ABB專家優(yōu)化系統(tǒng)在某水泥廠的應(yīng)用

  1 ABB專家系統(tǒng)介紹

  專家優(yōu)化系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的控制、穩(wěn)定及優(yōu)化。它使得優(yōu)秀操作員的操作方法在任何時(shí)候都可以精確、省力、持續(xù)的運(yùn)用。這種知識(shí)系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化的程序規(guī)范確保了高度可行及長(zhǎng)期維護(hù)的便利。專家優(yōu)化的核心概念是最小化操作人員的操作代之以自動(dòng)導(dǎo)航方式來完成過程操作。

  一個(gè)安裝了專家優(yōu)化系統(tǒng)的用戶將會(huì)直接受益，系統(tǒng)的性能從“普通操作員級(jí)”上升為“優(yōu)秀操作員級(jí)”。這意味著優(yōu)秀操作員每天，每時(shí)每刻都在進(jìn)行最佳狀態(tài)的操作。由于增加了專家優(yōu)化應(yīng)用工程師提供的過程專家系統(tǒng)技術(shù)，加上客戶專家與這些工程師的交流，可以預(yù)見在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)過程收益會(huì)大大增加，通常在不到一年的時(shí)間里，您為專家優(yōu)化系統(tǒng)的投入就可以得到回報(bào)。

  2 控制方式思路（以分解爐部分為例）

  分解爐的喂煤和溫度控制一向都是水泥生產(chǎn)線控制中的難點(diǎn)，分解過程與熟料生產(chǎn)的其它子過程相比，有一個(gè)相對(duì)快速的時(shí)間特性。由于回轉(zhuǎn)窯相關(guān)尺寸的限制(長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑比)，為了達(dá)到必需的熟料生產(chǎn)質(zhì)量(游離石灰含量)，要求熱物料在回轉(zhuǎn)窯入口必須在很大程度上是己經(jīng)分解的(表現(xiàn)分解率>96%)，如果分解爐的控制不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成很大影響，如果熱量輸入太高，使分解爐內(nèi)出現(xiàn)溫度峰值點(diǎn)，則會(huì)導(dǎo)致分解爐結(jié)皮的形成和/或旋風(fēng)筒堵塞的危險(xiǎn)，如果熱量輸入降低，如：由于加料速度的波動(dòng)或者由于燃料熱值或者喂煤的波動(dòng)引起的熱量輸入降低，則會(huì)導(dǎo)致分解爐變冷，不完全分解的物料喂入回轉(zhuǎn)窯后不能完全鍛燒形成質(zhì)量參數(shù)合格的熟料(如:游離石灰(f-CaO)含量<1.5%)，其產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，造成產(chǎn)品質(zhì)量事故。以往在傳統(tǒng)的水泥廠DCS系統(tǒng)中，也曾經(jīng)嘗試做過使用傳統(tǒng)的PID回路對(duì)分解爐溫度進(jìn)行控制，但由于分解爐溫度受影響的因素過多，下料的速度，系統(tǒng)拉風(fēng)的風(fēng)量，內(nèi)部結(jié)皮的厚度等等都會(huì)影響溫度的變化，同時(shí)此控制的滯后時(shí)間也較長(zhǎng)，從轉(zhuǎn)子秤至分解爐燃燒器通過氣力輸送也需要1分鐘左右的時(shí)間，更增加了控制上的難度，因此在DCS系統(tǒng)中對(duì)分解爐溫度做控制回路，效果往往非常不理想。

  針對(duì)分解爐溫度控制的較大難度，在優(yōu)化系統(tǒng)中使用了先進(jìn)的MPC(模型預(yù)估控制)技術(shù)對(duì)分解爐的溫度和喂煤進(jìn)行控制，由于MPC（模型預(yù)估技術(shù)）本身具有非常多的先進(jìn)特性，如多變量控制，預(yù)測(cè)控制等，非常適合于應(yīng)用在分解爐溫度控制上。

  2.1 MPC（模型預(yù)估控制）控制介紹

  模型預(yù)估控制是現(xiàn)代控制工程師最重要的武器之一。它以"滾動(dòng)優(yōu)化"為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在[t，t+p]的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算一個(gè)擴(kuò)展到將來的最佳操作順序，其中，t是現(xiàn)在的測(cè)量值，p表示與應(yīng)用相關(guān)的時(shí)間水平(圖3)。操作變量序列中的第一要素被傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)作為新的執(zhí)行器設(shè)定值。如果有新的測(cè)量值則重復(fù)算法，并計(jì)算出一個(gè)新的順序。

  圖3 模型預(yù)估控制概念示意圖

  2.2 MPC（模型預(yù)估控制）在分解爐控制控制上的原理

  具體到分解爐的控制模型上來說，其主要的目的就是要保證一個(gè)平衡，即熱平衡，保證分解爐所需要的熱能與實(shí)際提供的熱能相匹配。如下公式所示：

  具體到熱平衡模型則如下圖所示：

  圖4 分解爐熱平衡示意圖

  2.3 分解爐調(diào)試中的問題分析

  在測(cè)試運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度曲線與煤粉設(shè)定值曲線偏離較大，往往喂煤設(shè)定值已經(jīng)增加了很多，但是溫度卻一直在下降，又或者是溫度高的時(shí)候已經(jīng)減少了相當(dāng)?shù)拿悍墼O(shè)定，但是溫度依然居高不下，后來經(jīng)過反復(fù)的查驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題存在于煤粉秤，其工作狀態(tài)十分不穩(wěn)定，負(fù)荷傳感器與環(huán)境密封不夠嚴(yán)密，因此轉(zhuǎn)子秤的壓力波動(dòng)導(dǎo)致負(fù)荷頻繁變化，從而導(dǎo)致下料不準(zhǔn)確，目前的喂煤反饋流量是由菲斯特秤的負(fù)荷率以及轉(zhuǎn)速計(jì)算得來的，因此如果負(fù)荷率變化的話，喂料秤將會(huì)調(diào)整轉(zhuǎn)速以輸送“穩(wěn)定”流量的煤粉。但是如果負(fù)荷率是由于其它因素影響而變化的話，那么從下料倉(cāng)下的料的流量的計(jì)算也會(huì)是錯(cuò)誤的， 這樣流量的波動(dòng)也可以從輸送管道的壓力波動(dòng)看出：

  圖5 分解爐喂煤秤壓力和溫度曲線

  在上方的趨勢(shì)圖中可以看出，比色高溫計(jì)（綠色）跟隨喂煤秤輸送壓力曲線（淡藍(lán)色），但是喂煤秤輸送壓力曲線僅僅是大體上跟隨煤設(shè)定值的曲線（紫色）。

  在找出影響分解爐控制的問題所在之后，由于短時(shí)間內(nèi)不可能要求業(yè)主更換或者對(duì)煤粉秤進(jìn)行大修，因此如何通過修改或優(yōu)化控制策略將煤粉秤對(duì)控制的不利影響降到最低就成了我們調(diào)試工作的重點(diǎn)，并做了以下幾種嘗試：

  將煤粉秤負(fù)荷率和轉(zhuǎn)速信號(hào)接入優(yōu)化系統(tǒng)，建立歷史記錄，用于分析二者與設(shè)定值和溫度的關(guān)系

  和客戶自動(dòng)化工程師商討，在DCS中為喂煤秤添加喂煤秤輔助下料助流功能。

  加快MPC的執(zhí)行周期，以對(duì)煤粉秤的波動(dòng)做出更加快速的響應(yīng)

  在EO系統(tǒng)中同時(shí)將煤粉秤的流量波動(dòng)和壓力波動(dòng)加入到MPC控制方程的元素中，通過堆棧存儲(chǔ)相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，尋找其中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以求在考慮壓力和流量波動(dòng)的情況下達(dá)到能量守恒的目的，具體邏輯如下所示：

  1)通過堆棧存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，找尋壓力波動(dòng)和流量波動(dòng)的關(guān)系，計(jì)算煤設(shè)定值偏移量

  2)在MPC方程數(shù)據(jù)源的燃料部分，將燃煤波動(dòng)和壓力波動(dòng)加入，以求MPC方程在考慮該不穩(wěn)定因素的情況下能夠達(dá)到平衡，以穩(wěn)定控制效果：

  圖5 分解爐MPC方程中添加喂煤秤和壓力波動(dòng)參數(shù)

  通過修改邏輯，使用輸送風(fēng)機(jī)的壓力來判斷實(shí)際的喂煤秤流量，評(píng)估出的煤粉流量在MPC模型中用作參考量，來指示實(shí)際噴入分解爐的煤粉流量，這樣做帶來的好處是如果煤粉秤系統(tǒng)突然出現(xiàn)一個(gè)壓力的變化，那么優(yōu)化系統(tǒng)即可預(yù)測(cè)溫度將會(huì)上升或下降，從而調(diào)整喂煤設(shè)定值來補(bǔ)償壓力擾動(dòng)所帶來的影響。 經(jīng)過測(cè)試，這些邏輯起到了一定程度上穩(wěn)定分解爐工況的效果。