CN101428246A - 中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，该方法基于磨煤机系统硬件平台，包括以下步骤：步骤一建立切换规则，采用规则推理方法判别工况及进行控制切换；步骤二设计温度与负荷协调控制，通过采用基于PI的负荷与温度的协调控制算法，调整给煤量u(t)，协调控制磨音y(t)与磨机出口温度T(t)；步骤三设计PI负荷控制，采用PI控制算法产生控制量u(t)，使磨音y(t)跟踪设定值y_sp；步骤四设计基于规则推理的过负荷控制，通过基于规则推理给出给煤量的调整量Δu(t)；步骤五基于规则推理的切换控制。本发明的优点在于：实现了磨机负荷的自动控制，并且不会发生‘包球’故障和‘饱磨’故障，提高了控制可靠性；减少了操作人员的工作量，方法有助于实现磨机负荷的优化控制和优化运行。

Description

中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，特别涉及一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法。

背景技术

提高中储式钢球磨煤机的出力对于提高制粉效率、降低制粉电耗具有十分重要的意义，磨机的出力取决于磨机负荷的控制，因此如何控制磨机负荷，使其处于生产工艺规定的负荷范围内，具有尽可能高的出力，是制粉系统实现自动控制的关键。由于磨机负荷控制工况复杂多变，尤其是煤粉低温容易出现‘包球’故障，负荷过高容易出现‘饱磨’故障，导致磨机停止运转，而采用人工操作，由于操作员难以及时准确的判断热风温度与负荷状况以及确定给煤量，上述问题仍然存在，因此必须采用智能控制方法实现该类制粉系统的磨机负荷控制方法。

发明内容

针对现有的磨机负荷控制方法存在的不足，本发明提供一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法。

本发明方法基于磨机系统硬件平台，采用专家规则推理方法实现切换控制，该方法包括基于产生式规则表述的切换机制、磨机负荷及温度协调控制、磨机负荷PI控制和基于规则推理的过负荷控制。本发明方法基于的硬件平台包括钢球磨煤机、给煤机、粗粉分离器、布袋收集器(细粉分离器)、原煤仓、煤粉仓、磨音检测仪、热电阻、热电偶、压力变送器、排风机和管道，其中钢球磨煤机的输入端与给煤机相连；钢球磨煤机的输出端与粗粉分离器相连；粗粉分离器与布袋收集器相连；布袋收集器的出口与排风机相连；布袋收集器的底部通过煤粉输送机与煤粉仓相连；声音传感器安装在钢球磨煤机筒体旁；热电阻安装在钢球磨煤机出口的管道上；热电偶安装在热风管道上；压力变送器安装在钢球磨煤机入口和出口管道上；变频器与给煤机相连。

磨音检测仪用安装在磨机筒体旁的轴向、径向位置及钢球和煤粉混合物下落点位置的圆周方向的声音传感器来检测磨机工作时钢球撞击钢球和钢球撞击衬板发出的声音y；热电阻用于在线测量钢球磨煤机出口温度T；热电偶用于在线测量热风温度T_r；压力变送器用于在线测量钢球磨煤机入口负压P_in和出口负压P_out，或用于在线测量钢球磨煤机差压ΔP；变频器用于控制给煤机转速u。

本发明涉及的计算机控制系统包括分布式计算机控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)、监控计算机和触摸屏。专家规则推理方法运行于计算机控制系统的分布式计算机控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)上，控制器切换采用基于规则推理的方法，专家规则推理方法通过OPC通讯方式实现通讯，读入过程数据，并给出控制器切换信号。

本发明选用磨音y(t)表示磨机负荷，用于磨机负荷控制，并选用磨机出口温度T(t)、磨机差压Δp(t)辅助磨机负荷的工况识别。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一 建立切换规则

切换规则包括工况识别和控制切换。根据钢球磨煤机出口温度T(t)和钢球磨煤机出口温度下限值T_mm、磨音y(t)与钢球磨煤机负荷下限值y_min、钢球磨煤机入口负压p_in(t)和钢球磨煤机出口负压P_out(t)的差Δp(t)＝P_in(t)-P_out(t)与钢球磨煤机差压上限Δp_max，采用规则推理技术，判别钢球磨煤机处于低温工况S₁控制切换到协调控制c₁，正常工况S₂切换到PI负荷控制C₂，过负荷工况S₃切换到过负荷控制C₃。

表1  切换机制的专家规则

切换规则结合制粉过程运行专家识别工况的经验，提取识别工况的“原型”，并整理成专家规则存储在专家系统的知识库中，知识库中的知识采用产生式运行专家规则，专家规则如表1所示，表示方法为：IF<前提>THEN<结论>

其中专家规则中的前提条件中的变量及变化范围的限定值由表2给出，

表2  磨机出口温度、磨音及差压变化区间

专家规则的前提是根据表2中变量T(t)、y(t)、Δp(t)与限定值T_min、y_min、Δp_max的关系，得出工况结论S，并选择控制C。

步骤二设计温度与负荷协调控制

在煤粉低温工况S₁时，以磨音y(t)和钢球磨煤机出口温度T(t)为输出量，根据磨音y(t)与磨音设定值y_sp的偏差e_y(t)和钢球磨煤机出口温度T(t)和钢球磨煤机出口温度工艺下限设定值T_sp的偏差e_T(t)，通过采用基于PI的负荷与温度的协调控制算法，调整给煤量u(t)，协调控制磨音y(t)与磨机出口温度T(t)。协调控制的算法为：

u(t)＝u(t-1)+Δu_a(t)-λ*Δu_b(t)               (1)

Δu_a(t)＝k_LI*(y(t)-y_sp)-k_LP*(y(t-1)-y(t))    (2)

Δu_b(t)＝k_TI*(T_sp-T(t))+k_TP*(T(t-1)-T(t))    (3)

式中，y(t)表示磨音，T(t)表示钢球磨煤机出口温度，y_sp表示磨音设定值，T_sp表示钢球磨煤机出口温度工艺下限设定值，u(t)表示给煤量，Δu_b(t)表示PI温度控制产生的减煤量，Δu_a(t)表示PI负荷控制产生加煤量，k_p1表示负荷PI算法比例系数，k_i1表示负荷PI算法积分系数，k_Tp表示温度PI算法比例系数，k_T1温度PI算法积分系数。

低温工况S₁时，余热温度降低使磨机出口温度小于工艺设定值下限T_sp，且减少，钢球磨煤机出力B_m(t)减少且不能充分蒸发煤粉中的水分，容易出现包球故障导致停磨。采用T_sp与T(t)的偏差e_T(t)，通过PI温度控制器产生的减煤量Δu_b(t)提高磨机出口温度。减少给煤量u(t)，存煤量w_m(t)减少，负荷减小，y(t)增加，大于y_sp，如果y(t)>y_max，出力B_m(t)过小且容易形成砸空磨现象，因此采用e_y(t)＝y_sp-y(t)，通过PI负荷控制产生加煤量Δu_a(t)，引入协调因子λ，协调磨机出口温度、磨音控制给出的加煤量。

为保证采用温度与负荷协调控制，将磨机出口温度、磨音控制在T_min≤T(t)≤T_spandy_sp≤y(t)≤y_max的范围内，协调因子参数λ选择为：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{k_{\mathrm{LI}}(y_{\max }-y_{\mathrm{sp}})}{k_{\mathrm{TI}}(T_{\mathrm{sp}}-T_{\min })}---\left(4\right)$

步骤三  设计PI负荷控制

在正常工况S₂时，以磨音y(t)为输出量，根据磨音y(t)的设定值与实际值y_sp的偏差e_y(t)＝y(t)-y_sp，采用PI控制算法产生控制量u(t)，使磨音y(t)跟踪设定值y_sp。PI负荷控制的算法为：

u(t)＝u(t-1)+k_p(e_y(t)-e_y(t-1))+k_Ie_y(t)     (5)

步骤四  设计基于规则推理的过负荷控制

在过负荷工况S₃时，根据磨音y(t)和磨机进出口差压Δp(t)识别负荷工况L，其中L＝{l₁，l₂，l₃，l₄}，l₁为正常工况，l₂为负荷较高工况，l₃为负荷很高工况，l₄为负荷极高工况，根据负荷工况L，通过基于规则推理给出给煤量的调整量Δu(t)，使系统远离过负荷工况，将y(t)控制在y_min≤y(t)≤y_sp范围内。基于规则推理的过负荷控制算法为：

u(t)＝u(t-1)+Δu(t)       (6)

磨机负荷工况根据差压Δp(t)与磨音y(t)与表3中差压Δp(t)与磨音y(t)的限值进行比较，采用基于规则推理的方法识别磨机负荷工况L。

表3  磨音y(t)、差压Δp(t)变化区间

Δu(t)由磨机负荷工况识别结果，通过正向推理机制，将上述过程量的检测数据的实际值Δp(k)和y(k)与表4中的所列规则的前提条件进行匹配，在磨机过负荷工况l₂，l₃，l₄时，采用规则推理，根据过负荷工况l₂，l₃，l₄的识别结果，得到相应的补偿值Δu(t)，由过负荷控制计算相应的给煤控制量u(t)。过负荷控制规则如表4：

表4  过负荷控制规则

步骤五基于规则推理的切换控制；按以下步骤执行：

(A)初始化

读入切换规则、控制参数以及过程数据通讯初始化。

(B)过程数据读入

从过程数据中读入基于规则推理的切换控制所需的过程参数的实时值。

(C)根据磨机负荷回路控制方式的过程参数确定是否进行规则推理，如果回路控制方式为手动控制，返回步骤(B)；如果回路控制方式为自动控制，进行规则推理过程。

(D)规则检索与匹配

逐条检索规则库中的规则，采用正向推理机制，将当前磨机出口温度的T(t)，磨音y(t)、差压Δp(t)与知识库中规则的前提条件进行比较，是否与当前工况描述相匹配。

(E)读取与当前工况相匹配的专家规则

根据步骤(D)的匹配结果，读出与当前工况相匹配的专家规则。

(F)读取规则的结论

读取步骤(E)中规则的结论，如果满足低温工况S₁，控制切换到温度与负荷协调控制器C₁；如果满足负荷正常工况S₂，切换到PI负荷控制C₂，如果满足过负荷工况S₃，控制切换到基于规则推理的过负荷控制C₃

(G)控制器选择结果

根据步骤(F)中与当前工况相匹配规则的结论，选择当前工况下采用的控制策略，将被选择的控制的选择开关参数置1，其余控制选择开关参数置0。

(H)结果输出

将步骤(G)中控制选择结果写入过程数据中，按照所选控制实现磨机负荷控制。

(I)显示工况识别及控制选择结果

将采用规则推理所得到的工况识别及控制器选择结果显示在监控计算机上，用于操作员监控基于规则推理的负荷切换控制运行。

本发明的优点在于：利用计算机系统和监测仪表提供的在线过程数据，采用切换控制方法，实现了磨机负荷在煤粉低温工况、过负荷工况的自动运行。与现有控制方法相比，实现了磨机负荷的自动控制，并且不会发生由于煤粉低温造成‘包球’故障和磨机过负荷造成‘饱磨’故障，提高了控制可靠性；与人工手动控制相比，减少了操作人员的工作量，解决了操作员难以准确判断过程工况变化并难以及时准确调整给煤量的问题。另外，由于本发明包括了热电厂和使用余热生产等制粉系统的负荷控制，该方法有助于实现磨机负荷的优化控制和优化运行。

附图说明

图1为制粉过程的流程、测量仪表及计算机配置图；

图2为本发明的磨机负荷与温度协调控制器框图；

图3为本发明的磨机负荷PI控制器框图；

图4为本发明的基于规则推理的过负荷控制器框图；

图5为本发明的基于规则推理的切换控制方法的工作流程图。

图中1钢球磨煤机，2给煤机，3粗粉分离器，4布袋收集器，5排风机，6原煤仓，7热电偶，8变频器，9磨机入口压力计，10磨机电流表，11磨音传感器，12磨煤机出口压力计，13热电阻，14煤粉仓，15PLC、控制计算机或专用计算机，16热风门，17冷风门。

图1中的实线箭头表示物流(煤粉，热风和冷风)，虚线表示信号流。

具体实施方式

结合附图将磨机负荷切换方法应用于国内某铝厂氧化铝回转窑制粉系统，进一步说明本发明的中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法。

如图1所示，采用的制粉系统为回转窑燃烧提供合格煤粉，并利用熟料冷却产生的余热生产煤粉。该磨煤机的负荷控制中，由于采用烧结余热生产煤粉，热风温度低且变化频繁，因此通常将冷风门全关，热风门全开，使得系统获取最大热能，主要依靠调节给煤机转速控制磨机负荷。

该钢球磨煤机规格为Φ3.2×9.5m，设计生产能力28t/h，主电机型号YR80-8/1180，额定功率800KW。其中给煤机转速采用变频控制，其大小用频率(Hz)表示，其频率范围为：给煤机转速：0~50Hz；钢球磨煤机出口温度采用热电阻检测，其温度范围为：出口温度测量值：0℃—100℃；钢球磨煤机负荷由安装磨机筒体旁的磨音检测仪(型号CBC-MYC)得到的磨音表示，其范围为：磨音测量值：0—150；

磨机负荷是制粉过程主要控制量，制粉过程通过控制给煤尽可能使得磨音跟踪设定值，并保证负荷控制安全，使得磨音、磨机出口温度、磨机入口负压满足工艺要求：

磨音设定上限：y_sp，max＝72；下线：y_sp，min＝62；

为保证磨机出力，磨音实际控制值上限为：y_max＝78；

磨机出口温度工艺设定上限：T_max＝60℃；下限：T_sp＝45℃；

为防止出现‘包球’故障，磨机出口温度控制下限：T_min＝40℃；

基于规则推理的切换控制方法按以下步骤进行：

步骤一选择控制参数，控制参数选择为：

1)切换机制：

表5  切换模型变量限值选择

 

变量限值	T(H1)	ymin	Δpmax
				实际参数	45	62	1.96

2)负荷控制：

负荷PI控制器参数确定为：k_p1＝0.45，k_i1＝0.07。

3)温度与负荷混和控制

参数PI参数确定为： $k_{T_P}=2.47,$ k_T1＝0.11，λ由式(4)计算。

4)用于磨机负荷判断的参数限值由表2给出，y(H₁)，y(H₂)，y(H₃)分别为负荷l₂，l₃，l₄工况对应的磨音上限值；Δp(L₁)，Δp(L₂)，Δp(L₃)分别为负荷l₂，l₃，l₄工况对应的差压下限值；强制减煤参数α＝2。

表6  磨机负荷识别的参数限值

 

变量限值	y(H1)	y(H2)	y(H3)	Δp(L1)	Δp(L2)	Δp(L3)
							实际参数	62	58.5	55.4	1.96	2.05	2.11

步骤二  读入过程数据

从过程数据中读入基于规则推理的切换控制所需的过程参数的实时值。

步骤三  根据磨机负荷回路控制方式的过程参数确定是否进行规则推理，如果回路控制方式为手动控制，返回步骤二；如果回路控制方式为自动控制，进行规则推理过程。

步骤四  规则检索与匹配

逐条检索规则库中的规则，采用正向推理机制，将当前磨机出口温度的T(t)，磨音y(t)、差压Δp(t)与知识库中规则的前提条件进行比较，是否与当前工况描述相匹配。

步骤五  读取与当前工况相匹配的专家规则

根据步骤四的匹配结果，读出与当前工况相匹配的专家规则。

步骤六  读取规则的结论

读取步骤五中规则的结论，如果满足低温工况S₁，控制器切换到温度与负荷协调控制器C₁；如果满足负荷正常工况S₂，切换到PI负荷控制C₂，如果满足过负荷工况S₃，控制切换到基于规则推理的过负荷控制C₃。

步骤七  控制器选择结果

根据步骤六中与当前工况相匹配规则的结论，选择当前工况下采用的控制策略，将被选择的控制的选择开关参数置1，其余控制器选择开关参数置0。

步骤八  结果输出

将步骤七中控制选择结果写入过程数据中，按照所选控制器实现磨机负荷控制。

步骤九  显示工况识别及控制选择结果

将采用规则推理所得到的工况识别及控制器选择结果显示在监控计算机上，用于操作员监控基于规则推理的负荷切换控制运行。

本实施例在下位PLC程序中设计了磨机负荷和温度协调控制、磨机负荷PI控制和基于规则推理的过负荷控制；规则推理采用专家运行软件实现，通过OPC协议实现过程数据读写，专家运行软件中规则推理的周期为2秒钟，实现工况识别和控制切换功能。

本发明即磨机负荷切换控制在制粉系统正常运行期间，应用结果表明该方法在磨机负荷复杂工况下满足过程负荷控制的要求，可以显著降低制粉单耗为制粉过程提供了一个具有很高实用价值的磨机负荷智能控制方法。

Claims (6)

1.一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，该方法基于磨煤机系统硬件平台，其特征在于包括以下步骤：

步骤一建立切换规则，包括工况识别和控制切换，采用规则推理方法判别钢球磨煤机处于低温工况S₁控制切换到协调控制c₁，正常工况S₂切换到PI负荷控制C₂，过负荷工况S₃切换到过负荷控制C₃；

步骤二设计温度与负荷协调控制，以磨音y(t)和钢球磨煤机出口温度T(t)为输出量，通过采用基于PI的负荷与温度的协调控制算法，调整给煤量u(t)，协调控制磨音y(t)与磨机出口温度T(t)；

步骤三设计PI负荷控制，以磨音y(t)为输出量，采用PI控制算法产生控制量u(t)，使磨音y(t)跟踪设定值y_sp；

步骤四设计基于规则推理的过负荷控制，根据负荷工况L，通过基于规则推理给出给煤量的调整量Δu(t)，使系统远离过负荷工况，将y(t)控制在y_min≤y(t)≤y_sp范围内；

步骤五基于规则推理的切换控制。

2.根据权利要求1所述的一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，其特征在于所述的磨音y(t)表示磨机负荷，用于磨机负荷控制，并用磨机出口温度T(t)、磨机差压Δp(t)辅助磨机负荷的工况识别。

3.根据权利要求1所述的一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，其特征在于所述的负荷协调控制的算法为：

u(t)＝u(t-1)+Δu_a(t)-λ*Δu_b(t)                     (1)

Δu_a(t)＝k_LI*(y(t)-y_sp)-k_LP*(y(t-1)-y(t))          (2)

Δu_b(t)＝k_TI*(T_sp-T(t))+k_TP*(T(t-1)-T(t))          (3)

式中，y(t)表示磨音，T(t)表示钢球磨煤机出口温度，y_sp表示磨音设定值，T_sp表示钢球磨煤机出口温度工艺下限设定值，u(t)表示给煤量，Δu_b(t)表示PI温度控制产生的减煤量，Δu_a(t)表示PI负荷控制产生加煤量，k_p1表示负荷PI算法比例系数，k_i1表示负荷PI算法积分系数，k_Tp表示温度PI算法比例系数，k_TT温度PI算法积分系数，t表示时间。

4.根据权利要求1所述的一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，其特征在于所述的PI负荷控制的算法为：

·u(t)＝u(t-1)+k_p(e_y(t)-e_y(t-1))+k_Ie_y(t)          (5)

式中e_y(t)代表磨音y(t)与磨音设定值y_sp的偏差，k_p表示比例系数，k_I表示积分系数。

5.根据权利要求1所述的一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，其特征在于所述的基于规则推理的过负荷控制的算法为：u(t)＝u(t-1)+Δu(t)。

6.根据权利要求1所述的一种中储式钢球磨煤机负荷切换控制方法，其特征在于所述的基于规则推理的切换控制按以下步骤执行：

(A)初始化

读入切换规则、控制参数以及过程数据通讯初始化；

(B)过程数据读入

从过程数据中读入基于规则推理的切换控制所需的过程参数的实时值；

(C)根据磨机负荷回路控制方式的过程参数确定是否进行规则推理，如果回路控制方式为手动控制，返回步骤(B)；如果回路控制方式为自动控制，进行规则推理过程；

(D)规则检索与匹配

逐条检索规则库中的规则，采用正向推理机制，将当前磨机出口温度的T(t)，磨音y(t)、差压Δp(t)与知识库中规则的前提条件进行比较，是否与当前工况描述相匹配；

(E)读取与当前工况相匹配的专家规则

根据步骤(D)的匹配结果，读出与当前工况相匹配的专家规则；

(F)读取规则的结论

读取步骤(E)中规则的结论，如果满足低温工况S₁，控制切换到温度与负荷协调控制器C₁；如果满足负荷正常工况S₂，切换到PI负荷控制C₂，如果满足过负荷工况S₃，控制切换到基于规则推理的过负荷控制C₃；

(G)控制器选择结果

根据步骤(F)中与当前工况相匹配规则的结论，选择当前工况下采用的控制策略，将被选择的控制的选择开关参数置1，其余控制选择开关参数置0；

(H)结果输出

将步骤(G)中控制选择结果写入过程数据中，按照所选控制实现磨机负荷控制；

(I)显示工况识别及控制选择结果

将采用规则推理所得到的工况识别及控制器选择结果显示在监控计算机上，用于操作员监控基于规则推理的负荷切换控制运行。

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