CN103034130B

CN103034130B - 水泥在线模拟系统及其实现方法

Info

Publication number: CN103034130B
Application number: CN201310006843.8A
Authority: CN
Inventors: 田海奎
Original assignee: WUHAN XINFENG CEMENT CO Ltd
Current assignee: WUHAN XINFENG CEMENT CO Ltd
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103034130A

Abstract

本发明公开一种水泥在线模拟系统及其实现方法，水泥在线模拟系统包括数据采集模块、数据校验模块、数据库、设备状态推算模块、在线自学习模块和模拟模块。数据采集模块实时采集水泥生产中各个生产设备的当前运行参数；数据校验模块按照数据库中设定的运行参数的范围，对当前运行参数进行检验；设备状态推算模块确定当前各个设备的运行状态；在线自学习模块对水泥生产的各个数学模型的系数进行修正；模拟模块对水泥生产进行同步仿真计算。本发明可以实时地对当前状态进行仿真计算、分析与预警，为水泥厂安全、经济运行提供在线的、智能化的辅助信息。这些数据可以用于生产优化和管理优化，使水泥厂的管理和生产具有及时和科学的决策依据。

Description

水泥在线模拟系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及水泥生产技术领域，尤其涉及一种水泥在线模拟系统及其实现方法。

背景技术

水泥的生产通常是以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后喂入水泥窑中煅烧成熟料，再将熟料加适量石膏(有时还掺加混合材料或外加剂)磨细而成。

如图1所示，水泥的生产，一般可分生料制备、熟料烧成和水泥制成三个工序，其中，生料制备分为干法和湿法两种，干法一般采用闭路操作系统，即原料经磨机磨细后，进入选粉机分选，粗粉回流入磨再行粉磨的操作，并且多数采用物料在磨机内同时烘干并粉磨的工艺。干法的生料制备具体可包括石灰石破碎及输送、联合预均化堆场、原料调配及原料粉磨、生料入窑和废气处理等流程。熟料烧成的设备主要有立窑和回转窑两类，立窑适用于生产规模较小的工厂，大、中型厂通常采用回转窑。窑筒体卧置(略带斜度，约为3％)，并能作回转运动的称为回转窑。采用回转窑的熟料烧成具体可包括煤粉制备、窑尾预热分解、回转窑煅烧和窑头熟料冷却等流程。水泥制成工序通常采用圈流粉磨工艺(即闭路操作系统)，可包括破碎机熟料配料、水泥磨和水泥出库及包装等流程。

针对上述每个生产工序来说，均涉及到多种设备，比如，仅石灰石破碎及输送的工序中就涉及到重型板式喂料机，单段锤式破碎机、收尘器、排风机、离心通风机、电机、收尘器储气罐、皮带机、脉冲单机带收尘器、圆堆场堆取料机等等。每种设备均涉及到各种参数和指标。

由于大型水泥生产线系统庞大，设备众多，操作运行复杂，控制也相对复杂，发生故障的潜在因素多。而且一旦出现故障，甚至会导致设备损坏，无论故障大小，都会间接或直接给水泥厂带来经济损失。

发明内容

本发明针对现有技术的大型水泥生产线系统庞大，设备众多，操作运行复杂的问题，提出一种水泥在线模拟系统及其实现方法，对水泥厂的运行控制和在线安全监视提供数据支持，提高水泥厂设备运行的机理分析能力。

为了解决上述问题，本发明提供一种水泥在线模拟系统，包括：数据采集模块、数据校验模块、数据库、设备状态推算模块、在线自学习模块和模拟模块，其中，数据采集模块与数据校验模块相连，设备状态推算模块和在线自学习模块分别与数据校验模块和模拟模块相连，数据库分别与数据校验模块、设备状态推算模块和模拟模块相连；

所述数据采集模块用于实时采集水泥生产中各个生产设备的当前运行参数，并发送至所述数据校验模块；

所述数据校验模块用于按照数据库中设定的运行参数的范围，对数据采集模块采集到的当前运行参数进行检验，将合格的当前运行参数发送至数据库、设备状态推算模块和在线自学习模块；

所述设备状态推算模块用于将当前运行参数与数据库中设备运行参数的范围进行比对，确定当前各个设备的运行状态，将当前各个设备的运行状态和当前运行参数发送至模拟模块；

所述在线自学习模块用于根据当前运行参数，对水泥生产的各个数学模型的系数进行修正，并将修正后的数学模型发送至模拟模块；

所述模拟模块包括在线同步仿真子模块，所述在线同步仿真子模块用于按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行同步仿真计算；

所述数据库用于存储各个生产设备的历史运行参数和当前运行参数、运行参数的范围以及运行参数与设备状态的对应关系。

优选地，上述水泥在线模拟系统还具有以下特点：

所述数据校验模块进一步用于，若在检验过程中判断当前运行参数不合格，则用数据库中仿真分析得到值或历史仿真分析得到的值替代不合格的当前运行参数。

优选地，上述水泥在线模拟系统还具有以下特点：

所述数据校验模块进一步用于，若在检验过程中判断当前运行参数不合格，则报警并显示不合格的当前运行参数及其替代值。

优选地，上述水泥在线模拟系统还具有以下特点：

所述模拟模块还包括离线分析仿真子模块，所述离线分析仿真子模块用于根据输入的离线运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行仿真计算。

优选地，上述水泥在线模拟系统还具有以下特点：

所述模拟模块还包括在线预测仿真子模块，所述在线预测仿真子模块用于按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型，对水泥生产进行超实时仿真计算。

优选地，上述水泥在线模拟系统还具有以下特点：

所述超实时仿真计算是指：仿真计算水泥生产从当前时刻到当前时刻+ΔT的运行状态，其中ΔT为15分钟～1个小时。

为了解决上述问题，本发明提供一种水泥在线模拟系统的实现方法，包括：

数据采集模块实时采集水泥生产中各个生产设备的当前运行参数，并发送至数据校验模块；

数据校验模块按照数据库中设定的运行参数的范围，对数据采集模块采集到的当前运行参数进行检验，将合格的当前运行参数发送至数据库、设备状态推算模块和在线自学习模块；

设备状态推算模块将当前运行参数与数据库中设备运行参数的范围进行比对，确定当前各个设备的运行状态，将当前各个设备的运行状态和当前运行参数发送至模拟模块；

在线自学习模块根据当前运行参数，对水泥生产的各个数学模型的系数进行修正，并将修正后的数学模型发送至模拟模块；

模拟模块中的在线同步仿真子模块按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行同步仿真计算。

优选地，上述实现方法还包括：

所述模拟模块中的离线分析模拟子模块根据输入的离线运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行仿真计算。

优选地，上述实现方法还包括：

所述模拟模块中的在线预测仿真子模块按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型，对水泥生产进行超实时仿真计算。

本发明的模拟系统对水泥厂运行在线安全监视、经济性计算、故障诊断提供仿真技术支持，提高水泥厂设备运行机理的分析能力；通过与实际设备同步运行，在线建立高精确度的仿真模型，为水泥厂安全运行水平的提高、分析设备性能和验证控制方案提供更丰富的依据；本发明的模拟系统可以根据实时采集的足够数据，重演历史运行过程和演绎真实系统未来的发展趋势。

附图说明

图1是水泥生产流程示意图；

图2是本发明实施例的水泥在线模拟系统示意图；

图3是本发明实施例的在线同步仿真与在线预测仿真的关系示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

水泥在线模拟系统可包括对生料制备、熟料烧成、水泥制成等系统的仿真，以5000t/d熟料干法生产线为例，具体可包括：

1、生料制备系统

(1)石灰石破碎及输送系统

仿真范围：重型板式喂料机，单段锤式破碎机、收尘器、排风机、离心通风机、电机、收尘器储气罐、皮带机、脉冲单机带收尘器、圆堆场堆取料机等。

(2)联合预均化堆场系统

仿真范围：筛煤皮带机、侧悬刮板取料机、皮带机等。以及各类辅助原料的预均化堆场，原煤堆场，各种堆料机、取料机、除尘器、胶带输送机等。

(3)原料调配及原料粉磨系统

仿真范围：皮带秤、收尘器收尘风机、转子秤、入磨皮带、粉煤灰库侧储气罐及所有空气炮、电动葫芦、烘干中卸原料磨等。

(4)生料入窑系统

仿真范围：罗茨风机、失重仓、皮带秤、充气卸料装置、环行区充气系统、空气输送斜槽、袋收尘器、换气风机、入窑提升机、空气压缩机、储气罐等。

(5)废气处理系统

仿真范围：增湿塔、电除尘器、各类风机、各类阀门等。

2、熟料烧成系统

仿真范围包括但不限于以下系统：

煤粉制备系统、窑尾预热分解系统、回转窑煅烧系统、窑头熟料冷却系统

仿真范围：旋风预热器、分解炉、回转窑、篦冷机、高温风机、引风机、冷却风机、密封风机、一次风机、燃油系统、煤粉燃烧器、回转挡轮、熟料槽式输送机、熟料库、煤磨、电除尘、其他风机与泵、油站、挡板、阀门等。

3、水泥制成系统

仿真范围包括但不限于以下系统：

破碎机熟料配料系统、水泥磨系统和水泥出库及包装系统

仿真范围：定量给料机、输送皮带、提升机、V型选粉机、辊压机、选粉机、收尘器、水泥磨、散装机、罗茨风机、装车机等。

4、配电系统

(1)10KV配电系统

仿真范围：高厂变、10KV母线、各段母线工作电源开关、备用电源开关等。

(2)400V配电系统

仿真范围：低压厂变及变压器高、低侧开关、400V母线、保安电源及400V厂用系统的所有保护、厂用低压接线以及控制、信号回路等。

5、控制系统

仿真范围：控制系统中的所有调节参数。

如图2所示，本发明实施例的水泥在线模拟系统包括：数据采集模块、数据校验模块、数据库、设备状态推算模块、在线自学习模块和模拟模块，其中，数据采集模块与数据校验模块相连，设备状态推算模块和在线自学习模块分别与数据校验模块和模拟模块相连，数据库分别与数据校验模块、设备状态推算模块和模拟模块相连；

下面对每个模块进行详细描述：

一、数据采集模块：

该模块实时采集水泥生产中各个生产设备的当前运行参数，也可以采用与分布式控制系统(DCS)和辅控系统共用数据采集系统的方法，并可以将采集到的当前运行参数以例外报告的形式UDP广播发布。另外会将采集到的当前运行参数保存到数据库中，以供查询，以及可以将历史数据作为离线仿真的输入数据。数据缓存至少保存15天的历史数据。

在线模拟系统通过数据采集，从而使模拟系统直接取得现场运行状态和操作动作，根据运行设备、系统的设计参数和特性参数建立的全物理过程数学模型进行计算，并为生产优化与分析系统、管理优化与决策系统等提供数据支撑。

二、数据库：

该模块包括历史数据库和实时数据库，其中历史数据库存储各个生产设备的历史运行参数，实时数据库存储各个生产设备的当前运行参数。另外，由于每种运行参数均具有其正常值范围、异常值范围等参数特性，所以数据库还存储了该方面的信息。

比如，以5000t/d熟料干法生产线为例，熟料烧成系统中，有如下重要参数：

1.高温风机速度：800-830转每分钟，作用是保证系统通风和风量，风煤料充分热交换。

2.分解炉喂煤量：出口温度在865度至875度，使碳酸盐充分分解，减轻窑负荷。

3.窑头喂煤量：在10.5至11.5吨，使物料在烧成带有充分的化学反应。

4.篦冷机一段速度：8至9次每分钟，熟料热量充分回收到窑内，提高烧成带温度。

5.篦冷机二段速度：12至14次每分钟，使熟料急冷，提高熟料性能。

6.篦冷机三段速度：16至18次每分钟，降低熟料温度，提高熟料易磨性。

7.窑头排风机速度：85％-95％控制窑头负压，把窑头废气排到大气中。

8.窑主电机电流：600到800A之间，反应物料在窑内的煅烧变化。

9.窑头一次风机压力：26-28kpa，通过调整风机转速保证输送煤粉稳定。

10.窑头喷煤风管压力：18--20kpa，反应头煤的实际下煤量。

11.窑尾喷煤风管压力：34--37kpa，反应尾煤的实际下煤量

12.窑尾气体分析仪：O₂含量2.0％--3.5％，CO₂含量小于0.2％，检测煤粉是否充分燃烧。

13.烟室气体分析仪：O₂含量2.0％左右，CO₂含量小于0.05％，检测煤粉是否充分燃烧。

14.罗茨风机：27A23电流95-105A 27A22电流95-105A 27A27电流135-145A 27A21电流135-145A，反应实际下煤量。

15.烟室温度：1050℃--1150℃，反应窑热工制度是否稳定。

上述参数为设备的正常值范围。相应地，上述参数也有异常值范围，比如高温风机速度在稳定运转的情况下，800转每分钟以下，或者830-1000转每分钟为异常值，表示该设备运转不正常。

三、数据校验模块：

由于采集到的数据可能是不合格数据即“坏值”，数据校验模块可以对数据采集模块采集到的当前运行参数进行检验。其依据就是上述数据库中各个参数的范围。当数据校验模块校验到采集到的数据既不是正常值，也不是异常值，那么就判断当前运行参数不合格，则用数据库中仿真分析得到值或历史仿真分析得到的值替代不合格的当前运行参数，而且还可以通过报警的方式提醒工作人员，并且通过在线工作站显示不合格的当前运行参数及其替代值的列表。如果校验合格，则将合格的当前运行参数发送至数据库、设备状态推算模块和在线自学习模块。

四、设备状态推算模块：

该模块对当前运行参数进行分析，将当前运行参数与数据库中设备运行参数的范围进行比对，确定当前各个设备的运行状态，比如正常态或者异常态，从而确定设备、设备的安全、经济水平，进行可以用于预测可能发生的故障，找出故障原因，分析设备状态，提出检修建议时间；另外通过分析巡检数据以及设备状态曲线可及时发现设备隐患。

五、在线自学习模块：

在线自学习模块通过物理、化学基本原理出发，如燃烧学、流体力学、传热学等等，根据当前运行参数，准确推算出当前工况下水泥厂运行设备和系统特性参数(数学模型的系数)，对现有的数学模型的系数进行修正，使模拟模块的仿真计算更贴近实际。

由于实际运行中的特性很难用单纯的理论来解释，理论值与实际工况会有部分误差，通过自学习，自动修正在线模拟系统系数，使仿真模型更能精确的代表实际工况。自学习模型是指基于基本物理、化学原理建立的数学模型，在实际工况运行过程当中实时修正数学模型系数，使仿真工况与实际工况在误差范围之内同步运行。

六、模拟模块

模拟模块可以根据实时共享数据库中设备当前工况或历史工况的数据及按照水泥生产的各个数学模型进行计算，建立与实际设备相同的运行工况，即具有将设备运行状态完全复制到模拟模块上的功能。

模拟模块具体包括：在线同步仿真子模块、离线分析仿真子模块和在线预测仿真子模块。

(一)在线同步仿真子模块

在线同步仿真子模块按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行同步仿真计算。

在线同步仿真模式是基本的运行模式，就是模拟系统在线获取现场操作指令同步进行仿真计算，除非在特殊情况下退出其运行，否则就一直连续在线运行。在线同步仿真子模块通过设备状态推算模块或者数据库不断接收来自现场的运行参数(包括操作状态信号和测量信号)，以此进行跟踪计算和分析。

对于在线同步仿真模式，仿真模型的起始工况与现场的运行工况必须一致。虽然在线仿真模型可以通过共享数据库的所有的现场控制状态和测量参数，但仿真模型中存在大量的过程量和中间量，它们无法从现场直接得到，所以必须进行在线仿真的初始化。基本实现方法是：在初始启动在线同步仿真时先从已经保存的初始工况中选择最接近当前工况的一个初始工况调入内存作为初始化计算的起点，这个调入的初始工况与现场实际运行状态可能有差异，此时对所有的仿真模型量(包括过程量和中间量)进行初始化，分析模型计算结果与水泥厂实际值(模拟量)的误差，当所有被检验值的误差小于误差要求且所有开关量状态与现场值完全一致时，认为初始化完成，实时在线同步仿真模型投入计算。

在线同步仿真模式下除了通过仿真模型计算被仿对象的各种参数和设备状态外，设备状态推算模块和在线自学习模块还同步运行，分析当前各个设备的运行状态，以及实时修正仿真模型。在线同步仿真模式一经启动，就开始记录历史数据，所记录的历史值供相关人员通过仿真界面查看趋势，也是进行历史工况分析和一些指标性参数计算的依据。历史数据的记录也为离线分析仿真模式下的返回追踪和操作记录重放提供数据，这是进行运行分析的重要手段。

在线同步仿真为在线的运行分析和故障诊断等功能提供了基础数据，在线同步仿真所记录的操作过程和历史工况是离线仿真分析的依据。

另外在线同步仿真子模块可以实现在线软测量。在线软测量技术是利用一些较易在线准确测量的辅助变量或分析化验的历史数据，通过在线分析，计算不可实时测量或难测量变量的一种方法。针对水泥厂的实际情况和需要，选取难以在线测量的物理量进行在线软测量，如生料细度、水泥比表面积。生料细度、水泥比表面积是水泥生产工艺中重要技术指标之一，目前现场采用离线取样化验的测量方法，滞后时间长，通过在线软测量，有利于操作人员及时调整运行方式，提高水泥产品质量，提高水泥生产的经济效益。

(二)离线分析仿真子模块

离线分析仿真子模块根据输入的离线运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行仿真计算。

虽然在线同步仿真是模拟模块的主要运行模式，但仅有在线同步仿真子模块并不能完全体现模拟模块的功能及效用。在线模拟系统除进行同步分析计算和实时的运行分析、故障诊断等功能外，还要实现对运行历史事件的分析、重大技术改造的预验证、应急事故处理规范的制定及运行模式的优化选择等功能。这些功能就是在离线分析仿真模式下进行的。

离线分析仿真模式就是模拟系统完全脱离现场运行数据而独立运行的方式。

离线分析仿真模式的启动初始工况由以下方式获得：

(1)把在线同步仿真的当前运行工况作为离线分析仿真的初始工况，即直接从共享内存中获得当前在线同步仿真的数据；

(2)初始工况(IC)，这是工程师或用户整理保持的各种运行工况下的标准初始状态；

(3)复位由在线同步仿真模式保存在历史数据库中的历史数据，历史数据的时间可以选择所记录任意历史时刻。

通过离线分析仿真子模块，可建立中控运行人员运行操作培训系统、生产管理人员运行管理培训系统、现场设备操作工就地操作培训系统、电气运行人员运行操作培训系统、热工人员控制系统研究分析系统、生产事故现象演示培训系统、生产事故处理演练培训系统、生产运行人员上岗考核系统、生产运行人员晋升考核系统等，通过相关人员在离线仿真机上进行相应的培训，提高相应操作水平。

(三)在线预测仿真子模块

在线预测仿真子模块按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型，对水泥生产进行超实时仿真计算。

在线预测仿真模式为运用仿真模型以超实时(Faster Than Real-time，快于实时)速度计算预测设备未来的运行状态。显然，通过对设备状态的预测可以预知设备运行的问题，提前提醒运行人员，从而及时纠正运行问题，防止严重事故或停机的发生。

如图3所示，在线预测仿真启动时，自动以Δt为周期，从共享内存中复制在线同步仿真的当前运行工况数据，对当前运行工况进行超实时计算，仿真预测从t0(当前时刻)到t0+ΔT时间段的运行状态。ΔT可以由工程师设定，范围通常为15分钟～1个小时，具体受计算机的运行速度和容量限制。Δt的范围通常为1分钟～10分钟。

综上所述，本发明可以实时地对当前状态进行仿真计算、分析与预警，为水泥厂安全、经济运行提供在线的、智能化的辅助信息。这些数据可以用于生产优化和管理优化，使水泥厂的管理和生产具有及时和科学的决策依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水泥在线模拟系统，其特征在于，包括：数据采集模块、数据校验模块、数据库、设备状态推算模块、在线自学习模块和模拟模块，其中，数据采集模块与数据校验模块相连，设备状态推算模块和在线自学习模块分别与数据校验模块和模拟模块相连，数据库分别与数据校验模块、设备状态推算模块和模拟模块相连；

所述数据校验模块用于按照数据库中设定的运行参数的范围，对数据采集模块采集到的当前运行参数进行检验，将合格的当前运行参数发送至数据库、设备状态推算模块和在线自学习模块；所述数据校验模块进一步用于，若在检验过程中判断当前运行参数不合格，则用数据库中仿真分析得到值或历史仿真分析得到的值替代不合格的当前运行参数；

2.如权利要求1所述的水泥在线模拟系统，其特征在于，

3.如权利要求1所述的水泥在线模拟系统，其特征在于，

4.如权利要求1所述的水泥在线模拟系统，其特征在于，

5.如权利要求4所述的水泥在线模拟系统，其特征在于，

6.一种基于权利要求1的水泥在线模拟系统的实现方法，包括：

模拟模块中的在线同步仿真子模块按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行同步仿真计算；所述模拟模块中的离线分析仿真子模块根据输入的离线运行参数和水泥生产的各个数学模型对水泥生产进行仿真计算；所述模拟模块中的在线预测仿真子模块按照当前运行参数和水泥生产的各个数学模型，对水泥生产进行超实时仿真计算。