CN103149887B - 一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，针对水泥生料粉磨过程中遇到的各种工况，由操作员根据自己经验给出负荷优化设定值，对粗粉仓和细粉仓分别采用磨音和细粉仓入口压力为主要的被控变量，进行带有前馈补偿的分段式PID控制，通过将粗粉仓控制回路的主控步长和监测步长的采样点间隔开的办法来实现解耦控制；采用专家系统来实时的调整控制器输入的死区限幅；对于控制算法的采样周期采用主控步长与监测步长相结合的方式；对于水泥生料粉磨这种扰动较多、负荷无法准确测量、喂料存在大延迟、各变量之间耦合比较严重的系统提供了一种科学有效的智能控制方法，从而提高水泥生料磨操磨的自动化程度，实现水泥生料粉磨系统的智能控制。

Description

一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，利用基于黑板模型的专家系统结构，处理生料粉磨过程中遇到的各种工况，同时协调粗粉仓和细粉仓料位的合理分配的一种智能控制方法。

背景技术

水泥生料粉磨是一个包含物质传输、(热量交换、)机械碾磨和两相流动的复杂工业过程。粉磨系统的控制难点主要在于过程延迟、内部耦合以及破碎粉磨过程固有的非线性。过程延迟主要在于成品粒度分析延迟以及物料传输延迟。耦合在于：1)选粉机转速不仅影响成品粒度，还会通过回粉流量影响磨机填充率(磨机负荷)；2)喂料流量的变化当然会影响磨机负荷，进而影响磨机出料流量，而磨机出料流量对于成品粒度也有一定影响。

同时磨机内部的填充率无法精确测量，现在采用的电耳和磨机主轴震动信号，都会比较容易受到外界干扰，同时信噪比比较小，应用并不理想，现在只是作为操作员的一个参考信号，但是它是反映磨机是否发生堵磨等异常工况的重要参数。工业生产现状是磨机通常工作在远离最优工作点的区域，以保证不堵磨，所以磨机的出力总是达不到最大。同时水泥生料的粒度不能在线检测，只能通过实验室每1～2小时左右进行一次筛余测试，因此水泥生料质量波动很大。

中卸式水泥生料磨系统的控制难点主要集中在以下几个方面：1)现场采集数据的信噪比较小，无法对操作变量、被控变量的数据进行正常的使用，需要进行滤波等技术处理。2)由于喂料对磨机料位的控制存在大延迟，很难及时对磨机料位进行调整，需要采取预测和补偿的方式对喂料进行提前控制。另外，需要选择合适的控制步长，既要保证控制的及时性，又不能对喂料操作过于频繁，对设备造成损害，减少设备使用寿命，同时频繁的调节喂料也会影响整个生料粉磨系统的稳定运行。3)中卸式水泥生料磨的粗粉仓和细粉仓相互存在耦合，需要对两个料仓进行协调控制。4)要在保证粗粉仓和细粉仓都不堵磨的前提下，要求粉磨系统的产量尽量提高，实现磨机负荷的最优化，以降低单产能耗。5)在实际运行过程，会出现各种复杂的工况，其中比较严重的就是堵磨工况，要对各工况进行辨别，针对各种工况进行相应操作控制，同时要在堵磨之前采取及时的调整和保护措施，保证不发生堵磨。

在工业现场工作的控制设备时常会产生电磁脉冲，这种电磁脉冲的宽度极窄，幅值极大，因此，这种干扰只影响个别采样数据，并且受干扰的采样数据与相邻的采样数据相差极大。如果采用算术平均值法或滑动平均值法，受干扰的采样数据将会对计算结果产生较大的影响，并不能起到很好的抗干扰效果。

在工厂的实际操作运行当中，操作员主要是采取被动式修复的策略，即磨机运行一段时间后，如果发现磨机运行异常，或异常趋势明显时，采取动作，一般前后两次操作的时间间隔较长，这种操作方式很难实现对磨机运行的及时调整，尤其是夜班生产，操作员的集中力下降，很容易出现磨机运行状态的大幅波动，由于调整不及时，甚至会导致磨机停机重启，严重时会发生堵磨。出现这种情况的主要原因之一是DCS中提供的数据趋势曲线，没有经过滤波处理，信噪比比较小，导致趋势在短时间内无法正确分辨，另外也存在人工操作的速度比较慢的问题，操作员不可能短时间内不断地对磨况进行判断，然后做出调整。但是，两次操作时间间隔长一点有一种好处，就是能够保持磨机的平稳运行，因为物料从配料料斗出来，经过皮带称、传送带、提升机、以及物料在磨内的停留时间，存在很大的一段时间延时，如果频繁修改操作量，会导致磨机运行不稳。

水泥生料磨的负荷优化除了考虑料位要运行在磨机的最大出力点，实际生产中还有一个比较重要的因素要考虑进去，那就是粉磨系统的稳定运行状况，因为粉磨系统是一个大滞后、强耦合、非线性的系统，系统稳定下来需要很长的时间，少则10几分钟，多则一个小时，甚至更长时间，如果磨机不能够很稳定的运行，最终将影响生料的合格率，同时磨机主轴震动会比较厉害，增加耗电量和磨损。当磨机喂料不断向最优点优化调整的过程，常常会打破原来系统的稳定运行状态，有时这种调整会得不偿失。

现在工业现场大多是用电耳听到的磨音来判断磨机填充率。一般都会以磨音作为被控制变量，以喂料作为操作变量(磨音与磨机填充率是反比关系)，例如：在14:56:00时磨音升高，反映磨内料位较低，而当时的磨音设定值为43％，因此要增加喂料量，来调整磨机的料位，使磨音回到设定值。在实际操作中，我们发现直到16:28:00时，磨音开始平稳，出磨提升机电流也开始平稳，说明磨机的运行状态趋于稳定了。在这个过程中用了1小时32分，由于磨机本身的喂料机构不能进行频繁的操作，至少要2分钟调节一次，另外，生料磨系统本身的非线性、大延迟的特点，最终导致磨机重新恢复平稳运行状态，需要很长时间，在这段时间内，喂料的不断调整，会使系统的料位波动很大，磨机的主电机电流波动也很大，最终会造成磨机用电量的升高，浪费很多电能，也会影响磨机的使用寿命，最终还会影响成品的的合格率。所以，有时为了使磨音向设定值靠近，而改变喂料量，就会破坏粉磨系统现有的稳定运行状态，会消耗更多电能。因此，系统的稳定运行状态成为粉磨系统优化控制必须要考虑的一个因素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)DCS系统通过OPC服务器采集主要技术数据并进行滤波处理，再上传至专家系统；专家系统对滤波后的数据进行检验；

步骤2)专家系统根据水泥生料粉磨系统反馈的技术数据进行工况辨识，并将专家系统设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值发送至DCS系统；

步骤3)将设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值的限幅和选择的模式反馈至专家系统；如果选择自动模式，则执行步骤4)；如果选择手动模式，则执行操作员人为设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值；

步骤4)专家系统将设定的磨音设定值和细粉仓入口压力设定值作为参考值，将水泥生料粉磨系统磨音的检测值和细粉仓入口压力的检测值作为反馈值，利用带有前馈补偿的分段式PID控制方法构成双闭环反馈系统，实现系统的自动控制；

步骤5)对闭环反馈系统输出的数据进行检验。

所述步骤1)、2)中的技术数据为水泥生料粉磨系统反馈到专家系统的数据，包括：磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流、选粉机电流、入库提升机电流、循环风机功率、主电机功率、喂料量反馈值、分料阀开度反馈值。

所述步骤1)中滤波处理包括以下步骤：

步骤1-1)对整个采样周期的数据进行比较，去掉其中的最大值的M个值和最小值的M个值；

步骤1-2)将(N-2×M)个数据进行平均计算；

其中，N＞(2×M)，N为整个采样周期的数据的总个数；M为抗强干扰参数，根据试验设定；

步骤1-3)输出计算后的平均值；

所述专家系统对滤波后的数据进行检验时采用死区限幅的方式进行检验。

所述步骤2)中工况辨识包括以下步骤：

专家系统根据DCS系统反馈的主要技术数据分出具体的工况；

如果工况为堵磨工况，则紧急停车；

如果工况为异常工况，则进行应急状况处理，使其返回至正常工况；

如果工况为正常工况，则返回步骤3)。

所述带有前馈补偿的分段式PID控制器方法，包括：

磨音带有前馈补偿的分段式PID控制方法，磨音设定值与磨音反馈值相减构成磨音控制器的输入，通过可切换的磨音控制器转化为喂料量的参考值，与喂料量补偿相加成为喂料量的执行值去控制球磨机；

细粉仓入口压力带有前馈补偿的分段式PID控制算法，细粉仓入口压力设定值与细粉仓入口压力反馈值相减构成分料阀开度控制器的输入，通过可切换的控制器转化为分料阀开度的参考值，与分料阀开度补偿相加成为分料阀开度的执行值去控制球磨机。

所述磨音控制器包括：

如果磨音误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器1；

如果磨音误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器2；

其中，磨音误差值＝磨音设定值-磨音反馈值；

所述喂料量补偿是根据选粉机电流的变化率经过喂料量补偿控制器计算得到的，其中，喂料量补偿控制器为PID控制器；

所述分料阀开度控制器包括：

如果细粉仓入口压力误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器3；

如果细粉仓入口压力误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器4；

其中，细粉仓入口压力误差值＝细粉仓入口压力设定值-细粉仓入口压力反馈值；

所述分料阀开度补偿量是根据出磨提升机电流的变化率经过分料阀开度补偿控制器计算得到的，其中，分料阀开度补偿控制器为PID控制器。

所述磨音反馈值的采样周期采用主控步长与监测步长相结合的方式：

主控步长＝物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间+调节时间；

监测步长＝磨内物料停留时间+调节时间；

主控步长＝n*监控步长。

其中，n为大于1的整数，调节时间是根据物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间决定的；

所述细粉仓入口压力反馈值的采样周期采用主控步长一种时间长度。

所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括解耦控制，具体为根据磨音反馈值与细粉仓入口压力反馈值的主控步长采样点的采样时间不同，将两个控制回路在时间上错位，分别进行喂料量和分料阀开度的控制。

所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括对磨音设定值死区限幅，具体为将出磨提升机电流及其变化率分别分为4个等级，根据等级和加料/减料的不同，改变相应的死区限幅；

其中，加料/减料是根据磨音误差值e判断的，判断步骤包括：

步骤1)e＝磨音反馈值-磨音设定值；

步骤2)当e＞0时，控制器1/控制器2输出为减料；

当e＜0时，控制器1/控制器2输出为加料；

所述步骤5)中的检验包括：

执行周期的检验：在执行周期内设备只执行1次；

进行变量输出限幅：对喂料量的执行值和分料阀开度的执行值设定限幅。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明主要针对中卸式水泥生料磨+选粉机的水泥生料粉磨系统，利用基于黑板模型的专家系统结构，通过与现场操作员和工程师的相互协调，处理生料粉磨过程中遇到的各种工况，同时协调粗粉仓和细粉仓料位的合理分配，以及粉磨系统的平稳运行。从而提高水泥生料磨操磨的自动化程度，实现水泥生料粉磨系统高效、稳定的运行。

2.本发明提出了采用抗强干扰的滑动滤波方法对数据进行滤波，同时通过现场调试总结，对不同的变量确定了合理的滤波参数，有效地删除了原来DCS数据中存在的干扰和病态数据，使操作变量、被控变量的数据趋势曲线更加平滑可控。

3.本发明提出主控步长与监测步长相结合的采样方式，在一个主控步长的采样周期内又重新以监测步长为周期进行划分，主控步长进行粗粉仓控制回路的计算，监测步长负责监测在一个主控步长的采样周期内是否有异常工况发生。使控制器可以平稳的对磨内物料进行调整，同时也能及时的对磨内物料的较大波动进行监控，防止堵磨和空磨等异常工况的发生。

附图说明

图1是本发明的中卸式水泥生料磨系统智能控制方法结构示意图；

图2是本发明的中卸式水泥生料磨+选粉机的水泥生料粉磨工艺流程图；

图3是本发明的水泥生料粉磨控制系统的网络结构图；

图4是本发明的生料粉磨DCS监控画面；

图5是本发明的控制系统基本处理流程图；

图6是本发明的抗强干扰滑动滤波方法计算流程图；

图7是本发明的DCS中未经过处理的细粉仓入口压力曲线图；

图8是本发明的经过滤波处理的细粉仓入口压力曲线图；

图9是本发明的专家系统总体结构图；

图10是本发明的粗粉仓控制回路结构图；

图11是本发明的细粉仓控制回路结构图；

图12是本发明的基于黑板模型的专家系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出了基于黑板模型的专家系统结构，针对水泥生料粉磨过程中遇到的各种工况，采取专家系统与现场工程师和操作员协调解决问题的方式；对具体工况进行具体的操作控制。对粗粉仓和细粉仓分别采用磨音和细粉仓入口压力为主要的被控变量，进行前馈补偿的分段式PID控制；针对粗、细粉仓的耦合作用，巧妙把两个回路的采样点间隔开，通过各自PID本身的调节修正作用，来解决耦合问题；实时判断粉磨系统当前时间段内是否处于稳定、高效的运行状态，再选择对喂料进行调整，避免频繁操磨，尽量保证粉磨系统的平稳、高效运行。

本文中所有数据都是依据2500吨/日的中卸式生料磨生产线的现场数据。

如图2所示，其中实线为物料的线路，虚线为风路的线路。本发明是一个中卸式水泥生料磨+选粉机的水泥生料粉磨控制系统的控制和优化方法。首先，水泥生料配料经过称重皮带秤按比例下料到传送皮带上，经过皮带传送，从磨机粗分仓的入料口，进行喂料，粗粉仓内主要是钢球，它的任务是对粒度比较大的料进行粉磨，经过粗粉仓粉磨的物料，从中卸式球磨机的中间出料口流出，经由出磨提升机，把料填入选粉机，经过选粉机的分选，粒度合格的物料经过入库提升机，进入生料均化库。粒度大的物料返回磨机重新粉磨，其中选粉机的回料被分料阀分成两部分，一部分进入粗粉仓，另一部分进入细粉仓，两部分物料经过分料阀进行合理分配，细粉仓内装的是钢锻，主要是对粒度比较小的物料进行粉磨，细粉仓的物料也由磨的中间出料口流出，经由出磨提升机，把料填入选粉机，进入新的循环。另外，粗粉仓和细粉仓会分别有一次风吹入，一次风能有助于物料在磨机内的流动。一次风从中卸口吹出，进入选粉机，最后从选粉机出来的风会进入高浓度旋风收尘器，从收尘器吹出的风一部分排出，一部分重新回到选粉机，作为循环的二次风。

系统的网络结构图如图3所示，基础DCS通过Ethernet与工程师站和操作员站进行通讯，中卸式水泥生料磨控制系统(专家系统)通过OPC(OLE for ProcessControl)与DCS(Distributed Control System)系统中的工程师站和操作员站进行通讯。如图3所示，对于粉磨系统中的具体问题可以通过专家系统给出控制策略，专家系统的最终控制决策要通过操作站来具体实施，专家系统将操作变量的数值通过OPC写入到操作员站的DCS画面的输入文本框中，等待执行。操作员可以根据实际情况选择是否执行专家系统的决策。还可以对专家系统做出的决策进行一些限制和修正，同时，计算机会把操作员的决策通过OPC通讯反馈给专家系统。例如图4为某工厂的操作画面：控制系统采用Client/Server(客户端/服务器)体系结构的OPC通讯方式，实现专家系统与操作员站和工程师站的数据通讯，专家系统会对任务给出最优解，由操作员具体决定是否投运自动控制；同时根据具体情况对喂料量和分料阀开度的上下限进行修改。现场的工艺工程师通过对一段时间内的磨机运行情况对磨音设定值和细粉仓入口压力设定值进行修改。操作员和工程师的专家意见会通过OPC反馈给专家系统，作为专家系统的一个具体参数参与控制。控制系统的基本处理流程如图5所示。

1、数字滤波

根据现场数据的动态形式和它本身的特性，要选择不同滤波方式对数据进行滤波。本系统采用了一种抗强干扰的滑动滤波方法对中卸式水泥生料磨系统所需的数据进行滤波。

抗强干扰的滑动滤波方法的基本思想是：对整个采样周期的数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后将剩余的N(窗口宽度)-2*M(抗强干扰参数)个数据进行平均计算(其中N＞2*M)。

在实际应用中，为了加快计算速度，窗口宽度的取值不宜太大，太大会导致数据的滞后延时，窗口宽度的取值也不能太小，太小不能起到很好的滤波效果。同样抗强干扰参数的取值也不宜太大，太大会使滤波结果失真，也不宜太小，太小不能完全去除数据趋势曲线中的毛刺，导致数据无法正常使用。当抗强干扰参数为0时，就相当于滑动平均的算法。抗强干扰的滑动滤波方法可以通过图6所示的程序流程图来实现。如图7和图8所示，未经处理的数据存在大量毛刺和跳变，根本没法用作控制，经过处理的曲线平滑，不存在病态数据，为以后的控制提供了可靠的数据基础。

通过现场的不断调整和测试，其中主要的参数如表1：

表1数字滤波参数表

变量名称	窗口宽度	抗强干扰参数
			喂料量反馈值	100	10
选粉机转速反馈值	6	1
			循环风机转速反馈值	6	1
电耳磨音反馈值	100	10
			磨机主电机功率反馈值	10	2
出磨提升机电流反馈值	20	2
			选粉机电流反馈值	6	1
生料磨出口风压反馈值	100	10
			入库提升机电流反馈值	60	1
粗粉仓入口压力反馈值	6	1
			细粉仓入口压力反馈值	100	10
选粉机出口压力反馈值	6	1

2、数据输入检验

由于生料粉磨系统的控制主要看一段时间的大体趋势。因此，短时间的波动并不能代表被控变量的变化，所以专家系统对滤波后的采样数据再进行检验，主要采取死区限幅的方式。对于波动比较小的数据不再重新进行采集，而认为是上一时刻的数据并没有改变。

死区限幅是对技术数据的上下波动给出了一个范围，在这个范围内的数据变化忽略。即形成一条死区。

表2数据输入死区限幅表

	死区(绝对值)
		磨音	0.3
细粉仓入口压力	20
		出磨提升机	0.1

3、控制算法

本发明灵活的运用专家系统和现场工程师、操作员协同解决问题的方式。针对水泥生料粉磨过程中遇到的各种工况，对控制算法和控制参数进行修正，对于特殊工况，采取特殊的措施。

专家系统的总体设计如图9所示，首先是对生料粉磨系统的各种工作状态进行总结，通过对磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流、选粉机电流、入库提升机电流、循环风机功率、主电机功率、喂料量反馈值、分料阀开度反馈值等检测量的监测，判断目前粉磨系统处与什么工作状态。粉磨系统工况分为3种：正常工况、异常工况、堵磨工况(接近堵磨状态，需要紧急处理)。

表3生料粉磨系统工况表

	正常工况	异常工况	堵磨工况
				喂料量反馈值	＜200t/h	＞200and＜210t/h	＞210t/h
选粉机电流反馈值	＜220A	＞220and＜250A	＞250A
				循环风机功率反馈值	＜550KW	＞550and＜700KW	＞700KW
电耳磨音反馈值	＞36％	＞32and＜36％	＜32％
				磨机主电机功率反馈值	＜3000KW	＞3000and＜3300KW	＞700KW
出磨提升机电流反馈值	＜140A	＞140and＜160A	＞160A
				生料磨出口风压反馈值	＞-2800Pa	＞-3300and＜-2800Pa	＜-3300Pa

选粉机出口压力反馈值

＞-7000Pa

＞-7500and＜-7000Pa

＜-7500Pa

当生料粉磨系统处于堵磨工况时，要紧急停车；当处在异常工况时要进行紧急处理，使它能快速恢复到正常工况；当处于正常工况时，就可以进行下面的控制。

3.1算法执行的采样周期

本发明综合考虑两种因素，从现场的不断测试和摸索中，对控制算法的采样周期做了大胆的改进，提出主控步长与监测步长相结合的采样方式对磨机进行监控。

主控步长＝物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间+调节时间

监测步长＝磨内物料停留时间+调节时间

主控步长＝n*监测步长

其中：n为大于1的整数；主控步长大于监测步长，主控步长负责对磨内物料的负荷进行优化，监测步长负责对整个主控步长的周期内物料变化进行监测，以防止发生堵磨和空磨状况的发生。

在中卸式水泥生料磨控制系统中，有两个主要的被控变量：磨音和细粉仓入口压力。磨音主要反应粗粉仓磨内的填充量，即磨机粗粉仓负荷，对磨音的控制采用两种步长结合的方式。最后现场调试得到：

表4粗粉仓采样周期表

	主控步长	监测步长
			磨音	1200S	80S

细粉仓入口压力主要是反应细粉仓的填充量，即磨内细粉仓的负荷，采用正常的控制步长进行控制。根据磨机细粉仓的运行规律和延迟时间，最后经过现场调试得到：

表5细粉仓采样周期表

	控制步长
		细粉仓入口压力	80S

3.2主要控制方法

3.2.1粗粉仓控制方法

如图10所示，粗粉仓控制方法主要以磨音为被控变量，同时以选粉机电流为前馈补偿变量，以喂料量作为操作变量进行控制，其中采用了分段式控制方式对控制器进行切换。反馈的数值的采用周期采用监控步长的时间长度，并与设定值进行比较，及时的监测磨内的变化状况。控制回路中操作变量的执行采用主控步长的时间长度，主要是为了操作不至于太频繁。

控制器采用分段式PID控制策略：设磨音设定值为Ear_set；磨音反馈值为Ear_back；喂料量为Feed_val；补偿喂料量为Feed_val_comp；选粉机电流变化量为ΔFilter_cur，磨音误差值为Ear_err。

1.在执行PID控制之前，要对所有项进行初始化，即Ear_err(k-1)＝0；Ear_err(k-2)＝0。

此控制过程为知识源KS3。

2.控制器1为粗粉仓控制回路中的主控制器，为控制回路中的默认控制器，其计算过程如下：

Ear_err(k)＝Ear_set(k)-Ear_back(k)；

Δu(k-1)＝Kp_1*(Ear_err(k)-Ear_err(k-1))+Ki_1*Ear_err(k)

+Kd_1*(Ear_err(k)-2*Ear_err(k-1)+Ear_err(k-2))；

Feed_val(k)＝Feed_val(k-1)+Δu(k-1)+Feed_val_comp。

此控制过程为知识源KS1。

3.控制器2为粗粉仓控制回路中的副控制器，当磨音的变化值超过切换阈值时，切换开关打到副控制器，计算过程如下：

Ear_err(k)＝Ear_set(k)-Ear_back(k)；

Δu(k-1)＝Kp_2*(Ear_err(k)-Ear_err(k-1))+Ki_2*Ear_err(k)

+Kd_2*(Ear_err(k)-2*Ear_err(k-1)+Ear_err(k-2))；

Feed_val(k)＝Feed_val(k-1)+Δu(k-1)+Feed_val_comp。

此控制过程为知识源KS11。

4.根据选粉机电流的变化率，通过补偿控制器对喂料量进行补偿：

Feed_val_comp＝Kp_5*(ΔFilter_cur(k)-ΔFilter_cur(k-1))

+Ki_5*ΔFilter_cur(k)。

此控制过程为知识源KS13。

表6粗粉仓PID控制器参数表

	Kp	Ki	Kd	备注
					主控制器1	3	3	1	主副控制器切换阈值：磨音偏差大于3％。
副控制器2	0.09	0.09	0.008
					补偿控制器5	0.005	0.004	-

3.2.2细粉仓控制方法

如图11所示，细粉仓控制方法主要是以细粉仓入口压力做为被控变量，对分料阀进行调节，同时根据提升机电流对分料阀开度进行补偿，由事件激励的知识源执行补偿。

控制器采用分段式PID控制策略：设细粉仓入口压力设定值为Pres_set；细粉仓入口压力反馈值为Pres_back；分料阀开度为Valve_val；补偿分料阀开度为Valve_val_comp；出磨提升机电流变化量为ΔElev_cur，细粉仓入口压力误差值为Pres_err。

1.在执行PID控制之前，要对所有项进行初始化，即Pres_err(k-1)＝0；Pres_err(k-2)＝0。此为控制过程知识源KS4。

2.控制器3为细粉仓控制回路中的主控制器，为控制回路中的默认控制器，计算过程如下：

Pres_err(k)＝Pres_set(k)-Pres_back(k)；

Δu(k-1)＝Kp_3*(Pres_err(k)-Pres_err(k-1))+Ki_3*Pres_err(k)

+Kd_3*(Pres_err(k)-2*Pres_err(k-1)+Pres_err(k-2))；

Valve_val(k)＝Valve_val(k-1)+Δu(k-1)+Valve_val_comp。

此控制过程为知识源KS2。

3.控制器4为细粉仓控制回路中的副控制器，当细粉仓入口压力的变化值超过切换阈值时，切换开关打到副控制器，则计算过程如下：

Pres_err(k)＝Pres_set(k)-Pres_back(k)；

Δu(k-1)＝Kp_4*(Pres_err(k)-Pres_err(k-1))+Ki_4*Pres_err(k)

+Kd_4*(Pres_err(k)-2 *Pres_err(k-1)+Pres_err(k-2))；

Valve_val(k)＝Valve_val(k-1)+Δu(k-1+)+Valve_val_comp。

此控制过程为知识源KS12。

4.根据选粉机电流的变化率，通过补偿控制器对分料阀开度进行补偿：

Valve_val_comp＝Kp_6*(ΔElev_cur(k)-ΔElev_cur(k-1))

+Ki_6*ΔElev_cur(k)。

此控制过程为知识源KS14。

表7细粉仓PID控制器参数表

	Kp	Ki	Kd	备注
					主控制器3	0.09	0.09	0.008	切换阈值：细粉仓入口压力偏差大于80Pa。
副控制器4	0.2	0.26	0.01
					补偿控制器6	1	0.8	-

3.2.3解耦控制的实现方法

对粗粉仓调整的过程中，由于料流的改变，就会影响细粉仓的负荷，细粉仓负荷设定值的改变也会造成粗粉仓料流的改变，粗、细粉仓的负荷存在耦合关系，这种耦合关系与整个系统中的喂料量，分料阀开度，粗、细粉仓的料位、风压，选粉机的转速，循环风机的转速等都有密切的关系，解耦控制器的设计很困难，也很难满足现场的要求，本发明巧妙的运用了粗、细粉仓控制步长采样点的采用时间不同，而将两个控制回路在时间上错位，利用错开的时间差，通过PID本身的调节作用，来解决相互之间的冲突，如上节介绍的，当粗粉仓控制回路在16时25分25秒执行喂料的操作时，细粉仓控制回路会在16时26分5秒时执行分料阀开度的改变，期间错开40s，由PID自行修正。

3.2.4基于专家规则的控制器输入死区限幅

本专利通过对现场工作人员和专家经验的总结，积累了一些专家经验，能够合理的平衡磨机在最大出力点附近工作和粉磨系统稳定运行之间的矛盾。

对于粗粉仓控制回路的磨音设定值，由操作员根据经验来设定。但当前采样时刻是否向磨音设定值进行调整，则由专家系统决定。由于出磨提升机电流处在整个粉磨系统中比较重要的一个中间环节，它连接了磨机和选粉机，而且出磨提升机的电流检测很准确，所以，本发明将出磨提升机电流作为粉磨系统负荷大小的一个衡量参数，它的变化率作为粉磨系统是否运行平稳的一个衡量参数。由这两个变量共同决定喂料是否需要向磨音设定值的目标调整。这样做的目的是，在调整喂料量使粗粉仓的负荷达到磨音设定值时，最大限度的保证粉磨系统的整体运行稳定。首先将出磨提升机电流及其变化率分别分为4个等级，根据等级的不同，改变相应的死区限幅。死区越窄控制器越敏感，死区越宽，控制器就是越迟钝。

e＝磨音反馈值-磨音设定值

当e＞0时，为E1，此时控制器1/控制器2输出为减料；

当e＜0时，为E2，此时控制器1/控制器2输出为加料。

表8死区限幅等级表

从表中可以看出，当粉磨系统的出磨提升机电流处在120～140A区域，且变化比较稳定(1％以内)时，说明系统稳定，但出磨提升机电流较大，需要向小调整，所以E1比较小，E2比较大，只减料，不加料；其它状态，由于系统处在一个高位，再高可能就要报警，所以需要减料让系统负荷降下来。当出磨提升机电流处在100～120A区域，且变化比较稳定(3％以内)时，是最佳状态，此时，即使磨音没能达到设定值，或离的还较远，但不需要调整操作变量(喂料量)，因为此时生料磨系统稳定、高效，不要轻易的破坏系统的平衡，除非磨音达到了警戒位置；其它状态，由于粉磨系统还不稳定，所以还是需要调整来让粉磨系统稳定下来。当出磨提升机电流处在80～100A区域，且变化比较稳定(3％以内)时，此时虽然比较稳定，但是出磨提升机电流偏低，可以适当的加料，让负荷增大一点；其它状态正常调整。当出磨提升机电流处在0～80A区域时，系统的负荷还比较小，无论系统稳定还是不稳定，都需要增加喂料，提高系统的负荷。

软件实现：

本发明的软件实现是参照黑板模型的专家系统结构来设计的，如图12所示，基于黑板模型的专家系统分为三部分：黑板(BB)、知识源(KS)和控制机构。首先通过OPC服务器对DCS系统中的主要技术数据(磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流、选粉机电流、入库提升机电流、循环风机功率、主电机功率、喂料量反馈值、分料阀开度反馈值)进行滤波上传、专家系统通过工况辨识，区分出具体的工况，然后依照相应工况的操作规则，专家系统调用工程师站、操作员站的具体操作参数和要求，结合专家系统的参数设定，共同的协调解决问题。其中工程师站的信息参数(磨音的设定值、细粉仓入口压力的设定值)、操作员站的信息参数(喂料的手/自动运行、喂料量的最大/最小限幅、分料阀的手/自动运行、分料阀开度的最大/最小限幅)、以及专家系统的一些参数(运行状态、报警参数、切换阈值、控制参数)都统一汇总到黑板上，控制机构中的监控程序对黑板中的信息不断进行扫描，如果有信息发生变化，控制机构则采用数据驱动的方式，对相应事件进行驱动。

基于黑板模型的专家系统的控制算法执行过程：

一、根据上文1数字滤波中介绍的方法对DCS数据的反馈值进行滤波，根据上文2输入数据检验的方法对磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流进行死区限幅，经过处理的DCS数据汇总到黑板上。操作员根据经验对负载(磨音)和细粉仓的入口压力的期望值进行估算，估算结果(负载设定值、细粉仓入口压力设定值)显示到黑板上。操作员根据自己的操作经验，对一段时间内的操作变量(生料喂料量、分料阀开度)的调控幅度进行限制，同时操作员有对专家系统的最终运算结果是否采用的决定权，在这里反应为手/自动状态(当操作员在监控画面上打自动时，意味着专家系统的最终运算结果被采用)，操作员站的手/自动状态和限幅信息都显示到黑板上。在算法执行过程中，由于涉及通讯的问题，所以对专家系统是否运行设定了运行状态，磨音和细粉仓入口压力是分别对粗粉仓和细粉仓填充率的反应，所以当这两个值超出一定范围时，就意味着要发生堵磨，所以对它们分别设定了警戒位。运行状态、警戒参数、切换阈值、控制器参数全部显示在黑板上。黑板上所有的数据都是实时进行更新的。

二、控制机构中的监控程序会对黑板上的数据更新进行监控，当条件部中的某些条件满足时，控制机构会以数据驱动的方式对下文中的相应事件进行驱动，当某个事件的条件符合，该事件就会激发，同时将该事件放到调度队列中，等待调用；调度程序调用调度队列中排在前面的事件，执行该事件所激发的所有知识源(KS)；同时根据知识源的执行情况会将信息反馈回控制机构，作为新的条件，对相应的事件进行激发。在事件的执行过程中，存在着知识源执行先后的冲突，这时根据冲突消解器中的知识源等级进行先后排序，等级越高，就要优先执行。

三、知识源被激发后，会调用相应参数，执行该知识源。当某个知识源执行完毕后，返回给控制机构一个信息，用于判断该事件是否完成。经过一个或几个知识源的执行，控制系统会给操作变量(喂料量执行值、分料阀开度执行值)一个最优的操作值，操作值会在黑板上进行更新。

四、喂料量执行值、分料阀开度执行值经过OPC通讯接口，传递到操作员站的DCS监控画面上，等待调用。操作员会对现场情况和执行值进行综合判断，通过手/自动按钮决定执行值是否可以被采用。

下面对黑板中的主要参数进行定义，并对专家系统的规则进行描述。从OPC接口得到的DCS数据反馈值：

磨音反馈值：BB4_1；

细粉仓入口压力反馈值：BB4_2；

出磨提升机电流反馈值：BB4_3；

选粉机电流反馈值：BB4_4；

入库提升机电流反馈值：BB4_5；

循环风机功率反馈值：BB4_6；

主电机电流反馈值：BB4_7；

喂料量反馈值：BB4_8；

分料阀开度反馈值：BB4_9。

知识源：

KS1：喂料进入自动化运行状态，调用参数，根据需要执行粗粉仓的主PID回路运算。

KS2：分料阀进入自动化运行状态，调用参数，根据需要执行细粉仓的主PID回路运算。

KS3：当负荷(磨音)设定值进行修改时，粗粉仓的主PID回路进行参数的初始化，重新进行计算。

KS4：当细粉仓入口压力设定值进行修改时，分料阀的主PID回路进行参数的初始化。重新进行计算。

KS5：停止对喂料的优化运算，将BB4_8的值不断赋予粗粉仓回路的喂料初始项，用于下次运算的重置。

KS6：停止对分料阀的优化运算，将BB4_9的值不断赋予细粉仓回路的分料阀开度初始项，用于下次运算的重置。

KS7：主动减小细粉仓入口压力设定值，每个采样周期减小20Pa。

KS8：主动增加细粉仓入口压力设定值，每个采样周期增加20Pa。

KS9：主动减小粗粉仓磨音设定值，每个采样周期减小2％。

KS10：主动增加粗粉仓磨音设定值，每个采样周期增加2％。

KS11：粗粉仓控制回路主副PID进行切换。

KS12：细粉仓控制回路主副PID进行切换。

KS13：启动粗粉仓的补偿控制回路，利用选粉机电流变化对分料阀开度进行补偿。

KS14：启动细粉仓的补偿控制回路，利用出磨提升机电流变化对喂料进行补偿。

KS15：紧急停磨。

KS16：喂料以每个执行周期减小10t/h的速度减料直至磨音恢复正常。

KS17：分料阀以每个采样周期增加5％的速度增加，直至细粉仓入口压力恢复正常。

KS18：输出值限幅。

冲突消解器：

当两个或几个知识源同时激发时，需要进行冲突消解，知识源一般按等级的高低顺序执行，等级高的优先执行，知识源执行完成后，会出现新的事件，对新的事件激励的知识源再重新按等级高低执行。对于同一级别的知识源可以同时执行。总的原则是先保证细粉仓，然后是粗粉仓；先保证安全，然后是增产。

表9知识源等级表

4、数据输出检验

4.1执行周期

处于对现场设备的保护，保证不会频繁动作，要对每个设备进行保护，在执行周期内设备不会执行2次。主要的执行设备的保护周期如下：

表10执行设备保护周期表

	执行周期	备注
			下料称	20S
分料阀	10S

4.2输出限幅

4.2.1、技术性限幅

在执行变量输出时，由于对输出变量的技术性保护，防止输出变量的值频繁变化，影响整个粉磨系统的稳定性，所以会使用技术性限幅。

表11技术性限幅表

	限制幅度	备注
			喂料量	1t/h
分料阀开度	3％

4.2.2、强制限幅

处于对现场操作员操作的灵活性，给操作员更大的控制权利，所以在DCS监控画面上设置强制限幅。

表11强制限幅表

	上限(MAX)	下限(MIN)	备注
				喂料量	195t/h	160t/h
分料阀开度	60％	0％

Claims (9)

1.一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于包括以下步骤： 

步骤1)DCS系统通过OPC服务器采集主要技术数据并进行滤波处理，再上传至专家系统；专家系统对滤波后的数据进行检验； 

步骤2)专家系统根据水泥生料粉磨系统反馈的技术数据进行工况辨识，并将专家系统设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值发送至DCS系统； 

步骤3)将设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值的限幅和选择的模式反馈至专家系统；如果选择自动模式，则执行步骤4)；如果选择手动模式，则执行操作员人为设定的喂料量执行值和分料阀开度执行值； 

步骤4)专家系统将设定的磨音设定值和细粉仓入口压力设定值作为参考值，将水泥生料粉磨系统磨音的检测值和细粉仓入口压力的检测值作为反馈值，利用带有前馈补偿的分段式PID控制方法构成双闭环反馈系统，实现系统的自动控制； 

步骤5)对闭环反馈系统输出的喂料量和分料阀开度进行检验； 

所述步骤1)中滤波处理包括以下步骤： 

步骤1-1)对整个采样周期的数据进行比较，去掉其中的最大值的M个值和最小值的M个值； 

步骤1-2)将(N-2×M)个数据进行平均计算； 

其中，N>(2×M)，N为整个采样周期的数据的总个数；M为抗强干扰参数，根据试验设定； 

步骤1-3)输出计算后的平均值； 

所述专家系统对滤波后的数据进行检验是采用死区限幅的方式进行检验。 

2.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述步骤1)、2)中的技术数据为水泥生料粉磨系统反馈到专家系统的数据，包括：磨音、细粉仓入口压力、出磨提升机电流、选粉机电流、入 库提升机电流、循环风机功率、主电机功率、喂料量反馈值、分料阀开度反馈值。 

3.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述步骤2)中工况辨识包括以下步骤： 

专家系统根据DCS系统反馈的主要技术数据分出具体的工况； 

如果工况为堵磨工况，则紧急停车； 

如果工况为异常工况，则进行应急状况处理，使其返回至正常工况； 

如果工况为正常工况，则返回步骤3)。 

4.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述带有前馈补偿的分段式PID控制器方法，包括： 

磨音带有前馈补偿的分段式PID控制方法，磨音设定值与磨音反馈值相减构成磨音控制器的输入，通过可切换的磨音控制器转化为喂料量的参考值，与喂料量补偿相加成为喂料量的执行值去控制球磨机； 

细粉仓入口压力带有前馈补偿的分段式PID控制算法，细粉仓入口压力设定值与细粉仓入口压力反馈值相减构成分料阀开度控制器的输入，通过可切换的控制器转化为分料阀开度的参考值，与分料阀开度补偿相加成为分料阀开度的执行值去控制球磨机。 

5.根据权利要求4所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述磨音控制器包括： 

如果磨音误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器1； 

如果磨音误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器2； 

其中，磨音误差值＝磨音设定值-磨音反馈值； 

所述喂料量补偿是根据选粉机电流的变化率经过喂料量补偿控制器计算得到的，其中，喂料量补偿控制器为PID控制器； 

所述分料阀开度控制器包括： 

如果细粉仓入口压力误差值不大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器3； 

如果细粉仓入口压力误差值大于切换阈值时，控制回路中选用PID控制器4； 

其中，细粉仓入口压力误差值＝细粉仓入口压力设定值-细粉仓入口压力反馈值； 

所述分料阀开度补偿量是根据出磨提升机电流的变化率经过分料阀开度补偿控制器计算得到的，其中，分料阀开度补偿控制器为PID控制器。 

6.根据权利要求4所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述磨音反馈值的采样周期采用主控步长与监测步长相结合的方式： 

主控步长＝物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间+调节时间； 

监测步长＝磨内物料停留时间+调节时间； 

主控步长＝n×监控步长 ；

其中，n为大于1的整数，调节时间是根据物料在水泥生料粉磨系统内的平均停留时间决定的； 

所述细粉仓入口压力反馈值的采样周期采用主控步长一种时间长度。 

7.根据权利要求1或权利要求4所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括解耦控制，具体为根据磨音反馈值与细粉仓入口压力反馈值的主控步长采样点的采样时间不同，将两个控制回路在时间上错位，分别进行喂料量和分料阀开度的控制。 

8.根据权利要求1或权利要求4所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述带有前馈补偿的分段式PID控制方法还包括对磨音设定值死区限幅，具体为将出磨提升机电流及其变化率分别分为4个等级，根据等级和加料/减料的不同，改变相应的死区限幅； 

其中，加料/减料是根据磨音误差值e判断的，判断步骤包括： 

步骤1)e＝磨音反馈值-磨音设定值； 

步骤2)当e>0时，控制器1/控制器2输出为减料； 

当e<0时，控制器1/控制器2输出为加料。 

9.根据权利要求1所述的一种适用于中卸式水泥生料磨系统的智能控制方法，其特征在于：所述步骤5)中的检验包括： 

执行周期的检验：在执行周期内设备只执行1次； 

进行变量输出限幅：对喂料量的执行值和分料阀开度的执行值设定限幅。