[摘 要]本文介紹了先進(jìn)的DCS系統(tǒng)在濕磨干燒水泥生產(chǎn)線中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控的軟硬件總體方案,并提出了一種具有自學(xué)習(xí)、前饋功能的智能控制算法在DCS系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)。
[關(guān)鍵詞]DCS;濕磨干燒;水泥回轉(zhuǎn)窯;多值邏輯;分解爐
1 引言
目前,我國水泥工業(yè)多數(shù)工廠采用傳統(tǒng)濕法水泥生產(chǎn)線,設(shè)備落后,生產(chǎn)效率不高,自動化程度低,能耗大,環(huán)保問題嚴(yán)重;全干法水泥生產(chǎn)線,一次性投資過大,難以符合我國國情。濕磨干燒水泥生產(chǎn)線吸取濕法、干法二者的優(yōu)點(diǎn),在傳統(tǒng)的水泥行業(yè)改造方面有很好的發(fā)展前景。
我們采用Honeywell C200型DCSPlantScape系統(tǒng)研制開發(fā)了浙江某水泥廠濕磨干燒水泥生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上利用底層具有運(yùn)算功能的控制器,實(shí)現(xiàn)了具有自學(xué)習(xí)、前饋功能的智能控制算法,并成功用于實(shí)際生產(chǎn)過程中,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
2 濕磨干燒生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)
2.1 DCSPlantScape系統(tǒng)簡介
PlactScape C200型DCS系統(tǒng)是美國Honeywell公司新推出的一套功能完備、技術(shù)先進(jìn)DCS系統(tǒng)。它的軟件開發(fā)系統(tǒng)由Display Build、Control Build和Quick Build構(gòu)成。Display Build用于開發(fā)操作站控制界面;Control Build用于編制設(shè)備控制程序,下載到底層控制器對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制;Quick Build用于系統(tǒng)管理組態(tài)。
由于系統(tǒng)提供了較為豐富的圖庫,用DisplayBuild開發(fā)的用戶界面簡潔、實(shí)用美觀、立體感強(qiáng),并支持動態(tài)圖象功能。與傳統(tǒng)的梯形圖相比,ControlBuild采用最先進(jìn)的功能邏輯圖形式,組態(tài)功能強(qiáng)大,操作與調(diào)試簡便。該系統(tǒng)可靠性高,軟件具有很強(qiáng)的自診斷、冗余、校驗(yàn)、互鎖、糾錯等功能,通訊設(shè)備檢錯、容錯能力強(qiáng);擴(kuò)展性好,標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議和ACCESS數(shù)據(jù)庫利于系統(tǒng)高層互連;開放的網(wǎng)絡(luò)Client/Server結(jié)構(gòu),支持系統(tǒng)遠(yuǎn)程工程、冗余服務(wù)器,網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE),強(qiáng)大的報表功能和通用的數(shù)據(jù)格式,有利于辦公自動化的實(shí)現(xiàn);開放略。
2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成與冗余
整個控制系統(tǒng)分為中央控制室和窯頭、窯尾兩個現(xiàn)場控制站。如圖2—1所示。
其中窯頭現(xiàn)場控制站用于控制窯頭設(shè)備,包括窯頭電收塵、蓖冷機(jī)、噴煤裝置、一次風(fēng)機(jī)等;窯尾控制站用于控制窯尾設(shè)備,包括料漿過濾、烘干破碎機(jī)、回轉(zhuǎn)窯主傳、輔傳電機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯尾電收塵、烘干破噴水降溫系統(tǒng)等。整個控制系統(tǒng)的規(guī)模為714點(diǎn)。
2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在Windows NT4.0平臺上,根據(jù)工藝、設(shè)備的控制要求,我們利用控制組態(tài)軟件Control Builder開發(fā)了窯頭,窯尾各設(shè)備的CM(Control Module)和SCM(Sequence Control Module)控制模塊,包括單機(jī)啟停、設(shè)備組連鎖啟停、設(shè)備互鎖、閉環(huán)回路控制、重要AI/AO參數(shù)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等。利用Dis-play Builder開發(fā)了一系列操作站界面,包括系統(tǒng)總圖、窯頭工藝流程圖、窯尾工藝流程圖、燒成窯中、料漿過濾、喂煤系統(tǒng)、窯頭窯尾電收塵、輔助翻窯、回路控制等。每幅頁面除含有必需的信息之外,還設(shè)有快捷按鈕,以便實(shí)現(xiàn)頁面之間的快速切換。
另外,基于PlantScape提供的基本功能,我們還開發(fā)了報表打印、歷史曲線顯示、交接班日記、緊急事件報警、對設(shè)備操作或其它操作觸發(fā)的事件記錄等功能。
3 先進(jìn)控制策略的軟件實(shí)現(xiàn)
整條生產(chǎn)線有窯頭罩負(fù)壓、窯頭噴水、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、蓖冷機(jī)沖程、分解爐溫度等控制回路。通過現(xiàn)場調(diào)試,我們發(fā)現(xiàn)除分解爐溫度外,其它控制回路利用系統(tǒng)提供的常規(guī)PID模塊即可滿足工藝要求。分解爐是一個具有時變、滯后,且嚴(yán)重非線性特點(diǎn)的控制對象,溫度要求控制在870±30℃內(nèi),溫度過高,分解爐出口易出現(xiàn)燒結(jié)堵塞現(xiàn)象;溫度過低,生料分解不充分,影響水泥質(zhì)量。采用PID的控制效果很不理想,控制誤差有870±50℃,而且經(jīng)常出現(xiàn)失控現(xiàn)象。實(shí)際上,分解爐的溫度受諸多因素的影響,其中生料流量、煤粉流量和風(fēng)量影響最為顯著。在產(chǎn)量一定時,風(fēng)量一般變化不大,但由于在濕磨干燒水泥生產(chǎn)工藝中,生料是以料餅的形式非連續(xù)的進(jìn)入烘干破碎機(jī),從而造成生料流量的波動,成為分解爐溫度失控的主要因素。
針對分解爐受控對象的特點(diǎn),我們采用了多控制器集成的智能控制策略:在分解爐設(shè)定值附近用自學(xué)習(xí)PID控制器;若因大的擾動使溫度偏離設(shè)定值較大,用多值邏輯控制器;由于分解爐爐中溫度能夠反映分解爐出口溫度變化的趨勢,因此取分解爐爐中溫度為前饋控制變量,具體實(shí)現(xiàn)算法如下:
3.1 自學(xué)習(xí)PID控制器
取誤差e(k)=Tsp(k)-T1(k);誤差變化量Δe(k)=e(k)-e(k-1);二次誤差變化量Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)。其中Tsp(k)為分解爐出口溫度設(shè)定值,T1(k)為分解爐出口溫度測量值。有:
w1、w2、w3為歸一化權(quán)值。利用Hebb-Delta學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行權(quán)值修正,
由于PID控制器主要用于進(jìn)入平穩(wěn)態(tài)后的階段,取Δu1(k)=α·u1(k),α為調(diào)節(jié)速率。
3.2 多值邏輯控制器
將誤差e(k)量化為MVLe,多值邏輯控制器的增量算式為:
3.3 前饋控制器
因爐中溫度測點(diǎn)靠近生料入口和煤粉入口,其圖3—1 F(t1,t2)和F1(t1)的時序圖
圖4—1 分解爐出口溫度實(shí)際控制曲線 圖3—2 分解爐溫度控制圖
溫度變化明顯超前于出口溫度變化,超前時間在1~2min范圍內(nèi)變化。因此,取分解爐爐中溫度的變化量對出口溫度進(jìn)行前饋控制。
其中,K3為前饋比例系數(shù),ΔT(k)為分解爐爐中溫度變化率。
3.4 集成綜合控制器
綜合控制器增量輸出公式為:
其中F(t1,t2)為大誤差標(biāo)志位,F(xiàn)1(t1)為脈沖標(biāo)志位,F(xiàn)(t1,t2)、F1(t1)時序如圖3—1所示。
當(dāng)|e(k)|>3%并持續(xù)時間t>t1后,F(xiàn)(t1,t2)置位為1;t>t2后,F(xiàn)(t1,t2)復(fù)位為0。取F(t1,t2)的上升沿作為標(biāo)志F1(t1)=δ(t1)。在F(t1,t2)為0時,自學(xué)習(xí)PID控制器起作用。Δu1(k)累加到綜合控制器輸出;在F(t1,t2)為1時,自學(xué)習(xí)PID控制器不起作用,Δu1(k)=0。F1(t1)為脈沖,每個脈沖Δu2(k)累加到綜合控制器輸出一次。噴煤計量裝置和分解爐一起作為綜合控制器的控制對象。因前饋控制對分解爐爐中溫度變化具有抑制作用,故Δu3(k)無論F(t1,t2)和F1(t1)的狀態(tài)如何,都累加到綜合控制器輸出。綜合控制器框圖見圖3—2,其中噴煤計量裝置為成套設(shè)備,其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一階慣性環(huán)節(jié),帶有常規(guī)PID控制器。用Control Build編程實(shí)現(xiàn)上述算法,利用CM模塊形成采樣周期和大誤差標(biāo)志等,利用SCM模塊進(jìn)行算法運(yùn)算。
4 應(yīng)用效果與結(jié)論
在某水泥廠分解爐出口溫度控制回路中的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,采用常規(guī)PID控制,溫度波動±50℃;采用本文方案,溫度波動不超過±30℃。如圖4—1所示,設(shè)定值Tsp=870℃,T1為分解爐出口溫度實(shí)測值,T2為爐中溫度,u為控制量。與利用API函數(shù)編制用戶算法在主服務(wù)器上運(yùn)行相比,該方案克服了采樣和控制周期受計算機(jī)負(fù)荷影響而變化的缺陷,而且不受通訊影響,工作穩(wěn)定可靠,安全性好。綜合控制器手動/自動切換時無擾動。
由于我們開發(fā)的濕磨干燒水泥生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠,各回路控制精度很好的滿足生產(chǎn)工藝的要求,尤其是我們利用系統(tǒng)控制組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了高級的控制策略,解決了生產(chǎn)實(shí)際問題。