賈華平：多變量智能控制回路在水泥廠的應用

  2015年9月12日，天瑞集團水泥有限公司總工程師賈華平在參加第三屆中國水泥節(jié)能環(huán)保交流大會時作了題為《多變量只能控制回路在水泥廠的應用》的主題報告。他表示，中國水泥行業(yè)的年產(chǎn)量在世界一路領先，工藝技術與裝備質量方面也在不斷縮小與國外的差距，但我們的勞動生產(chǎn)率還有較大的差距。在兩化融合方面，我國水泥工業(yè)落后國外太多。

  賈華平從智能化與自動化的區(qū)別、自動化能力的局限性、自控調節(jié)回路的智能化、局部智能化在水泥廠的應用四個方面分析了中國水泥工業(yè)智能化之路。

  中國水泥行業(yè)，年產(chǎn)量從1996年的4.9億噸拿下世界第一后便一路領先，2014年突破了24億噸，規(guī)模不可謂不大；工藝技術方面，已經(jīng)對國內引進的生產(chǎn)線進行了大量改造，并且在國際上也得到認可；裝備質量方面，已經(jīng)在國外建設投產(chǎn)了多條生產(chǎn)線，包括世界單線規(guī)模最大的12000t/d生產(chǎn)線，與國外的差距也在縮小，但我們的勞動生產(chǎn)率還有較大的差距。

  據(jù)介紹，對于一個4000t/d熟料能力的水泥廠（相當于國內的5000t/d線），目前中國定員的先進水平是300人，泰國的最高水平已達到30人，而世界上的最好水平是每班只有3個人，其中中控室1人、現(xiàn)場巡檢2人。如此高的生產(chǎn)效率，除了可靠的裝備以外，必須依賴于高度的自動化和智能化。

  根據(jù)2009年的有關統(tǒng)計資料，熟料生產(chǎn)的熱耗，國際上最先進的技術指標已經(jīng)突破了650kcal/kg（2717kj/kg）；水泥生產(chǎn)的電耗，國際上最先進的指標已降到80kWh/t以下。

  如果考慮中低溫廢氣余熱發(fā)電，每生產(chǎn)1噸熟料還能回收35～45kWh的電能，使噸水泥生產(chǎn)的凈電耗降為40～60kWh/t。已經(jīng)開始顛覆水泥生產(chǎn)屬于工業(yè)耗電大戶的傳統(tǒng)觀念。

  據(jù)工信部“兩化融合管理體系”2015年貫標培訓資料，美國工業(yè)技術的發(fā)展，在上世紀五十年代中，工業(yè)企業(yè)白領人員的數(shù)量已經(jīng)超過了藍領，由此促進了企業(yè)管理信息系統(tǒng)的發(fā)展；到八十年代末九十年代初，其管理信息系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟，然后又融合了已經(jīng)發(fā)展起來的新技術，如電子郵件、互聯(lián)網(wǎng)等，由此拉大了與我們的距離。

  相比之下，我國水泥工業(yè)落后太多。

  為了深入貫徹黨的十八大關于兩化深度融合的戰(zhàn)略部署，落實好國家《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃》，工業(yè)和信息化部于2015年01月30日發(fā)布了《原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）》（以下簡稱《推進計劃》）。

  為了縮小我國水泥行業(yè)在智能化方面與國外的差距，《推進計劃》同時對水泥行業(yè)提出了明確要求：在水泥行業(yè)選取2～3家先進企業(yè)，建設基于自適應控制、模糊控制、專家控制等先進技術的智能水泥生產(chǎn)線；到2018年，水泥行業(yè)應用優(yōu)化控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線要達到50%，建成一批生產(chǎn)裝備智能、生產(chǎn)過程智能、生產(chǎn)經(jīng)營智能的智能化工廠。

  一、智能化與自動化的區(qū)別

  當今工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向，美國提出了工業(yè)互聯(lián)、德國提出了工業(yè)4.0、中國提出了兩化深度融合（指：信息化與工業(yè)化在更大的范圍、更細的行業(yè)、更廣的領域、更高的層次、更深的應用、更多的智能方面實現(xiàn)彼此交融）。

  無論提法有何不同，其本質是一樣的，自動化的范圍向上發(fā)展到智能化，向下擴展到生產(chǎn)的整個工藝過程。

  自動化（Automation）：指機器設備、系統(tǒng)或過程（生產(chǎn)、管理過程）在沒有人或較少人的直接參與下，按規(guī)定的程序或指令，自行的檢測狀態(tài)、處理信息、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預期的目標。包括設備、系統(tǒng)、過程，均處于自動化狀態(tài)。

  智能化（Intelligent）：指利用現(xiàn)代通信與信息技術、計算機網(wǎng)絡技術、智能控制技術、結合行業(yè)技術，匯集而成的針對某一個方面的應用，具有一定的人工智能或擬人智能的特性或功能。例如具有一定的自適應、自學習、自校正、自診斷、自修復、自組織、自協(xié)調等功能。

  所謂的“人類智慧”，是從感知（信息的檢測與傳遞）到記憶（信息的儲存）再到思維（對信息的邏輯化處理、對已有邏輯的因果類比），這一過程被稱為“智慧”；智慧的結果（因果類比的導向作用）產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”；將智慧和能力合在一起，就是“智能”。

  智能一般具有的特點：

  一是具有感知能力。即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，這是產(chǎn)生智能活動的前提條件和必要條件；

  二是具有記憶和思維能力。即能夠存儲感知到的外部信息、再通過思維將信息轉化為知識、累積為經(jīng)驗，同時能夠利用已有的知識和經(jīng)驗對信息進行分析、計算、比較、判斷、聯(lián)想、決策；

  三是具有學習和自適應能力。即通過與環(huán)境的交互作用，不斷學習積累知識、不斷的類比獲得經(jīng)驗，使自己能夠適應環(huán)境的變化；

  四是具有行為決策能力。即能對外界的信息作出反應，能在邏輯的驅動下形成意愿，然后通過語言和行為把意愿表達出來。

  就智能化的系統(tǒng)和裝置來說，它應該具有如下特征：

  一是能自動完成某些任務，或在程序指導下完成預定工作；

  二是具有進行某種復雜計算和修正誤差的數(shù)據(jù)處理能力；

  三是具有自檢測、自校正、自診斷、自修復、自適應、自學習、自優(yōu)化、自組織、自協(xié)調等某項“自”字功能；

  四是便于通過標準總線，組成多種裝置的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜的控制功能，并且能靈活地改變功能和擴張功能。

  我們對具有上述智能特征的系統(tǒng)，冠以智能系統(tǒng)；而對具有部分智能特征的系統(tǒng)，冠以智能化系統(tǒng)。簡單的說，智能化是自動化的高級發(fā)展，自動化是智能化的基礎部分；智能化是在自動化基礎上，通過引入“數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化”，實現(xiàn)了一些智慧和能力的高級發(fā)展。

  自動化相對要簡單的多，一般的自動化系統(tǒng)或裝置能夠根據(jù)既定指令進行操作調整，實現(xiàn)無人控制。自動化一般會出現(xiàn)對于不同情況作出相同反應的結果，就像所有的生物具有一定的遺傳本能一樣，多用于重復性的工作或工程中，其過程類比于數(shù)學的一元一次方程。

  智能化是自動化的高級發(fā)展，是在自動化基礎上又加入了類似于人類一樣的智慧程序。智能化具有一定的學習能力，能根據(jù)外界的信息豐富自己，自主產(chǎn)生新的指令。智能化一般能根據(jù)多種不同情況作出不同的反應，就像高等動物除了本能以外 還具有一定的自適應能力，其過程類比于數(shù)學的多元多次方程。

  智能化的工作過程包括：信息的檢測、采集、傳輸、處理與儲存；指令的形成、調整與發(fā)出；指令的執(zhí)行與結果的反饋。這些過程都離不開工業(yè)化、自動化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化這些基礎，所以說智能化是一個系統(tǒng)工程，每一個環(huán)節(jié)都非常重要。

  工業(yè)和信息化部的《推進計劃》，針對水泥工業(yè)生產(chǎn)流程化、產(chǎn)品大宗化、資源能源消耗高等特點，基本給出了一個智能水泥廠的概念。智能化的水泥廠不僅包括如下內容：

  （1）基于自適應控制、模糊控制、專家控制等先進技術，利用智能儀器儀表、工業(yè)機器人、計算機仿真、移動應用等信息系統(tǒng)與專用裝備，進一步突出實時控制、運行優(yōu)化和綜合集成，基本實現(xiàn)礦山開采、配料管控、窯爐燒成、水泥粉磨全系統(tǒng)全過程的智能優(yōu)化；

  （2）應用機器人等技術，在礦山爆破排險、窯爐運行維護、投料裝車作業(yè)、高溫高塵搶修等，危害、危險、重復作業(yè)的環(huán)節(jié)，基本實現(xiàn)無人值守或機器人替代人工作業(yè)；

  （3）建設信息物理融合系統(tǒng)（CPS），實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)運營的自動化、數(shù)字化、模型化、可視化、集成化，提高企業(yè)勞動生產(chǎn)率、安全運行能力、應急響應能力、風險防范能力和科學決策能力；

  （4）在生產(chǎn)管控和經(jīng)營決策中，通過大數(shù)據(jù)平臺建設，應用商業(yè)智能系統(tǒng)（BI）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM），建立對采購、生產(chǎn)、倉儲、銷售、運輸、質量、資源、能源和財務等全方位的智能管控平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品、市場和效益的動態(tài)監(jiān)控、預測預警，提升各環(huán)節(jié)的資源優(yōu)化配置能力和智能決策水平；

  （5）建立與供應商和用戶的上下游協(xié)作管理系統(tǒng)，按照供應商提前介入（EVI）、準時生產(chǎn)技術（JIT）等模式，統(tǒng)一企業(yè)資源計劃（ERP）等企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)間信息交換接口、標準和規(guī)范，通過信息共享和實時交互，實現(xiàn)物料協(xié)同、儲運協(xié)同、訂貨業(yè)務協(xié)同以及財務結算協(xié)同。

  根據(jù)這個《推進計劃》的具體要求，智能水泥廠涵蓋生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)經(jīng)營的全面智能化；但同時強調“到2018年，水泥行業(yè)應用優(yōu)化控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線要達到50%”?？梢娚a(chǎn)線的控制系統(tǒng)智能化是水泥智能工廠的基礎，沒有生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，所謂的“智能工廠”只能是一個“殘疾兒”。

  二、自動化能力的局限性

  看似簡單的水泥工藝，其過程中包含有大量的物理反應、化學反應以及物理化學反應，囊括了地質學、礦物學、巖相學、流體學、燃燒學、熱傳導、結晶學等專業(yè)學科，要使整個過程處于受控狀態(tài)，按照我們設計的P-T-t軌跡（礦物學術語）運行，不但需要維持物料的量和質的均衡穩(wěn)定，而且必須維持好各系統(tǒng)各工序各個特征參數(shù)的穩(wěn)定。

  對于大工業(yè)生產(chǎn)，各種原燃材料以及各工序的工況，其波動是難以避免的，各項生產(chǎn)控制參數(shù)的穩(wěn)定、以及過程產(chǎn)品和成品性能指標的穩(wěn)定，都需要通過及時地操作調整才能得以實現(xiàn)。對于如此艱巨的任務，自動化已經(jīng)顯得力不從心。

  1、仍在手動調節(jié)的自動化控制系統(tǒng)

  水泥生產(chǎn)中的控制操作，可以是人工手動的，也可以是儀表自控的，但最好是智能程控的。因為變化無時不在，調節(jié)無時不需，而人的精力和經(jīng)驗是有限的。所以，從預分解窯生產(chǎn)工藝誕生的第一天起，人們就在謀求生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化，在整個水泥的生產(chǎn)控制中，從原料開采直到水泥出廠，引入了幾十個儀表自控調節(jié)回路。

  這些自控調節(jié)回路主要采用PID（比例--積分--微分）調節(jié)器完成。將儀器儀表對特征參數(shù)的測量值與設定值進行比較，當出現(xiàn)偏差時，調節(jié)器利用比例、積分、微分作用生成調節(jié)值，對執(zhí)行機構進行修正動作，以不斷的消除偏差，使測量值與設定值保持在較高的一致上。

  輸出的變化量與偏差成比例，稱之為比例作用；當有偏差輸入時，輸出隨時間不斷地上升或下降之動作，稱之為積分作用；輸出與偏差的變化速度成比例之動作，稱之為微分作用。在實際應用中，PID三種作用相互協(xié)調，使調節(jié)過程處于最佳工作狀態(tài)。

  遺憾的是，大家在這方面費了不少勁，花了不少錢，但直到今天，仍然很不理想。雖然花錢裝備了自控調節(jié)回路，但多數(shù)仍然以手動調節(jié)為主。

  2、單變量儀表自控調節(jié)模型的局限性

  我國水泥工業(yè)在近十來年的產(chǎn)業(yè)升級過程中，幾乎全部水泥企業(yè)都采用了新型干法生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了中央控制室的DCS集散系統(tǒng)操控、生產(chǎn)線全程流水生產(chǎn)作業(yè)，相比于其他很多行業(yè)的工業(yè)，自動化水平應在工業(yè)領域居于前列。

  但是應該看到，雖然我們花錢裝備了幾十個自動調節(jié)回路，努力提高我們的自動化水平，但實際生產(chǎn)中我們仍多以手動人工調節(jié)為主。我們可以看看，在國內的上千條生產(chǎn)線上、每條線的幾十個控制回路中，又有幾個是好用的呢？

  為了找出目前的自動化控制系統(tǒng)仍不能有效運行的問題所在，我們不妨就以大家認為非常重要的“預熱器C5旋風筒出口溫度自控調節(jié)回路”展開一下討論。

  現(xiàn)有的自控調節(jié)回路認為，出C5旋風筒的氣體是窯尾廢氣和分解爐廢氣混合后的熱氣流。其溫度的高低，一則反應著C5旋風筒入窯物料的分解率，二則也反應著出分解爐內的燃燒狀況，是一個非常重要的特征參數(shù)。

  隨著窯尾氣體的變化及物料量的波動，出C5旋風筒氣體的溫度勢必會波動。通過調整分解爐的喂煤量，調整分解爐的廢氣溫度，便可保持其相對穩(wěn)定，繼而減少入窯物料分解率的波動，為窯的熱工制度的穩(wěn)定創(chuàng)造良好條件。

  其建立的調整數(shù)學模型為：

  “分解爐的喂煤量”＝＞“C5旋風筒出口氣體溫度”。（注：A=>B為邏輯學符號，表示命題A與B的蘊涵關系，后同）

  實踐證明，這個回路在燒成系統(tǒng)正常時有一定的作用，但在燒成系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動時，幾乎是沒有作用，甚至起副作用。問題出在哪兒了呢？仔細分析便會發(fā)現(xiàn)，這個調節(jié)模型建立得過于簡單。

  影響“C5旋風筒出口氣體溫度”的因素，并不只是一個“分解爐的喂煤量”，還有諸如系統(tǒng)的喂料量、物料的易燒性、系統(tǒng)的通風量、分解爐的燃燒情況、煤質的變化、窯內的喂煤量、窯內的燃燒情況、窯的轉速、篦冷機的冷卻情況，甚至系統(tǒng)的漏風、環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)散熱的影響等因素有關。如果無法確立“分解爐的喂煤量”與“C5旋風筒出口氣體溫度”相對應的數(shù)學模型，也就不可能有正確的調節(jié)。

  三、自控調節(jié)回路的智能化

  我們之所以在“智能”后面加了一個“化”字，這個“化”是一個動詞，就是變化，表示向“智能”的趨近，并不一定要求全部實現(xiàn)前面表述的所有“智能”特征。事實上，由于“自動化”遠遠不能滿足提高水泥生產(chǎn)效率的需要，我們已不自主的對一些“自動化”考慮了一些“智能”措施，而且取得了一定的效果。

  比如，我們考慮到依賴自動化的預均化堆場和生料均化庫在物料均化上的局限性，引入了“先檢驗后配用”的終極思路，采用每種物料配置一臺在線分析儀的措施，并將其集合成一個智能的配料系統(tǒng)，這就是穩(wěn)定物料質量的智能化。

  或許有人會說這套系統(tǒng)的投資比熒光儀配料大得太多了，但是，它比預均化堆場和生料均化庫便宜得太多了，這就是智能化的優(yōu)勢。

  就某一個具體調節(jié)回路來講，我們仍然以“預熱器C5旋風筒出口溫度自控調節(jié)回路”為例展開討論。

  我們可以建立一個新的調整模型：

  分解爐的喂煤量＝＞∑

  （C5旋風筒出口氣體溫度，系統(tǒng)生料喂料量，生料KH、SM、細度，窯灰喂入量，C1出口的溫度、壓力、O2、CO，分解爐出口的溫度、壓力、O2、CO，煤粉的熱值、揮發(fā)份、細度、水分，后窯口的溫度、壓力、O2、CO，三次風溫度、閘板開度……）

  總之，只要你能想到的因素，就只管往蘊含變量里加，然后進行相關性統(tǒng)計分析。根據(jù)不同的相關系數(shù)，給予各蘊含變量不同的調節(jié)權重，各蘊含變量對于喂煤調節(jié)量的代數(shù)和，便是分解爐喂煤量的調節(jié)量。

  相關性分析并不復雜，但如此大量而且頻繁的統(tǒng)計工作也太麻煩了點兒，這也沒關系，把它交給計算機，用計算機程序來做相關性分析是小菜一碟。計算機來做相關性分析是非常簡單有效的，不僅可以從初始的統(tǒng)計分析開始，設定初始的調節(jié)權重，而且能每時、每天、每月、每年的一直做下去。

  為了適應各種因素的新情況、新變化，設定按照“先入先出的原則”滾動記錄最近10天的數(shù)據(jù)、并進行相關性分析（可根據(jù)實際情況的異變速度和頻次，確定和調整滾動天數(shù)）。根據(jù)最新的分析結果，及時地調整調節(jié)權重的分配，使其在不斷地循環(huán)調整中趨于合理化，自動調節(jié)回路的效果就會越來越好（已經(jīng)是智能調節(jié)回路了）。

  粗略總結一下， 將目前的“單變量、設定參數(shù)、線性調節(jié)”的PID自控調節(jié)回路，改為“多變量、相關性滾動優(yōu)化參數(shù)、非線性權重組合調節(jié)”的計算機程序自控調節(jié)回路。在整個生產(chǎn)系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定的情況下，用相關性分析模擬人類的經(jīng)驗過程和經(jīng)驗積累，這已經(jīng)具備了前面所述智能化的特性，不妨就叫做“多變量智能調節(jié)回路”。

  推而廣之，在水泥生產(chǎn)過程中，還有很多環(huán)節(jié)上可以按照這一思路實現(xiàn)智能化。

  比如：生料磨系統(tǒng)產(chǎn)量的智能控制、煤磨系統(tǒng)產(chǎn)量的智能控制、燒成系統(tǒng)喂料量的智能控制、窯頭喂煤量的智能控制、窯尾高溫風機轉速的智能控制、冷卻機篦速的智能控制、水泥磨系統(tǒng)的智能控制、水泥包裝機的智能控制、循環(huán)水水泵的智能控制、壓縮空氣設備運行的智能控制等。

  四、局部智能化在水泥廠的應用

  對于上述的“多變量智能調節(jié)回路”，事實上并不是空想，目前國內已有幾家自動化公司在做這個事情。雖然幾家公司的方案不盡相同，但都取得了一定的效果。

  例如，河南某公司的5000t/d線尾煤系統(tǒng)，在采用“多變量智能調節(jié)回路”控制后，一致認為智能控制與手動控制相比：

  （1）預熱器系統(tǒng)，快速建立和維持動態(tài)平衡的能力提高，系統(tǒng)工況穩(wěn)定；

  （2）能依據(jù)原燃材料的特性變化，協(xié)調系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的運行工作點，實施整體優(yōu)化運行；

  （3）大大降低了操作員的勞動強度，操作員得以將更多的時間和精力用于關注系統(tǒng)整體運行品質和排查事故隱患。