發(fā)布時(shí)間：2016-11-26 07:30

第一章   緒論 

1.1 水泥熟料燒成控制系統(tǒng)優(yōu)化研究的意義
水泥作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的重要材料，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的騰飛有著十分重要的意義，對實(shí)現(xiàn)“十三五規(guī)劃”有著重要的戰(zhàn)略意義。經(jīng)過建國后尤其是改革開放后我國水泥生產(chǎn)裝備、技術(shù)、工藝、規(guī)模有了巨大的發(fā)展[1]，目前全國水泥年產(chǎn)能、產(chǎn)量已經(jīng)世界第一。但是整個(gè)熟料水泥行業(yè)及整個(gè)建材行業(yè)的整體發(fā)展水平和歐美發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。尤其是精細(xì)化控制、資源綜合利用、環(huán)保投入等，還有許多方面需要我們加緊步伐去提升。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的水泥產(chǎn)業(yè)仍存在很多問題，生產(chǎn)管理粗放，資源、能源消耗高，污染嚴(yán)重，生態(tài)和環(huán)境壓力越來越大，生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量多，產(chǎn)業(yè)集中度低等。 水泥是我國基礎(chǔ)建設(shè)的重要產(chǎn)品，在我國“十三五”經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中有著重要的意義，是保證我國規(guī)劃的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)順利實(shí)施和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有十分重要的意義。同時(shí)，水泥能源消耗大戶，其能源消耗大約占到我國所有能源消耗 4.9%，水泥單位能耗高，其他資源消耗量巨大，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國水泥單位消耗資源要比歐美國家高出約一倍。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)劃要求，到 2020 年，新型干法水泥生產(chǎn)線比重將達(dá)到 70%以上。日產(chǎn) 4000t 以上規(guī)模生產(chǎn)線，綜合電耗標(biāo)準(zhǔn)為小于 90k Wh，熱耗小于 640kcal/kg。到 2020 年，數(shù)量由目前 4000 家企業(yè)減少到 1500 家，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就需要對水泥生產(chǎn)的全過程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制管理，才能逐步減少能源資源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展。因此，生產(chǎn)線規(guī)模的大型化、集中化，裝備控制的精細(xì)化是國家水泥工業(yè)發(fā)展的必然需要；以先進(jìn)控制技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的水泥工藝降低消耗是實(shí)現(xiàn)水泥產(chǎn)業(yè)的綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題[2]。
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1.2 水泥熟料燒成控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r
隨著我國水泥產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)能規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，市場的激烈競爭，成本壓力的不斷增加，水泥對自動化控制系統(tǒng)的需有也逐步加大。同時(shí)，在整個(gè)水泥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中熟料水泥生產(chǎn)線設(shè)備水泥的不斷提升和發(fā)展也為熟料水泥生產(chǎn)線的先進(jìn)自控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了良好的條件[5]。 經(jīng)過技術(shù)的革新和進(jìn)步，中控系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在整個(gè)行業(yè)，早期控制系統(tǒng)僅用于控制熟料線生產(chǎn)過程的主要過程，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展，DCS 系統(tǒng)在整個(gè)熟料水泥的全過程生產(chǎn)已經(jīng)覆蓋到各方面，為熟料水泥臺時(shí)產(chǎn)量提高、質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率提高做出巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也降低了一線工人的勞動強(qiáng)度，還使水泥生產(chǎn)企業(yè)定編的人員數(shù)量大量減少，降低了企業(yè)的上產(chǎn)成本。正是由于這些因素，DCS 系統(tǒng)在熟料水泥生產(chǎn)線中的工藝控制和生產(chǎn)管理中得到了廣泛的推廣。在上個(gè)世紀(jì)，早期的熟料水泥生產(chǎn)的自動化,只是在各個(gè)工藝環(huán)節(jié)獨(dú)立運(yùn)行，且只進(jìn)行簡單的過程控制，整個(gè)生產(chǎn)線的環(huán)節(jié)基本是相對獨(dú)立的，僅僅是一次儀表，二次儀表以及配套的各種機(jī)械、電氣裝置組成，各車間設(shè)立自己獨(dú)立中控及配電室，對所轄范圍內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制和聯(lián)鎖保護(hù)。各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)立獨(dú)立的操作程序。 20 世紀(jì) 80 年代初，我國分別從歐洲、日本等工業(yè)化國家引進(jìn)了水泥生產(chǎn)線，設(shè)立具備全過程管控功能的中央控制室，能夠操作和監(jiān)督所有的工藝、儀表、設(shè)備。隨后，由我國自主開發(fā)的水泥生產(chǎn)線也采用了這種方式，從而促進(jìn)了自動化水平的提升。 隨后由于生產(chǎn)工藝的成熟，單獨(dú)控制、集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理的控制思路在水泥生產(chǎn)企業(yè)中逐漸達(dá)了共識。集散型控制系統(tǒng)由于熟料水泥生產(chǎn)過程較長，各個(gè)控制設(shè)備分散，需要將它們通過數(shù)據(jù)傳輸與工業(yè)計(jì)算機(jī)操作站相連接，統(tǒng)一控制與監(jiān)視。 90 年代中后期，隨著市場的激烈競爭，成本壓力和質(zhì)量要求對水泥生產(chǎn)企業(yè)自動化控制、管理提出了新的要求，與此同時(shí) DCS 控制系統(tǒng)的價(jià)格在下降，各種小型 PLC控制裝置的實(shí)踐應(yīng)用成功和工業(yè) PC 價(jià)格大幅度降低，及處理能力成倍地提高，都對生產(chǎn)自動化提出了新的要求和發(fā)展機(jī)遇。 
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第二章   水泥熟料燒成系統(tǒng)工藝簡介 

水泥是社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的必備原材料之一,也是國家能源消耗和控制產(chǎn)能的重點(diǎn)產(chǎn)品，自誕生以來，水泥生產(chǎn)的工藝、設(shè)備技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和裝備水平的革新已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，機(jī)械化、自動化程度有了很大的提升。 我國是目前水泥產(chǎn)能最大的國家，產(chǎn)能 53 億噸，產(chǎn)能占全球的百分之三十五以上。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和進(jìn)步,目前最先進(jìn)和成熟的新型干法水泥生產(chǎn)工藝已經(jīng)漸漸成熟，但是由于各地方政府的環(huán)保政策落實(shí)不到位、同時(shí)水泥淘汰落后產(chǎn)能力度也不夠，新時(shí)期也存在較大的競爭和生產(chǎn)壓力。

2.1 水泥生產(chǎn)線工藝簡介 

總的概括來說，新型干法水泥生產(chǎn)就是通過懸浮預(yù)熱、煅燒技術(shù)和窯外分解為主要核心思路組織進(jìn)行生產(chǎn)，并且不斷的把科技進(jìn)步、工業(yè)生產(chǎn)的新裝備、自動化先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用干法水泥生產(chǎn)的全過程中。對比原有生產(chǎn)工藝具有優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保、低耗等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足自動化、大型化的現(xiàn)代企業(yè)管理和功能需求。生產(chǎn)工藝可以概括成“一窯三磨”,具體可以分成生料粉磨，熟料煅燒和水泥制備[10]，工藝流程圖如圖 2.1�？刂葡到y(tǒng)采用 DCS，不斷利用新型原料、粉磨節(jié)能技術(shù)、均化技術(shù)等，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗和成本。水泥生產(chǎn)主要原材料有粘土質(zhì)原料、石灰質(zhì)原料和一些其他的含鐵、鎂等元素的校正原料，首先對以上原材料進(jìn)行大致地粉碎、烘干并輸送到原料庫。并進(jìn)行預(yù)均化處理，混合后的由生料系統(tǒng)進(jìn)行粉磨，就能夠得到細(xì)度均勻、成分合理的生料粉末[11]。通過皮帶輸送到均化庫進(jìn)行進(jìn)一步均化、儲存。 

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2.2 熟料水泥燒成工藝簡介
整個(gè)水泥工藝控制過程中，熟料燒成是最為復(fù)雜和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)涉及預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯三部分組成。預(yù)熱器主要指旋風(fēng)預(yù)熱器是生料燒成熟料過程中的的熱交換裝置,作用主要為烘干和預(yù)熱。旋風(fēng)預(yù)熱器一般從上到下一般設(shè)置為四到五級。物料自上而下，熱空氣則由底部向上噴發(fā)。生料在自身重力和熱空氣沖力的過程中，懸浮并逐步下降在熱空氣中，實(shí)現(xiàn)熱交換。生料粉末首先被提升斗提輸送到一級旋風(fēng)筒入口處的在上升管道過程中并完成熱交換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生料粉末和熱氣體的分離。收集的粉末通過卸料通道進(jìn)入二級旋風(fēng)筒的上升管道中進(jìn)行第二次熱交換,依次類推，重復(fù)上述過程直到最終進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯和分解爐中。 從窯尾出來的 1100℃熾熱空氣經(jīng)過上述的一系列熱交換后降到 330℃左右，生料則從 50℃左右加熱到 750℃到 820℃。旋風(fēng)預(yù)熱器增加了空氣與熟料的接觸時(shí)間和接觸面積[13]，實(shí)現(xiàn)了快速熱交換和快速熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)。 
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第三章 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究 ........ 17 
3.1 自適應(yīng)控制概況 ..... 17 
3.1.1 自適應(yīng)控制的基本特點(diǎn) ............ 18
3.1.2 自適應(yīng)控制策略的主要特點(diǎn)及優(yōu)勢 ........... 18 
3.1.3 自適應(yīng)控制策略的關(guān)鍵 ............ 18 
3.1.4 自適應(yīng)控制解決復(fù)雜控制問題的思路 ......... 18 
3.2 自適應(yīng)控制方案設(shè)計(jì)及研究 .... 19
3.3 自適應(yīng)控制改進(jìn)研究 .......... 28 
3.3.1 廣義泛模型 .... 29 
3.3.2 導(dǎo)出特征參量的估計(jì)與控制率 ...... 29 
3.4 基于熟料燒成控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制方案改進(jìn)及仿真研究 ....... 30 
3.5 本章小結(jié) .......... 38 
第四章 水泥熟料燒成系統(tǒng)控制優(yōu)化的實(shí)現(xiàn) ...... 39 
4.1 熟料線 DCS 系統(tǒng)情況 ......... 39
4.2 OPC 技術(shù)簡介 ...... 39 
4.3 控制算法實(shí)現(xiàn) ...... 40 
4.4 本章小結(jié) .......... 48 
第五章 結(jié)論與展望 ........ 49
5.1 全文總結(jié) .......... 49 
5.2 研究展望 .......... 49 

第四章  水泥熟料燒成系統(tǒng)控制優(yōu)化的實(shí)現(xiàn) 

4.1  熟料線 DCS 系統(tǒng)情況 
DCS 是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在自動控制業(yè)內(nèi)又稱之為集散控制系統(tǒng)。它由控制和監(jiān)控兩層級組成的以數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信為傳輸工具的控制系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等多種技術(shù)，，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。DCS 的含義被誤叫做數(shù)字化控制系統(tǒng)（Digital control system），其實(shí)質(zhì)仍為分布式操作系統(tǒng)[34-35]。 DCS 自 1975 年研發(fā)投入成功，經(jīng)過三十多年的發(fā)展歷程，DCS 雖然在總體結(jié)構(gòu)和控制思路沒有改變，但是隨著技術(shù)水平和裝備水平的不斷提升，其控制能力和水平已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。 目前具有高可靠性、開放性的特點(diǎn)：DCS 系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)了過程實(shí)時(shí)信息的采集和集中顯示，操作人員可以坐在中控室觀察到生產(chǎn)裝置各關(guān)鍵參數(shù)的狀態(tài)，但所有操作仍需要輸入人工指令，如喂料量、頭煤和尾煤的喂煤量、高溫風(fēng)機(jī)和窯頭風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、篦冷機(jī)篦速等等，因此生產(chǎn)運(yùn)行仍然處于手動操作狀態(tài)，生產(chǎn)運(yùn)行品質(zhì)依賴操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，更重要的是許多生產(chǎn)運(yùn)行工況是人工難以及時(shí)響應(yīng)或平衡兼顧的，由此造成操作動作不規(guī)范、各班次運(yùn)行品質(zhì)不均衡、裝置整體運(yùn)行波動大、熟料質(zhì)量不穩(wěn)定、難以達(dá)成最大產(chǎn)能等諸多問題。 水泥熟料自動控制需要靠計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上是解決生產(chǎn)運(yùn)行中各種問題的控制算法。通過對 DCS 系統(tǒng)加強(qiáng)控制計(jì)算能力，尤其是在系統(tǒng)中增添先進(jìn)控制技術(shù)，才能夠充分發(fā)揮 DCS 系統(tǒng)的潛力，改善生產(chǎn)運(yùn)行的品質(zhì)[36]。
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總結(jié)

本文首先對水泥行業(yè)及熟料燒成控制系統(tǒng)的發(fā)展情況進(jìn)行介紹，通過目前水泥生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況和裝備水平，確定重點(diǎn)控制優(yōu)化參數(shù)參數(shù)，希望通過先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)窯頭負(fù)壓和分解爐溫度的優(yōu)化穩(wěn)定控制，保證熟料質(zhì)量的穩(wěn)定，降低能耗。 通過對自適應(yīng)控制技術(shù)的介紹和分析，結(jié)合自適應(yīng)控制的特點(diǎn)和優(yōu)勢能夠較好實(shí)現(xiàn)熟料燒成系統(tǒng)的優(yōu)化控制，通過對泛模型的優(yōu)化和分析得出了廣義泛模型，并且通過與預(yù)測控制技術(shù)的融合，形成自適應(yīng)預(yù)測控制策略，即通過自適應(yīng)控制策略對熟料生產(chǎn)的一階加純滯后模型進(jìn)行提前和實(shí)時(shí)校正，從而達(dá)到控制效果。通過仿真結(jié)果能夠顯示實(shí)施自適應(yīng)預(yù)測控制對比原有 DCS 控制的偏差較小，與實(shí)際控制結(jié)果更貼近；發(fā)生波動和突發(fā)情況下能夠更快的反應(yīng)和提前完成控制目標(biāo)，并保證穩(wěn)定運(yùn)行。 在仿真驗(yàn)證后，結(jié)合亞泰阿城現(xiàn)場熟料燒成控制系統(tǒng)實(shí)際情況，利用 OPC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制信號通信；利用先進(jìn)軟件技術(shù)平臺，通過現(xiàn)有 DCS 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作，實(shí)驗(yàn)自適應(yīng)控制系統(tǒng)在熟料燒成控制系統(tǒng)操作的可行性，通過自適應(yīng)控制投用前和投用后的對比分析，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定控制參數(shù)，減小波動的目標(biāo)。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號：193956