水泥熟料煅燒過程先進控制系統的設計與實現

薛美盛 王一豐 秦宇海

（1.中國科學技術大學信息科學技術學院；2.江蘇龐景節能科技有限公司）

水泥熟料煅燒過程將生料預熱、分解后煅燒成熟料，是水泥生產過程的中心環節，其重要生產設備有預熱器、分解爐、回轉窯及篦冷機等。 水泥熟料煅燒過程的煤耗量幾乎占據了整個水泥生產過程的煤耗量［1～3］。

目前， 國內絕大多數水泥企業已經普遍采用DCS 系統對水泥生產工藝參數和設備實施測控［4］。 但由于水泥熟料煅燒過程具有多變量、強耦合、大慣性和大滯后的特性，所以完全實現自動控制十分困難，控制效果常常不佳。 目前，水泥熟料煅燒過程自動控制的實現往往只針對其中的某一個設備，較少對整體進行優化；控制算法大多采用常規PID 策略，控制效果難以滿足生產要求。

為了實現水泥熟料煅燒過程的自動控制與優化，需要考慮分解爐、回轉窯及篦冷機等設備的自身特性與相互影響，針對系統整體設計先進控制策略。 筆者以機架式服務器為硬件平臺，采用廣義預測控制算法、 選擇控制策略和OPC 技術，設計并實現了一套水泥熟料煅燒過程先進控制系統。

1 水泥熟料煅燒工藝流程簡介

鶴壁市某水泥廠設計日產5kt 水泥熟料生產線采用五級旋風分離器結構預熱器、TSD 型分解爐和第3 代篦冷機。 水泥生料顆粒經預熱器預熱后進入分解爐預分解；隨后在回轉窯中進行固相放熱反應，生料顆粒變為液相熔融體，形成熟料；最終在篦冷機中冷卻成固體。 其工藝流程如圖1所示。

圖1 水泥熟料煅燒工藝流程框圖

水泥熟料煅燒過程各生產環節相互影響、工況復雜多變，關鍵控制參數分解爐爐溫、篦冷機熟料料層厚度具有大滯后、大慣性、非線性及強耦合等特性。 原DCS 常規控制器大多無法投自動，需要操作工手動調節；該系統已投產運行十余年，控制系統老舊，部分儀表精度不足，導致水泥熟料煅燒過程關鍵回路控制品質不佳。

2 先進控制系統結構設計

2.1 水泥熟料煅燒過程控制系統結構

水泥熟料煅燒過程控制系統結構主要分為操作員站和控制站兩部分。 操作員站由兩臺搭載Microsoft Windows Server 2003 的工控機組成，采用施耐德Monitor Pro 7.2 組態軟件， 其中一臺操作員站采用SQL Server 2000 完成整個水泥生產工藝的數據記錄。 控制站由Quantum 140 系列PLC 組成。 操作員站與控制站之間通過工業以太網連接；控制站通過MB+電纜和中繼器與遠程I/O 模塊通信， 各遠程I/O 模塊采用INTERBUS組建。

2.2 水泥熟料煅燒先進控制系統結構

由于生產現場的計算機設備過于陳舊，為此添加一臺DELL PowerEdge R220 服務器作為先進控制工作站，用以部署系統。 為了保證模塊的獨立性與用戶友好性，先進控制系統分為用戶圖形界面、信息處理模塊和數據通信模塊（圖2）。用戶圖形界面實現用戶與先進控制系統的人機交互；信息處理模塊根據用戶圖形界面的控制要求提供數據處理與先進控制器計算；數據通信模塊實現先進控制系統與現場DCS 系統的通信連接。軟件通過Matlab 實現。

圖2 水泥熟料煅燒先進控制系統結構

2.2.1 數據通信模塊

先進控制系統與現場DCS 通過局域網連接，基于OPC DA 協議實現通信。 OPC DA 協議采用客戶端/服務器體系結構， 以COM/DCOM 為技術基礎［5］。各硬件提供商根據硬件特性，將硬件驅動程序按OPC 服務器格式封裝；只需將先進控制工作站與DCS 操作員站連接在同一子網，各自按服務器與客戶端模式的要求正確配置COM/DCOM，即可通過OPC DA 協議建立連接，實現通信。

數據通信模塊首次與DCS 的OPC 服務器建立連接時，根據信息處理模塊的數據點表需求建立創建組對象與項對象，而后根據信息處理模塊的請求對各個項對象執行讀寫操作，為信息處理模塊的信息處理提供服務。

2.2.2 信息處理模塊

信息處理模塊主要包括用戶圖形界面信息讀寫、數據通信模塊信息讀寫、參數配置文件讀取、數據濾波處理、先進控制計算、控制器無擾切換、數據存儲和報警處理。

信息處理模塊需要接收來自用戶圖形界面的各控制回路的設定值、控制量限幅值與投切指令，并將現場測量數據濾波值、先進控制器計算的控制量和報警信息通過用戶圖形界面反饋給用戶。 根據用戶圖形界面的操作信息，信息處理模塊對來自數據通信模塊的數據進行處理、計算， 將結果再通過數據通信模塊寫入OPC 服務器，并讀取配置文件中的參數。 現場生產設備與測量裝置情況復雜，一般需要對測量數據進行范圍截斷與均值濾波。 先進控制器通過先進控制算法解決常規控制器難以解決的系統控制問題。 在手動/自動控制器之間或不同自動控制器之間切換時，需要將未投用的自動控制器的被控量設定值置為測量數據濾波值，控制量置為手動操作控制量或正在投運的自動控制器控制量。 均值濾波、控制器算法實現等計算與生產情況分析需要使用歷史數據，所以該模塊具有存儲歷史數據信息的功能，以供相應程序調用。 先進控制系統投運后，用戶不必頻繁操作，由系統對控制量與被控量進行實時監控，在異常工況發生時發出報警信息。

2.2.3 用戶圖形界面

用戶圖形界面的實現，使用戶能夠方便地發送操作的指令與數據，實現人機交互；并且直觀地接收交互式系統的信息表示，了解反饋信息［6］。該水泥熟料煅燒先進控制系統的用戶圖形界面如圖3 所示，共有5 部分：通信連接面板、報警畫面面板、篦冷機控制面板、分解爐爐溫控制面板和回轉窯溫度控制面板。

圖3 先進控制系統用戶圖形界面

通信連接面板通過數據通信模塊建立或斷開與OPC 服務器的連接并顯示其狀態；報警畫面面板基于用戶選擇，對來自信息處理模塊的報警信息進行顯示或暫停；各控制面板通過將被控量設定值、控制量限幅值與控制器投切信號傳遞給信息處理模塊，進行控制器計算與投切處理。

3 先進控制器的設計和實現

先進控制器隸屬于信息處理模塊，是先進控制系統的核心。 水泥熟料煅燒過程對象繁多、耦合嚴重，大多數對象具有大慣性、大滯后和非線性的特性， 難以設計控制器實現自動控制與優化；同時還存在原材料與燃料質量不均、設備運行穩定性差及關鍵參數測量困難等問題［7］。 筆者依據現場生產情況，考慮各對象自身特性與相互關系，設計了一套先進控制器，通過合理選擇、分別控制各生產設備的關鍵參數，以期實現水泥熟料煅燒各個子工藝過程的穩定運行，并提升整個水泥熟料煅燒過程的穩定運行水平。

由圖1 可知，物料經由預熱器→分解爐→回轉窯→篦冷機， 但是熱風氣流的順序是相反的，只有先把篦冷機料層控制穩定住，才能讓它輸出的二、三次助燃熱風溫度穩定，從而為穩定控制分解爐和回轉窯打下基礎。

3.1 篦冷機控制

回轉窯和分解爐的爐溫與各自的喂煤量直接相關，也受到二、三次風風溫的影響，所以通過調節喂煤量使回轉窯和分解爐的爐溫跟隨設定時，需要保證二、三次風風溫平穩。 風溫與一段篦冷機中熟料的料層厚度直接相關，故需要控制一段篦冷機料層厚度保持穩定。 二、三段篦冷機料層厚度不影響風溫，所以保證二、三段篦冷機料層厚度不損壞篦冷機即可。

在原控制方案中，操作工通過二室篦床壓力判斷熟料料層厚度， 手動調節一段篦冷機轉速，實現料層厚度穩定；二、三段篦冷機轉速基本保持恒定，僅起到推走熟料的作用。 一段篦冷機料層厚度控制回路的慣性時間、 滯后時間很大，手動控制難以給定大小合適的操作量，導致料層厚度波動劇烈，從而影響整個系統的穩定。

篦冷機控制回路對一段篦冷機料層厚度采用選擇控制，對二、三段篦冷機轉速采用比值控制，具體如圖4 所示。

圖4 篦冷機控制結構框圖

對于一段篦冷機控制，考慮到采用二室篦床壓力作為被控量會導致滯后時間常數過大，所以在料層黏稠度較低時，選擇篦冷機中滯后時間較小的G11 風機電流作為被控變量。

由于需要根據料層黏稠度選擇執行不同的控制回路， 故一段篦冷機轉速控制器內采用選擇控制結構。 選擇控制結構在控制回路中引入選擇器， 可以進行多種被控變量測量值或控制器的選擇［8］。 將G11 風機電流測量值與二室篦床壓力濾波值的比值作為料層黏稠度表征值。 在表征值不過高的情況下，選用滯后時間較小的G11風機電流作為被控對象調節一段篦冷機轉速；在表征值較高的情況下，選用二室篦床壓力作為被控對象。

本系統中，當料層黏稠度表征值不大于0.34時，采用G11 風機電流PID 控制器，其比例系數Kp取0.500、積分時間常數Ti取25s、微分時間常數Td取0.01s；當表征值大于0.34 時，采用二室篦床壓力PID 控制器，其比例系數Kp取0.007、積分時間常數Ti取120s、 微分時間常數Td取0.10s。PID 控制器均為增量式，控制周期均取10s。

回轉窯內熟料的生產情況也會對回轉窯出料量造成影響， 導致一段篦冷機未來入料量波動，所以控制器內采用了靜態前饋控制，使得一段篦冷機轉速控制量能夠克服穩態情況下窯內生產情況帶來的干擾。 一段篦冷機轉速控制器以窯電流均值變化量乘以固定增益0.1 作為前饋，與PID 控制器的計算結果相加作為最終一段篦冷機轉速給定值，并輸入DCS 系統。

對于二、三段篦冷機，選擇比值控制使這兩段篦冷機轉速以各自比值跟隨一段篦冷機轉速，同時監控二、 三段篦床壓力不大于各自安全上限。 若該段篦床壓力最大值不大于其規定上限，則選擇較小比值；若該段篦床壓力最大值大于其規定上限，則選擇較大比值。 本系統中，二段篦床壓力不大于其上限設定值時，比值參數取1.5；二段篦床壓力大于其上限設定值時， 比值參數取1.8。 三段篦床壓力不大于其上限設定值時，比值參數取2.0；三段篦床壓力大于其上限設定值時，比值參數取2.2。 控制周期均取10s。

3.2 回轉窯控制

回轉窯窯內溫度對水泥熟料產品質量有較大影響。 現場回轉窯窯內溫度測量值的精度僅為4℃，無法作為被控變量，所以現場選擇回轉窯窯頭喂煤量作為被控變量。

在現場DCS 系統中，已經設有窯頭喂煤轉子秤PID 控制回路。 但轉子秤計量不準確，導致喂煤量實際值并不穩定。 窯頭喂煤風壓可以反映實際窯頭喂煤量，所以現場操作人員手動調節窯頭喂煤風壓測量值以穩定窯頭喂煤量的實際值，致使窯頭喂煤量實際值波動較大。

回轉窯窯頭喂煤風壓控制回路采用PID 控制策略，將DCS 系統中的窯頭喂煤量設定值作為控制量，將窯頭喂煤風壓測量值的均值濾波值作為被控量。 DCS 系統的喂煤轉子秤PID 控制回路作為內回路，整體形成串級控制結構。 通過實時調節喂煤量設定值，保證窯頭喂煤量實際值的穩定。 回轉窯控制結構如圖5 所示。

圖5 回轉窯控制結構框圖

本系統中，窯頭喂煤風壓PID 控制器的比例系數Kp取0.500、積分時間常數Ti取10s、微分時間常數Td取0.05s，控制周期取5s。

3.3 分解爐控制

當水泥生料喂料量為定值時，分解爐爐溫對回轉窯內水泥熟料的質量影響較大，故分解爐爐溫的穩定對水泥熟料質量至關重要。

在原控制方案中，操作工通過改變分解爐喂煤量來調節分解爐爐溫。 由于分解爐爐溫控制回路的滯后時間很長，喂煤量保持不變的情況下爐溫波動往往很大。 針對分解爐對象存在的問題，分解爐控制回路選擇工程背景強、對時滯和階次變化魯棒性強的廣義預測控制算法（GPC）［9～11］作為控制律。 分解爐控制結構如圖6 所示。

圖6 分解爐控制結構框圖

為了保證控制器在測量設備異常時仍然可以運行，用戶可將五級下料管出口溫度作為可選被控對象，根據現場儀表運行情況以及測量值與窯電流的相關性進行選擇切換。 筆者通過分析歷史數據，采用遞推最小二乘法辨識分解爐出口溫度與分解爐喂煤量、五級下料管出口溫度與分解爐喂煤量的差分方程模型， 并用于GPC 控制計算。 由于常規GPC 算法會對高維矩陣在線求逆，計算量過于龐大，因此筆者采用階梯式廣義預測控制（SGPC）算法，通過引入階梯因子，將常規GPC 算法中的高維矩陣求逆變成向量、 標量運算，大幅降低了計算量［12］。

分解爐出口溫度與分解爐喂煤量的差分方程模型為：

y1（k）=0.4033·u（k-21）+0.9769·y1（k-1）

式中 u（k-21）——21 個控制周期前的分解爐喂煤量，t/h；

y1（k）——當前分解爐出口溫度，℃；

y1（k-1）——上一控制周期的分解爐出口溫度，℃。

其SGPC 控制器參數為：控制周期3s，預測步長80，控制步長20，柔化因子0.98，階梯因子1，控制量權重因子15。

五級下料管出口溫度與分解爐喂煤量的差分方程模型為：

y2（k）=0.2983·u（k-21）+0.9878·y2（k-1）

式中 y2（k）——當前五級下料管出口溫度，℃；y2（k-1）——上一控制周期的五級下料管出口溫度，℃。

其SGPC 控制器參數為：控制周期3s，預測步長80，控制步長20，柔化因子0.99，階梯因子1，控制量權重因子10。

4 先進控制系統投運效果

筆者設計的水泥熟料煅燒先進控制系統成功應用在鶴壁市某水泥廠。 重要工藝參數的優化效果較明顯。 二室篦床壓力投運前后的控制效果對比如圖7 所示，該變量設定值為4.8kPa，投運前水泥熟料煅燒過程運行4 000s 的二室篦床壓力絕對誤差積分（IAE）為1 137.7，投運后IAE為350.4。分解爐出口溫度投運前后的控制效果對比如圖8 所示，該變量設定值為865℃，投運前水泥熟料煅燒過程運行4 000s 的分解爐出口溫度IAE為25 815，投運后IAE為6 702。

圖7 二室篦床壓力控制效果對比

圖8 分解爐出口溫度控制效果對比

回轉窯窯頭喂煤風壓投運前后的控制效果對比如圖9 所示，該變量設定值為24.5kPa，投運前水泥熟料煅燒過程運行4 000s 的回轉窯窯頭喂煤風壓IAE為640.4，投運后IAE為366.0。 回轉窯窯電流均值投運前后的控制效果對比如圖10所示，投運前水泥熟料煅燒過程運行4 000s 的窯電流標準差為45.9A，投運后為19.4A。

圖9 回轉窯窯頭喂煤風壓控制效果對比

圖10 回轉窯窯電流均值控制效果對比

5 結束語

針對目前水泥熟料煅燒工藝自動化程度低、工況波動大的問題，筆者以鶴壁市某水泥廠實際生產工況為背景， 在其原有DCS 系統的基礎上，基于廣義預測控制和選擇控制策略，設計并開發了一套水泥熟料煅燒先進控制系統。 實際投運結果表明：該系統能夠穩定各生產設備的重要過程參數與系統的整體工況，同時簡化了操作人員的工作，生產自動化程度有所提升。