽可能保证辅材品质稳定，颗粒符合研磨要求；保证原煤均化效果，稳定煤粉热值；保证物流通道通畅，减少断料发生频次。

6 结束语

水泥专家优化控制系统的应用可以从很大程度上减少由操作员水平和情绪对生产线稳定的影响，可以有效地对生产线的指标进行优化。水泥专家优化控制系统的控制方法也在不断地更新，现在所用的模型预测控制简单方便，易于操作，稳定性好，能有效地处理问题而被广泛推广应用。进一步降低操作人员的劳动强度，减少人为因素带来的影响。同时要对水泥专家优化控制系统运行的问题积极改进，从软件开发应用、原材料管理、异常工况处理等方面入手进行改进，不断优化。建立系统运维保障机制，不断优化提升装备运行质量，及时发现系统存在的问题并给予解决，才能发挥控制系统的最大作用，以此保证水泥的生产质量。