基于自适应控制的水泥熟料烧成控制参数研究

发布时间：2016-11-26 07:30

第一章   绪论 

1.1 水泥熟料烧成控制系统优化研究的意义
水泥作为我国经济发展和基础建设的重要材料，对我国经济建设的腾飞有着十分重要的意义，对实现“十三五规划”有着重要的战略意义。经过建国后尤其是改革开放后我国水泥生产装备、技术、工艺、规模有了巨大的发展[1]，目前全国水泥年产能、产量已经世界第一。但是整个熟料水泥行业及整个建材行业的整体发展水平和欧美发达国家相比还有较大差距。尤其是精细化控制、资源综合利用、环保投入等，还有许多方面需要我们加紧步伐去提升。经过几十年的发展，我国的水泥产业仍存在很多问题，生产管理粗放，资源、能源消耗高，污染严重，生态和环境压力越来越大，生产企业数量多，产业集中度低等。 水泥是我国基础建设的重要产品，在我国“十三五”经济建设过程中有着重要的意义，是保证我国规划的各项基础设施建设顺利实施和经济发展有十分重要的意义。同时，水泥能源消耗大户，其能源消耗大约占到我国所有能源消耗 4.9%，水泥单位能耗高，其他资源消耗量巨大，据资料统计，我国水泥单位消耗资源要比欧美国家高出约一倍。根据国家相关规划要求，到 2020 年，新型干法水泥生产线比重将达到 70%以上。日产 4000t 以上规模生产线，综合电耗标准为小于 90k Wh，热耗小于 640kcal/kg。到 2020 年，数量由目前 4000 家企业减少到 1500 家，要实现这一目标就需要对水泥生产的全过程进行优化，实现精细化控制管理，才能逐步减少能源资源消耗，实现绿色、环保、可持续发展。因此，生产线规模的大型化、集中化，装备控制的精细化是国家水泥工业发展的必然需要；以先进控制技术改进传统的水泥工艺降低消耗是实现水泥产业的绿色、环保、可持续发展的重要研究课题[2]。
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1.2 水泥熟料烧成控制系统发展状况
随着我国水泥产业的不断发展，产能规模的不断扩大，生产工艺的不断进步，市场的激烈竞争，成本压力的不断增加，水泥对自动化控制系统的需有也逐步加大。同时，在整个水泥产业发展的过程中熟料水泥生产线设备水泥的不断提升和发展也为熟料水泥生产线的先进自控技术的实现提供了良好的条件[5]。 经过技术的革新和进步，中控系统在水泥生产中发挥着举足轻重的作用。在整个行业，早期控制系统仅用于控制熟料线生产过程的主要过程，但是经过不断的发展，DCS 系统在整个熟料水泥的全过程生产已经覆盖到各方面，为熟料水泥台时产量提高、质量稳定、设备运转率提高做出巨大贡献，同时也降低了一线工人的劳动强度，还使水泥生产企业定编的人员数量大量减少，降低了企业的上产成本。正是由于这些因素，DCS 系统在熟料水泥生产线中的工艺控制和生产管理中得到了广泛的推广。在上个世纪，早期的熟料水泥生产的自动化,只是在各个工艺环节独立运行，且只进行简单的过程控制，整个生产线的环节基本是相对独立的，仅仅是一次仪表，二次仪表以及配套的各种机械、电气装置组成，各车间设立自己独立中控及配电室，对所辖范围内的生产设备进行控制和联锁保护。各生产环节设立独立的操作程序。 20 世纪 80 年代初，我国分别从欧洲、日本等工业化国家引进了水泥生产线，设立具备全过程管控功能的中央控制室，能够操作和监督所有的工艺、仪表、设备。随后，由我国自主开发的水泥生产线也采用了这种方式，从而促进了自动化水平的提升。 随后由于生产工艺的成熟，单独控制、集中监控、统一管理的控制思路在水泥生产企业中逐渐达了共识。集散型控制系统由于熟料水泥生产过程较长，各个控制设备分散，需要将它们通过数据传输与工业计算机操作站相连接，统一控制与监视。 90 年代中后期，随着市场的激烈竞争，成本压力和质量要求对水泥生产企业自动化控制、管理提出了新的要求，与此同时 DCS 控制系统的价格在下降，各种小型 PLC控制装置的实践应用成功和工业 PC 价格大幅度降低，及处理能力成倍地提高，都对生产自动化提出了新的要求和发展机遇。 
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第二章   水泥熟料烧成系统工艺简介 

水泥是社会发展和经济建设的必备原材料之一,也是国家能源消耗和控制产能的重点产品，自诞生以来，水泥生产的工艺、设备技术随着科学技术的发展和装备水平的革新已经取得了长足的进步和发展，机械化、自动化程度有了很大的提升。 我国是目前水泥产能最大的国家，产能 53 亿吨，产能占全球的百分之三十五以上。经过几十年的发展和进步,目前最先进和成熟的新型干法水泥生产工艺已经渐渐成熟，但是由于各地方政府的环保政策落实不到位、同时水泥淘汰落后产能力度也不够，新时期也存在较大的竞争和生产压力。

2.1 水泥生产线工艺简介 

总的概括来说，新型干法水泥生产就是通过悬浮预热、煅烧技术和窑外分解为主要核心思路组织进行生产，并且不断的把科技进步、工业生产的新装备、自动化先进技术应用干法水泥生产的全过程中。对比原有生产工艺具有优质、高效、环保、低耗等优点，能够满足自动化、大型化的现代企业管理和功能需求。生产工艺可以概括成“一窑三磨”,具体可以分成生料粉磨，熟料煅烧和水泥制备[10]，工艺流程图如图 2.1。控制系统采用 DCS，不断利用新型原料、粉磨节能技术、均化技术等，提升产品质量，降低能耗和成本。水泥生产主要原材料有粘土质原料、石灰质原料和一些其他的含铁、镁等元素的校正原料，首先对以上原材料进行大致地粉碎、烘干并输送到原料库。并进行预均化处理，混合后的由生料系统进行粉磨，就能够得到细度均匀、成分合理的生料粉末[11]。通过皮带输送到均化库进行进一步均化、储存。 

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2.2 熟料水泥烧成工艺简介
整个水泥工艺控制过程中，熟料烧成是最为复杂和重要的一个环节涉及预热器、分解炉、回转窑三部分组成。预热器主要指旋风预热器是生料烧成熟料过程中的的热交换装置,作用主要为烘干和预热。旋风预热器一般从上到下一般设置为四到五级。物料自上而下，热空气则由底部向上喷发。生料在自身重力和热空气冲力的过程中，悬浮并逐步下降在热空气中，实现热交换。生料粉末首先被提升斗提输送到一级旋风筒入口处的在上升管道过程中并完成热交换，同时实现了生料粉末和热气体的分离。收集的粉末通过卸料通道进入二级旋风筒的上升管道中进行第二次热交换,依次类推，重复上述过程直到最终进入回转窑和分解炉中。 从窑尾出来的 1100℃炽热空气经过上述的一系列热交换后降到 330℃左右，生料则从 50℃左右加热到 750℃到 820℃。旋风预热器增加了空气与熟料的接触时间和接触面积[13]，实现了快速热交换和快速热传导的特点。 
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第三章 自适应控制系统设计及仿真研究 ........ 17 
3.1 自适应控制概况 ..... 17 
3.1.1 自适应控制的基本特点 ............ 18
3.1.2 自适应控制策略的主要特点及优势 ........... 18 
3.1.3 自适应控制策略的关键 ............ 18 
3.1.4 自适应控制解决复杂控制问题的思路 ......... 18 
3.2 自适应控制方案设计及研究 .... 19
3.3 自适应控制改进研究 .......... 28 
3.3.1 广义泛模型 .... 29 
3.3.2 导出特征参量的估计与控制率 ...... 29 
3.4 基于熟料烧成控制系统自适应控制方案改进及仿真研究 ....... 30 
3.5 本章小结 .......... 38 
第四章 水泥熟料烧成系统控制优化的实现 ...... 39 
4.1 熟料线 DCS 系统情况 ......... 39
4.2 OPC 技术简介 ...... 39 
4.3 控制算法实现 ...... 40 
4.4 本章小结 .......... 48 
第五章 结论与展望 ........ 49
5.1 全文总结 .......... 49 
5.2 研究展望 .......... 49 

第四章  水泥熟料烧成系统控制优化的实现 

4.1  熟料线 DCS 系统情况 
DCS 是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在自动控制业内又称之为集散控制系统。它由控制和监控两层级组成的以数据网络通信为传输工具的控制系统，综合了计算机，通信、显示和控制等多种技术，，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS 的含义被误叫做数字化控制系统（Digital control system），其实质仍为分布式操作系统[34-35]。 DCS 自 1975 年研发投入成功，经过三十多年的发展历程，DCS 虽然在总体结构和控制思路没有改变，但是随着技术水平和装备水平的不断提升，其控制能力和水平已经有了质的飞跃。 目前具有高可靠性、开放性的特点：DCS 系统仅仅实现了过程实时信息的采集和集中显示，操作人员可以坐在中控室观察到生产装置各关键参数的状态，但所有操作仍需要输入人工指令，如喂料量、头煤和尾煤的喂煤量、高温风机和窑头风机的转速、篦冷机篦速等等，因此生产运行仍然处于手动操作状态，生产运行品质依赖操作人员的操作经验和技术水平，更重要的是许多生产运行工况是人工难以及时响应或平衡兼顾的，由此造成操作动作不规范、各班次运行品质不均衡、装置整体运行波动大、熟料质量不稳定、难以达成最大产能等诸多问题。 水泥熟料自动控制需要靠计算机软件实现，本质上是解决生产运行中各种问题的控制算法。通过对 DCS 系统加强控制计算能力，尤其是在系统中增添先进控制技术，才能够充分发挥 DCS 系统的潜力，改善生产运行的品质[36]。
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总结

本文首先对水泥行业及熟料烧成控制系统的发展情况进行介绍，通过目前水泥生产工艺的实际情况和装备水平，确定重点控制优化参数参数，希望通过先进的控制技术实现窑头负压和分解炉温度的优化稳定控制，保证熟料质量的稳定，降低能耗。 通过对自适应控制技术的介绍和分析，结合自适应控制的特点和优势能够较好实现熟料烧成系统的优化控制，通过对泛模型的优化和分析得出了广义泛模型，并且通过与预测控制技术的融合，形成自适应预测控制策略，即通过自适应控制策略对熟料生产的一阶加纯滞后模型进行提前和实时校正，从而达到控制效果。通过仿真结果能够显示实施自适应预测控制对比原有 DCS 控制的偏差较小，与实际控制结果更贴近；发生波动和突发情况下能够更快的反应和提前完成控制目标，并保证稳定运行。 在仿真验证后，结合亚泰阿城现场熟料烧成控制系统实际情况，利用 OPC 技术，实现控制信号通信；利用先进软件技术平台，通过现有 DCS 控制系统实现操作，实验自适应控制系统在熟料烧成控制系统操作的可行性，通过自适应控制投用前和投用后的对比分析，能够实现稳定控制参数，减小波动的目标。
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参考文献(略) 

本文编号：193956