CN109734338A - 智能化水泥工厂生产中料配比控制方法、装置及设备 - Google Patents

智能化水泥工厂生产中料配比控制方法、装置及设备 Download PDF

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王孝红
黄冰
于宏亮
蒋萍
路士增
袁铸钢
孟庆金
景绍洪
张强
刘钊
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Abstract

一种智能化水泥工厂生产中料配比控制方法、装置及设备，所述方法包括获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。所述装置及所述设备用于实现所述方法。它解决了现有技术中因为入场检测的原材料成分并不能代表此时的原材料成分，导致根据原有的原材料成分并不能很好的对水泥生料质量进行控制的问题。

Description

智能化水泥工厂生产中料配比控制方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及水泥生产中的智能控制领域，尤其涉及一种智能化水泥工厂生产中料配比控制方法、装置及设备。
背景技术
水泥生产是一个典型的连续过程，每个生产环节出现问题都会对后面的生产环节造成一定的影响。水泥生料质量的好坏对熟料煅烧工段能否稳定运行有着决定性作用。因此水泥生料质量控制问题是水泥生产质量得到保障亟须解决的问题。
目前较多数水泥厂引进水泥生料在线分析仪，虽然能够对水泥生料进行成分检测，但是不能确定生料成分变化是由原材料成分变化引起的还是其他因素影响。而且由于控制算法较为简单，大多都是根据化验室对入场原材料化验结果进行配比计算。因为入场检测的原材料成分并不能代表此时的原材料成分，因此根据原有的原材料成分并不能很好的对水泥生料质量进行控制。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种智能化水泥工厂生产中料配比控制方法、装置及设备，旨在解决现有技术中因为入场检测的原材料成分并不能代表此时的原材料成分，导致根据原有的原材料成分并不能很好的对水泥生料质量进行控制的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，包括步骤：
获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；
根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；
根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；
按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。
可选地，所述生料混合物中的原材料包括：石灰石、硅石、粘土及铁尾渣。
可选地，所述指标成分包括：CaO、SiO2、Al2O3及Fe2O3。
可选地，所述得出所述生料混合物中各原材料的指标成本的实际含量估计值的步骤包括：
利用生料混合物中各原材料的初始配比及各原材料中的各指标成分含量的初始值，得出生料混合物中各指标成分含量的初始值；
利用在线分析仪检测出生料混合物中各指标成分含量的实际值；
用所述生料混合物中指标成分含量实际值减去所述生料混合物中个指标成分含量的初始值，得到各指标成分差值；
确定各原材料对应的指标成分的最大调节值与调节步长；
以所述指标成分差值、各原材料对应的指标成分的最大调节值与调节步长为依据，对各原材料中的对应的指标成分的初始值进行调整；
取各指标成分差值最小时对应的各原材料中的各指标成分的初始值为实际含量估计值。
可选地，所述个原料对应的指标成分的最大调节值X与调节步长Δ的关系为：
X＝Δ*N
其中，N为递推次数。
可选地，所述遗传算法的目标函数为：
Min f(xi)＝(KH'-KH)2*100+(SM'-SM)2+(IM'-IM)2
Min f(xi)＝(x1'-x1)2+(x2'-x2)2+(x3'-x3)2+(x4'-x4)2
所述遗传算法的约束条件为：
KHmin≤KH≤KHmax；SMmin≤SM≤SMmax；IMmin≤IM≤IMmax
70≤x1≤85；6≤x2≤20；1≤x3≤6；；1≤x4≤6；
x1+x2+x3+x4＝100
为实现上述目的，本发明还提供一种智能化水泥工厂生产中料配比控制装置，包括：
获取单元，用于获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；
第一计算单元，用于根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；
第二计算单元，用于根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；
配比调节单元，用于按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。
为实现上述目的，本发明还提供一种智能化水泥工厂生产中料配比控制设备，所述设备包括处理器与存储器，以及存储在所述存储器上的智能化水泥工厂生产中料配比控制程序，所述存储器上的智能化水泥工厂生产中料配比控制程序被所述处理器执行，实现所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，和/或所述设备包括所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制装置。
本发明的有益效果为：
1.本发明融合了原材料调整规则库，能够针对原材料成分变化自适应的进行配比调节，保证水泥生料质量稳定；
2.本发明与水泥生料在线分析仪配合，能够在检测出水泥生料成分后，估计计算出当前的原材料成分变化情况；
3.本发明采用三率值变化趋势和实时值相结合进行配比调节，防止超调现象出现；
4.本发明能够在改变原材料配比幅度较小和种类较少的情况下使得水泥生料质量得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法第一流程图；
图2为本发明所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法第二流程图；
图3为本发明所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值获取过程图；
图4为本发明所述的生料混合物中各原材料配比计算流程图；
图5为本发明所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制装置结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明提供一种智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，包括步骤：
获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；
根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；
根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；
按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。
所述生料混合物中的原材料包括：石灰石、硅石、粘土及铁尾渣。
所述指标成分包括：CaO、SiO2、Al2O3及Fe2O3。
所述得出所述生料混合物中各原材料的指标成本的实际含量估计值的步骤包括：
利用生料混合物中各原材料的初始配比及各原材料中的各指标成分含量的初始值，得出生料混合物中各指标成分含量的初始值；
利用在线分析仪检测出生料混合物中各指标成分含量的实际值；
用所述生料混合物中指标成分含量实际值减去所述生料混合物中个指标成分含量的初始值，得到各指标成分差值；
确定各原材料对应的指标成分的最大调节值与调节步长；
所述的各原材料对应的指标成分是：石灰石对应CaO；硅石对应SiO2、粘土对应Al2O3、铁尾渣对应Fe2O3。
以所述指标成分差值、各原材料对应的指标成分的最大调节值与调节步长为依据，对各原材料中的对应的指标成分的初始值进行调整；
取各指标成分差值最小时对应的各原材料中的各指标成分的初始值为实际含量估计值。
所述个原料对应的指标成分的最大调节值X与调节步长Δ的关系为：
X＝Δ*N
其中，N为递推次数。
所述遗传算法的目标函数为：
Min f(xi)＝(KH'-KH)2*100+(SM'-SM)2+(IM'-IM)2
Min f(xi)＝(x1'-x1)2+(x2'-x2)2+(x3'-x3)2+(x4'-x4)2
所述遗传算法的约束条件为：
KHmin≤KH≤KHmax；SMmin≤SM≤SMmax；IMmin≤IM≤IMmax
70≤x1≤85；6≤x2≤20；1≤x3≤6；；1≤x4≤6；
x1+x2+x3+x4＝100
具体地，如图2所示，判别水泥配料运行状态；
首先判断原材料是否变化，及时对原材料成分进行更新，建立专家库，判断配料过程实时变化状态。
例如针对原材料石灰石，由于引起水泥生料成分变化的主要成分是Ca，而含钙最多的原材料为石灰石，且在原材料占比达到80％左右，可以近似的认为水泥生料中的Ca是由石灰石提供，可以根据水泥生料含钙量以及原材料占比推出石灰石含钙量，从而判别石灰石成分是否变化。其他的原材料也以此类推。
本发明使用原材料成分逆推方法对原材料成分进行逆推，得到所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值，并及时更新原材料成分。
如图3所示，图中，i，j，k，l分别用于记录四种原材料相应配比改变的次数。
第一步确定哪种成分变化，利用原有原材料成分(即初始配比)与当前配比计算出水泥生料指标成分Cx,Sx,Ax,Fx，即各指标成分的初始值。与在线分析仪检测出的指标成分的实际值Cy,Sy,Ay,Fy，Cx,Sx,Ax,Fx与Cy,Sy,Ay,Fy做差得出Cz,Sz,Az,Fz并判断Cz,Sz,Az,Fz的正负.计算公式为：
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。C主要由x1提供，S主要由x2提供，A主要由x3提供，F主要由x4提供，生料成分变化可认为是单一原材料提供的成分变化引起的。
第二步确定每种原材料成分的最大调节值X，原材料每种成分在原化验值Y的基础上进行调节，即每次调节后必须在[Y-X,Y+X]范围内，设定调节步长Δ
X＝Δ*N 公式2
其中N为递推次数。
第三步计算当Cz为正时增加x1中的c，Cz为负时减少x1中的c,Sz为正时增加x2中的s，Sz为负时减少x2中的s,Az为正时增加x3中的a，Az为负时减少x3中的a,Fz为正时增加x4中的f，Fz为负时减少x4中的f。每种成分步长按照步骤二给定，并且不能超出最大调节值。
第四步求出最优解使得计算出的C,S,A,F与分析仪检测出的Cy,Sy,Ay,Fy差值最小，将最优解视为当前原材料成分；
建立水泥生料配料过程工况的控制规则的知识库，即原材料调整规则库。根据在线分析仪检测的实时变化趋势、数据进行趋势变化工况划分；使用专家系统判别工况；然后根据工况进行智能控制，智能选择最优配比调节方案。
水泥生料配料过程工况的控制规则如下：
水泥生料配料过程的配比计算流程为：
根据规则库来判别需要对哪种原材料进行调节，然后选用逆推出的原材料成分，利用遗传算法计算出配比调整幅度。
大多数针对水泥生料配料的规则仅根据三率值大小来进行配比调节，优选的采用三率值大小和实时变化趋势来进行配比调节。例如变化趋势下降，实时值不合格此时可以不调节配比或者少调节，仅根据实时值调节可能调大，使得三率值仍不合格。当趋势和率值大小都满足配比调节时，才可进行配比调节。采用生料成分实时变化趋势和实时值相结合的方式，针对不同的运行状态都有相对应的人工智能控制规则，将知识型工作者总结的调节经验加入到控制规则里。
最后，选择最优最有效的策略即智能判断运行状态，自动调节配比：首先给出工况类型，判断当前工况属于哪一种，选择最优的配比调节方案，配比幅度由遗传算法计算出。
如图4所示，所述采用遗传算法的配比计算方法，根据规则库来判别需要对哪种原材料进行调节，然后选用逆推出的原材料成分，利用遗传算法计算出配比调整幅度。
目标函数为：Min f(xi)＝(KH'-KH)2*100+(SM'-SM)2+(IM'-IM)2
Min f(xi)＝(x1'-x1)2+(x2'-x2)2+(x3'-x3)2+(x4'-x4)2
式中，i代表1，2，3，4是一个数组，KH’为在线分析仪检测到的石灰石饱和系数，KH为石灰石饱和系数的初始值；SM’为在线分析仪检测到的硅率，SM为硅率的初始值，IM’为在线分析仪检测到的铝氧率；IM为铝氧率的初始值；x1’-x4’分别为在线分析仪检测到的x1-x4的值，x1-x4分别代表四种原材料。
约束条件：KHmin≤KH≤KHmax；SMmin≤SM≤SMmax；IMmin≤IM≤IMmax
70≤x1≤85；6≤x2≤20；1≤x3≤6；；1≤x4≤6；
x1+x2+x3+x4＝100
KH＝(C-1.65*A-0.35*F)/(2.8*S)
SM＝S/(A+F)
IM＝A/F
然后采用自适应遗传算法进行计算步骤为：
步骤1：进行编码或者解码设计(采用二进制编码)，生成初始群体；
步骤2：适应度函数为：eval(x)＝0.03-f(x)，其中，f(x)是目标函数；
步骤3：计算平均适应度favg和最大适应度fmax，将群体按适应值大小排序并分为两组；
步骤4：进行交叉操作然后进行变异操作；
步骤5：计算交叉和变异生成的新的适应度，构成新一代群体；
步骤6：判断是否达到预定的迭代次数，如果达到结束寻优，否则转步骤4。
自适应遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群(population)开始的，而一个种群则由经过基因(gene)编码的一定数目的个体(individual)组成。每个个体实际上是染色体(chromosome)带有特征的实体。染色体作为遗传物质的主要载体，即多个基因的集合，其内部表现(即基因型)是某种基因组合，它决定了个体的形状的外部表现，如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。因此，在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。由于仿照基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化，如二进制编码，初代种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代(generation)演化产生出越来越好的近似解，在每一代，根据问题域中个体的适应度(fitness)大小选择(selection)个体，并借助于自然遗传学的遗传算子(genetic operators)进行组合交叉(crossover)和变异(mutation)，产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境，末代种群中的最优个体经过解码(decoding)，可以作为问题近似最优解。
如图5所示，本发明还提供一种智能化水泥工厂生产中料配比控制装置，包括：
获取单元，用于获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；
第一计算单元，用于根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；
第二计算单元，用于根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；
配比调节单元，用于按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。
本发明还提供一种智能化水泥工厂生产中料配比控制设备，所述设备包括处理器与存储器，以及存储在所述存储器上的智能化水泥工厂生产中料配比控制程序，所述存储器上的智能化水泥工厂生产中料配比控制程序被所述处理器执行，实现所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，和/或所述设备包括所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，其特征在于，包括步骤：
获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；
根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；
根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；
按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。
2.根据权利要求1所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，其特征在于，所述生料混合物中的原材料包括：石灰石、硅石、粘土及铁尾渣。
3.根据权利要求1所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，其特征在于，所述指标成分包括：CaO、SiO2、Al2O3及Fe2O3。
4.根据权利要求1所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，其特征在于，所述得出所述生料混合物中各原材料的指标成本的实际含量估计值的步骤包括：
利用生料混合物中各原材料的初始配比及各原材料中的各指标成分含量的初始值，得出生料混合物中各指标成分含量的初始值；
利用在线分析仪检测出生料混合物中各指标成分含量的实际值；
用所述生料混合物中指标成分含量实际值减去所述生料混合物中个指标成分含量的初始值，得到各指标成分差值；
确定各原材料对应的指标成分的最大调节值与调节步长；
以所述指标成分差值、各原材料对应的指标成分的最大调节值与调节步长为依据，对各原材料中的对应的指标成分的初始值进行调整；
取各指标成分差值最小时对应的各原材料中的各指标成分的初始值为实际含量估计值。
5.根据权利要求4所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，其特征在于，所述个原料对应的指标成分的最大调节值X与调节步长Δ的关系为：
X＝Δ*N
其中，N为递推次数。
6.根据权利要求1所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，其特征在于，所述遗传算法的目标函数为：
Min f(xi)＝(KH'-KH)2*100+(SM'-SM)2+(IM'-IM)2
Min f(xi)＝(x1'-x1)2+(x2'-x2)2+(x3'-x3)2+(x4'-x4)2
所述遗传算法的约束条件为：
KHmin≤KH≤KHmax；SMmin≤SM≤SMmax；IMmin≤IM≤IMmax
70≤x1≤85；6≤x2≤20；1≤x3≤6；；1≤x4≤6；
x1+x2+x3+x4＝100
7.一种智能化水泥工厂生产中料配比控制装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取生料混合物中各指标成分的初始值及实际值；
第一计算单元，用于根据所述生料混合物的各原材料的初始配比及所述生料混合物中各指标成分的实际值，得出所述生料混合物中各原材料的指标成分的实际含量估计值；
第二计算单元，用于根据所述各原材料的指标成本的实际含量估计值、生料三率值以及原材料调整规则库，利用遗传算法，得出所述生料混合物中各原材料的最优配比；
配比调节单元，用于按照所述最优配比，对水泥生料混合物中的各原材料进行配比调节。
8.一种智能化水泥工厂生产中料配比控制设备，其特征在于，所述设备包括处理器与存储器，以及存储在所述存储器上的智能化水泥工厂生产中料配比控制程序，所述存储器上的智能化水泥工厂生产中料配比控制程序被所述处理器执行，实现如权利要求1-6任一所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制方法，和/或所述设备包括如权利要求7所述的智能化水泥工厂生产中料配比控制装置。
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CN113620620B (zh) * 2021-04-20 2022-06-03 中材邦业(杭州)智能技术有限公司 一种基于水泥元素的中子系统目标值自动调整方法

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