CN104339453B - 一种基于典型工况的自适应水泥生料配料系统及其配料方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于典型工况的自适应水泥生料配料系统及其配料方法，所述配料系统包括判别工况的专家系统、选择最优配比调节策略的知识库和进行配比调节自动调节系统；所述配料方法包括如下步骤：(1)首先建立水泥生料配料过程中典型工况的控制规则的知识库，所述典型工况包括理想工况和特殊工况；(2)使用专家系统判别工况；(3)然后根据不同的工况采取不同的控制规则，自动选择最优配比调节方案。本发明融合理论计算与人工智能的独特控制规则，自适应原料波动的多种工况，确保出磨生料成分稳定；本发明采用多种调整模式及策略，可以满足不同工艺条件下的配料要求。

Description

一种基于典型工况的自适应水泥生料配料系统及其配料方法
技术领域
本发明涉及水泥生料配料，特别涉及一种基于典型工况的自适应水泥生料配料系统及其配料方法。
背景技术
目前国内大部分水泥企业生料质量控制采用的是离线式分析与调整方法。其一般流程为，化验室每一小时向中控操作员报样，操作员根据报样数据调整四种生料配比。采样器每分钟采集少量出磨生料样本，累计一小时之后使用荧光分析仪分析此一小时内的混合样本，得出综合样的各氧化物含量及三率值：硅酸率(硅率，SM)，铝酸率(铝率，IM)，饱和比(KH)；而操作员调节配比完全凭借经验，根据上一小时的综合样数据，调整配比以使下一小时的综合样三率值在目标率值范围内。但是一般情况下原料成分会有波动，且综合样并不能很好地代表生料实际成分，再加上操作员凭经验调整而不是经过严格计算，所以生料率值一般会有较大波动。针对这种情况，设计了一种使用专家系统和仿人智能控制计算所需配比的水泥生料配料系统。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明提供一种基于典型工况的自适应水泥生料配料系统。
本发明的技术方案是：
基于典型工况的自适应水泥生料配料系统，包括：
专家系统，判别水泥配料工况的；
知识库，连接专家系统，添加有应对不同工况采取的计算策略，应对每种工况都有相应的仿人工智能控制规则，将人工调节配比经验加入到控制规则中，并选择最优策略，即智能判断工况，并自动选择最优配比调节方案；
自动调节系统，连接专家系统，根据专家系统选择的最优配比调节策略，进行配比调节。
基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，该生料配料方法包括如下步骤：
(1)首先建立水泥生料配料过程中典型工况的控制规则的知识库，所述典型工况包括理想工况和特殊工况，所述理想工况是指各原料成分波动幅度在一天
内小于10％以下的工况，所述特殊工况包括：有一种原料成分一天内波动大于10％、几种原料成分一天内波动大于10％、原料出现易磨性问题和一种原料中含有其他原料；
(2)使用专家系统判别工况；
(3)然后根据不同的工况采取不同的控制规则，自动选择最优配比调节方案；
优选的，所述控制规则使用增量式计算方法为：
第一步确定每种原材料每次调节的最大增量阈值Y,即若某种配料在配比P的基础上需要调节，则本次调节后的配比须在[P-Y,P+Y]范围内，设定一个递增步长Δ，两者有关系等式
Y＝Δ*N 公式1
其中N为递推次数；
第二步选用一种调节方案：增加配料1减少配料2，其他不变，计算当配料1配比为P-Y，配料2配比为Q+Y时的三率值，求出与目标三率值的方差和；
第三步计算当配料1配比为P-Y+Δ，配料2配比为Q+Y-Δ时的三率值，求出与目标三率值的方差和,以此类推，直到配料1配比为P+Y；
第四步比较求出方差和最小且计算三率值在目标率值允许范围内的一组，该组对应的配比即为预确定配比1；
同理再选用另一种调节方案：增加配料1减少配料3，其他不变，求出预确定配比2，以此类推，求出若干预确定配比；
第五步比较各预确定配比对应的三率值方差，取最小者即为最终配比，然后将此时配比输出，即为本次调整配比。
优选的，在理想工况下，控制规则是直接利用化验室给出的原料成分，根据理论公式
公式2
计算出所需配比，式中C、S、A、F分别代表混合料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量，c1-c4、s1-s4、a1-a4、f1-f4分别代表四种原材料中CaO、SiO2、 Al2O3、Fe2O3的含量，x1-x4代表四种原料配比。
优选的，有一种原料成分一天内波动大于10％时，假定其他原料成分稳定不变，通过上一次化验数据和其他原料成分通过公式2得到该种原料上一次检测时的平均成分。
优选的，有几种原料成分一天内波动都大于10％时，通过最小二乘法计算还原原料成分，再进行配比计算。
优选的，原料出现易磨性问题时，控制规则是：在T时刻得到的化验结果显示硅酸率SM比给定值高0.1以上，则需要减少硅石配比，如果计算得出减少的硅石配比幅度大于0.5％，那么在T+1时刻调整配比时需要再加一层判断：如果T+1时刻化验结果显示SiO2含量没有减少甚至继续增加，且硅酸率SM仍然偏大，则按照理想工况下控制规则调整；如果T+1时刻化验结果显示SiO2含量减少，即使SM仍然偏大也不对硅石作调整，而是等待T+2时刻化验结果再作判断；同理，SM比给定值低0.1以上时按照此方法增加硅石配比；对于铁质原材料的调整也遵循这一规则。
优选的，若石灰石中混有泥土时，此时铝质原材料的调节需要先考虑目标率值要求和原料易磨性问题，如果存在原料易磨性问题，采用调整策略1进行配比调整，如果不存在原料易磨性问题，则采用调整策略2进行配比调整；调整策略1指原料出现易磨性问题时的调整方法，调整策略2指理想工况、有一种原料成分一天内波动大于10％和有几种原料成分一天内波动大于10％的调整方法。
优选的，若在铜矿渣等铁质原材料中混入过高比例的助磨剂，则需要判断该种原料成分能不能依靠化验室化验结果，如果能化验出，则化验出混合料成分，再采用调整策略a进行配比调整，如果不能化验出，则采用调整策略b按混合比例配比计算；调整策略a指直接利用化验室化验的混合料成分进行计算得出配比；调整策略b指将原料成分乘以原料和辅料的比例系数得出混合料成分，作为该原料的成分进行计算得出配比。
本发明的有益效果有：
1.本发明融合理论计算与人工智能的独特控制规则，自适应原料波动的多种工况，确保出磨生料成分稳定；
2.本发明与在线全元素分析仪配合，自动追踪原料的化学成分变化并及时调 整，根据客户要求调整在线监测时间间隔；
3.本发明以KH，SM，IM为直接控制目标，自动调整原料配比；
4.本发明采用多种调整模式及策略，可以满足不同工艺条件下的配料要求。
附图说明
图1是本发明所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料系统的结构示意图；
图2是本发明所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料系统的系统总体流程图；
图3是本发明所述的配比计算流程图；
图4是本发明在一种原料成分不稳定时配比调整策略流程图；
图5是本发明在几种原料成分不稳定时配比调整策略流程图；
图6是本发明在存在原料易磨性问题时硅石配比调整策略流程图；
图7是本发明在石灰石中混有大量泥土时的配比调整策略流程图；
图8是本发明在铜矿渣等铁质原材料中混入过高比例的助磨剂时的配比调整策略流程图；
具体实施方式
为方便本领域的技术人员了解本发明的技术内容，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料系统，包括：专家系统，判别水泥配料工况的知识库，连接专家系统，添加有应对不同工况采取的计算策略，应对每种工况都有相应的仿人工智能控制规则，将人工调节配比经验加入到控制规则中，并选择最优策略，即智能判断工况，并自动选择最优配比调节方案；
自动调节系统，连接专家系统，根据专家系统选择的最优配比调节策略，进行配比调节。
本发明所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料系统，使用专家系统和仿人智能控制计算所需配比。
如图2所示，首先使用专家系统判别工况，然后根据不同工况采取不同的计算策略。应对每种工况都有相应的仿人工智能控制规则，将人工调节配比经验加 入到控制规则中，并选择最优策略，即智能判断工况，并自动选择最优配比调节方案。
如图3所示，所述控制规则使用增量式计算，第一步确定每种原材料每次调节的最大增量阈值Y(即若某种配料在配比P的基础上需要调节，则本次调节后的配比须在[P-Y,P+Y]范围内，以防止率值发生震荡)，设定一个递增步长Δ，两者有关系等式
Y＝Δ*N 公式1
其中N为递推次数；第二步选用一种调节方案(例如，设“增加配料1减少配料2，其他不变”为方案1)，计算当配料1配比为P-Y(配料2配比为Q+Y，保证配比和100％)时的三率值，求出与目标三率值的方差和；第三步计算当配料1配比为P-Y+Δ(配料2配比为Q+Y-Δ，保证配比和100％)时的三率值，求出与目标三率值的方差和……以此类推，直到配料1配比为P+Y；第四步比较求出方差和最小且计算三率值在目标率值允许范围内的一组，该组对应的配比即为预确定配比1，同理再选用另一种调节方案(例如，设“增加配料1减少配料3，其他不变”为方案2)求出预确定配比2，以此类推，各厂根据不同情况设定调节方案，求出若干预确定配比；第五步比较各预确定配比对应的三率值方差，取最小者即为最终配比，配比调节是在上次配比的基础上对各原料配比进行等量增减，同时计算相应的率值，直至寻找到与目标率值最为接近时的配比，然后将此时配比输出，即为本次调整配比。
生料配料的典型工况分析如下：
(1)理想工况下，原料成分稳定，波动幅度较小
原料成分稳定时，直接利用化验室给出的原料成分，根据理论公式，
公式2
式中C、S、A、F分别代表混合料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量，c1-c4、s1-s4、a1-a4、f1-f4分别代表四种原材料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量，x1-x4代表四种原料配比，可以通过理论公式计算出所需配比。
(2)特殊工况下，需要不同的调整策略。
①基本配比调整策略
当KH超出允许的波动范围(如偏小)时，主要通过增加石灰石，减少粘土的方法控制；并在SM允许的情况下适当减少硅石。
当SM超出允许的波动范围(如偏小)时，主要通过增加硅石，并根据IM的情况减少粘土或铜矿渣；由于硅石配比调节会对KH造成较大影响，针对KH的情况有时需要适当调整石灰石配比。
当IM超出允许的波动范围(如偏大)时，主要通过减少粘土，增加铜矿渣的方法进行控制。
如果KH与SM同时出现较大偏差，则需综合调整石灰石与硅石配比；若两者出现同向偏差(如两者都偏小)，此时需要增加石灰石和硅石，减少粘土配比；若两者出现反向偏差(如KH偏小SM偏大)，此时主要通过增加石灰石，减少硅石和粘土的方式调整。
②某种原料成分不稳定时
如图4所示，如果有一种原料成分波动较大，可以假定其他原料成分稳定不变，通过上一次化验数据和其他原料成分通过公式2可以很容易地得到该种原料上一次检测时的平均成分，此时的假设是在连续的两次成分检测间隔内该原料成分波动不大。
此处输入的稳定的原材料成分是指由于有一种原料成分不稳定，所以可以认为其他几种原料成分是稳定的，可以直接使用化验室化验数据；假设原料1成分不稳定，需要计算，则通过上次配比(x1,x2......)、此次分析结果和其他三种原料成分，解方程组即可。由于上次配比影响到的就是此次分析结果，所以上述对应关系正确。
③某几种原料成分不稳定时
如果几种原料成分波动都较大，则需要通过特殊算法(如最小二乘法等)计算还原原料成分，得到较为可信的原料成分后再进行配比计算，具体流程如图5所示。
④原料易磨性问题
立磨中基本不存在原料易磨性问题，但是有些厂家使用球磨，如果有些原料 (如硅石、铜矿渣等)硬度大，易磨性差，一般上一次较大幅度调整其配比后，调整效果并不能立刻显现，需要等待一段滞后时间(25-60min)才能完全体现。此时需要使用不同的调整规则。
如图6所示，如果在a时刻得到的化验结果(以滞后时间为1小时为例，实际上是a-1到a时刻之间一小时的样本)显示SM偏大，根据规则需要减少硅石配比，如果计算得出减少的硅石配比幅度较大，那么在a+1时刻调整配比时需要再加一层判断：如果a+1时刻化验结果显示SiO2含量几乎没有减少甚至继续增加，且SM仍然偏大，则按照正常规则调整；如果a+1时刻化验结果显示SiO2含量有较明显的减少，即使SM仍然偏大也不对硅石作调整，而是等待a+2时刻化验结果再作判断。同理，SM偏小时应该按照此方法增加硅石配比。对于铜矿渣(铁质原材料)的调整也应该遵循这一规则。
⑤某种原料中含有其他物质时(a)
具体流程如图7所示：石灰石来自矿山开采，其中可能混有大量泥土，而普通泥土中Al2O3含量较高，此时铝质原材料的调节会有困难。此时的配比调节需要综合考虑化验室给定的目标率值要求和原料易磨性(滞后时间)问题。
⑥某种原料中含有其他物质时(b)
具体流程如图8所示：在铜矿渣等铁质原材料中加入磷石膏、硫石膏等助磨剂，若混入比例过高，则需要考虑该种原料成分不能完全依靠化验室化验结果，需要按混合比例计算或重新化验混合料的成分。
上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于，该生料配料方法包括如下步骤：
(1)首先建立水泥生料配料过程中典型工况的控制规则的知识库，所述典型工况包括理想工况和特殊工况，所述理想工况是指各原料成分波动幅度在一天内小于10％以下的工况，所述特殊工况包括：有一种原料成分一天内波动大于10％、几种原料成分一天内波动大于10％、原料出现易磨性问题和一种原料中含有其他原料；
(2)使用专家系统判别工况；
(3)然后根据不同的工况采取不同的控制规则，自动选择最优配比调节方案；
所述控制规则使用增量式计算：
第一步确定每种原材料每次调节的最大增量阈值Y,即若某种配料在配比P的基础上需要调节，则本次调节后的配比须在[P-Y,P+Y]范围内，设定一个递增步长Δ，两者有关系等式
Y＝Δ*N 公式1
其中N为递推次数；
第二步选用一种调节方案：增加配料1减少配料2，其他不变，计算当配料1配比为P-Y，配料2配比为Q+Y时的三率值，求出与目标三率值的方差和；
第三步计算当配料1配比为P-Y+Δ，配料2配比为Q+Y-Δ时的三率值，求出与目标三率值的方差和,以此类推，直到配料1配比为P+Y；
第四步比较求出方差和最小且计算三率值在目标率值允许范围内的一组，该组对应的配比即为预确定配比1；
同理再选用另一种调节方案：增加配料1减少配料3，其他不变，求出预确定配比2，以此类推，求出若干预确定配比；
第五步比较各预确定配比对应的三率值方差，取最小者即为最终配比，然后将此时配比输出，即为本次调整配比。
2.根据权利要求1所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于：在理想工况下，控制规则是直接利用化验室给出的原料成分，根据理论公式
计算出所需配比，式中C、S、A、F分别代表混合料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量，c1-c4、s1-s4、a1-a4、f1-f4分别代表四种原材料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量，x1-x4代表四种原料配比。
3.根据权利要求2所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于：有一种原料成分一天内波动大于10％时，假定其他原料成分稳定不变，通过上一次化验数据和其他原料成分通过公式2得到该种原料上一次检测时的平均成分。
4.根据权利要求3所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于：有几种原料成分一天内波动都大于10％时，通过最小二乘法计算还原原料成分，再进行配比计算。
5.根据权利要求4所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于：原料出现易磨性问题时，控制规则是：在T时刻得到的化验结果显示硅酸率SM比给定值高0.1以上，则需要减少硅石配比，如果计算得出减少的硅石配比幅度大于0.5％，那么在T+1时刻调整配比时需要再加一层判断：如果T+1时刻化验结果显示SiO2含量没有减少甚至继续增加，且硅酸率SM仍然偏大，则按照理想工况下控制规则调整；如果T+1时刻化验结果显示SiO2含量减少，即使SM仍然偏大也不对硅石作调整，而是等待T+2时刻化验结果再作判断；同理，SM比给定值低0.1以上时按照此方法增加硅石配比；对于铁质原材料的调整也遵循这一规则。
6.根据权利要求5所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于：若石灰石中混有泥土时，此时铝质原材料的调节需要先考虑目标率值要求和原料易磨性问题，如果存在原料易磨性问题，采用调整策略1进行配比调整，如果不存在原料易磨性问题，则采用调整策略2进行配比调整；调整策略1指原料出现易磨性问题时的调整方法，调整策略2指理想工况、有一种原料成分一天内波动大于10％和有几种原料成分一天内波动大于10％的调整方法。
7.根据权利要求6所述的基于典型工况的自适应水泥生料配料方法，其特征在于：若在铜矿渣铁质原材料中混入过高比例的助磨剂，则需要判断该种原料成分能不能依靠化验室化验结果，如果能化验出，则化验出混合料成分，再采用调整策略a进行配比调整，如果不能化验出，则采用调整策略b按混合比例配比计算；调整策略a指直接利用化验室化验的混合料成分进行计算得出配比；调整策略b指将原料成分乘以原料和辅料的比例系数得出混合料成分，作为该原料的成分进行计算得出配比。
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