CN111897302A - 基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统 - Google Patents

基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，包括水泥烧成数据采集模块、水泥烧成就地优化控制模块、水泥烧成数据传输模块、水泥烧成优化分析配置模块；水泥烧成数据采集模块包括数据采集传感器、PLC、DCS，数据采集传感器采集工作和电气参数并传送至PLC，同时PLC直接采集开关量，由PLC将信息传送至DCS；水泥烧成就地优化控制模块包括分解炉就地优化控制模块和篦冷机就地优化控制模块，分解炉和篦冷机优化控制模块对数据进行分析得到优化控制参数；水泥烧成数据传输模块水泥烧成数据传输模块将PLC和DCS的数据上传至水泥烧成优化分析配置模块。本发明具有控制效果精确可靠的优点。

Description

基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统
技术领域
本发明涉及水泥烧成控制系统领域，具体是一种基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统。
背景技术
水泥烧成设备包括预热器、分解炉、回转窑、篦冷机等，工作时这些设备协同作业完成水泥的烧成工作。现有的水泥烧成控制系统是基于设备的工作参数，将工作参数与预设参数简单对比来实现自动控制的，例如简单对比分解炉内部温度和预设温度，当内部温度小于预设温度时则提高分解炉内部温度。这种控制系统所能达到的控制效果较差，难以实现精准控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，以解决现有技术水泥烧成控制系统难以实现精准控制的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：包括水泥烧成数据采集模块、水泥烧成就地优化控制模块、水泥烧成数据传输模块、水泥烧成优化分析配置模块；
所述水泥烧成数据采集模块包括数据采集传感器、PLC、DCS，其中数据采集传感器采集水泥烧成系统的预热器、分解炉、回转窑、篦冷机的工作参数和电气参数，数据采集传感器与PLC连接，PLC与DCS连接，且PLC分别与水泥烧成系统中预热器的执行器、分解炉的执行器、回转窑的执行器、篦冷机的执行器连接以采集开关量并控制执行器，由PLC接收数据采集传感器采集的模拟量并转换为数字量，并由PLC将转换的数字量及开关量信息传送至DCS；
所述水泥烧成就地优化控制模块设置于DCS中，水泥烧成就地优化控制模块包括分解炉就地优化控制模块和篦冷机就地优化控制模块，所述分解炉就地优化控制模块包括分解炉PID控制模块和GPC控制模块，所述篦冷机就地优化控制模块包含篦速PID控制模块、篦速GPC控制模块，其中：
分解炉PID控制模块根据分解炉出口温度实际值与分解炉出口温度设定值Tfjlsp进行比较获得偏差，根据偏差与分解炉比例增益参数Kpfjl、分解炉积分参数Kifjl、分解炉微分参数Kdfjl，计算分解炉喂煤量；
分解炉GPC控制模块根据分解炉出口温度模型，预测分解炉出口温度未来的输出曲线，并与分解炉出口温度设定值Tfjlsp进行比较获得偏差序列，从而根据所述偏差序列与分解炉喂煤量增量、分解炉GPC预测步长Pfjl、分解炉控制步长Cfjl、分解炉控制权重λfjl构成GPC性能指标；并由所述分解炉喂煤量增量的上下限约束、分解炉喂煤量的上下限约束构成GPC控制约束；在第k次采样时刻针对所述GPC性能指标和所述GPC控制约束进行GPC优化控制，从而获得第k次采样时刻喂煤量的优化值，用于PLC基于优化值控制实际分解炉出口温度；
篦速PID控制模块根据篦冷机篦下压力实际值与篦冷机篦下压力设定值Pbljsp进行比较获得偏差，根据偏差与篦速比例增益参数Kpblj、篦速积分参数Kiblj、篦速微分参数Kdblj，计算实际篦速值；
篦速GPC控制模块根据篦冷机篦压篦速模型，预测篦冷机篦压未来的输出曲线，并与篦冷机篦下压力设定值Pbljsp进行比较获得偏差序列，从而根据所述偏差序列与篦速增量、篦速预测步长Pblj、篦速控制步长Cblj、篦速控制权重λblj构成GPC性能指标；并由所述篦速增量的上下限约束、篦速的上下限约束构成GPC控制约束；在第k次采样时刻针对所述GPC性能指标和所述GPC控制约束进行GPC优化控制，从而获得第k次采样时刻篦速的优化值，用于控制器基于优化值控制实际篦冷机篦下压力；
所述水泥烧成数据传输模块分别与水泥烧成数据采集模块中的PLC、DCS连接，且水泥烧成数据传输模块还与水泥烧成就地优化控制模块连接，由水泥烧成数据传输模块将PLC和DCS的数据上传至水泥烧成优化分析配置模块。
所述的基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：所述水泥烧成数据采集模块中的数据采集传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、重量传感器、电流传感器、电压传感器、速度传感器，由上述传感器采集水泥烧成系统的预热器、分解炉、回转窑、篦冷机的工作参数和电气参数，其中：
采集的预热器的数据包括：预热器出口温度及压力、预热器锥体温度及压力、预热器出口气体分析；
采集的分解炉的数据包括：分解炉生料喂料量、分解炉喂煤量、分解炉出口温度、三次风温、分解炉C5温度；
采集的回转窑的数据包括：回转窑窑头喂煤量、窑尾烟室温度、窑尾烟室压力、窑转速、窑电流、窑头温度；
采集的篦冷机的数据包括：篦速，各风室风机出口压力，风机阀门开度，风机流量，风机电流。
所述的基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：所述水泥烧成数据传输模块包括带防火墙的边缘终端、交换机、4G/5G/宽带网络，边缘终端支持标准工业协议对水泥烧成数据采集模块中的DCS、PLC的数据进行采集，并通过4G/5G/宽带网络的方式将数据上传到水泥烧成优化分析配置模块。
所述的基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：所述水泥烧成优化分析配置模块包括云平台服务器和优化分析配置服务器，边缘终端采集的数据上传至云平台服务器；
云平台服务器包括中心数据库、web服务器，用于统一管理采集数据，对数据按设备和数据类型进行分类归档；
优化分析配置服务器在云平台服务器中获取数据，进行数据建模和优化配置，优化分析配置服务器包括分解炉优化配置模块和篦冷机优化配置模块，其中：
分解炉优化配置模块通过水泥烧成数据传输模块配置分解炉就地优化控制模块，可选择采用分解炉PID控制模块或者GPC控制模块，通过云平台服务器中的数据建立分解炉出口温度与喂煤量模型，根据遗传算法优化分解炉出口温度设定值Tfjlsp、分解炉比例增益参数Kpfjl、分解炉积分参数Kifjl、分解炉微分参数Kdfjl、分解炉喂煤量增量、分解炉GPC预测步长Pfjl、分解炉控制步长Cfjl、分解炉控制权重λfjl，可通过水泥烧成数据传输模块配置这些参数到分解炉就地优化控制模块，
篦冷机优化配置模块通过水泥烧成数据传输模块配置篦冷机就地优化控制模块，选择采用篦速PID控制模块或篦速GPC控制模块；通过云平台服务器中的数据建立篦冷机篦速篦压模型，根据遗传算法优化篦冷机篦下压力设定值Pbljsp、篦速比例增益参数Kpblj、篦速积分参数Kiblj、篦速微分参数Kdblj、篦速预测步长Pblj、篦速控制步长Cblj、篦速控制权重λblj，可通过水泥烧成数据传输模块配置这些参数到篦冷机就地优化控制模块。
与现有技术相比，本发明通过水泥烧成数据传输模块对分解炉和篦冷机参数的智能化分析，可实现水泥烧成数据采集模块中的PLC现场精确控制，并通过远端的水泥烧成优化分析配置模块基于遗传算法进行进一步优化，能够得到更进一步的优化控制参数，供水泥烧成数据采集模块中的PLC进一步实现精确控制，因此具有控制效果精确可靠的优点。
附图说明
图1是本发明系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，包括水泥烧成数据采集模块、水泥烧成就地优化控制模块、水泥烧成数据传输模块、水泥烧成优化分析配置模块；
水泥烧成数据采集模块包括数据采集传感器、PLC、DCS，其中数据采集传感器采集水泥烧成系统的预热器、分解炉、回转窑、篦冷机的工作参数和电气参数，数据采集传感器与PLC连接，PLC与DCS连接，且PLC分别与水泥烧成系统中预热器的执行器、分解炉的执行器、回转窑的执行器、篦冷机的执行器连接以采集开关量并控制执行器，由PLC接收数据采集传感器采集的模拟量并转换为数字量，并由PLC将转换的数字量及开关量信息传送至DCS。
水泥烧成数据采集模块中的数据采集传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、重量传感器、电流传感器、电压传感器、速度传感器，由上述传感器采集水泥烧成系统的预热器、分解炉、回转窑、篦冷机的工作参数和电气参数，其中：
采集的预热器的数据包括：预热器出口温度及压力、预热器锥体温度及压力、预热器出口气体分析；
采集的分解炉的数据包括：分解炉生料喂料量、分解炉喂煤量、分解炉出口温度、三次风温、分解炉C5温度；
采集的回转窑的数据包括：回转窑窑头喂煤量、窑尾烟室温度、窑尾烟室压力、窑转速、窑电流、窑头温度；
采集的篦冷机的数据包括：篦速，各风室风机出口压力，风机阀门开度，风机流量，风机电流。
执行器的开关量直接由PLC采集并传送至DCS。
水泥烧成就地优化控制模块设置于DCS中，水泥烧成就地优化控制模块包括分解炉就地优化控制模块和篦冷机就地优化控制模块，所述分解炉就地优化控制模块包括分解炉PID控制模块和GPC控制模块，所述篦冷机就地优化控制模块包含篦速PID控制模块、篦速GPC控制模块，其中：
分解炉PID控制模块根据分解炉出口温度实际值与分解炉出口温度设定值Tfjlsp进行比较获得偏差，根据偏差与分解炉比例增益参数Kpfjl、分解炉积分参数Kifjl、分解炉微分参数Kdfjl，计算分解炉喂煤量；
分解炉GPC控制模块根据分解炉出口温度模型，预测分解炉出口温度未来的输出曲线，并与分解炉出口温度设定值Tfjlsp进行比较获得偏差序列，从而根据所述偏差序列与分解炉喂煤量增量、分解炉GPC预测步长Pfjl、分解炉控制步长Cfjl、分解炉控制权重λfjl构成GPC性能指标；并由所述分解炉喂煤量增量的上下限约束、分解炉喂煤量的上下限约束构成GPC控制约束；在第k次采样时刻针对所述GPC性能指标和所述GPC控制约束进行GPC优化控制，从而获得第k次采样时刻喂煤量的优化值，用于PLC基于优化值控制实际分解炉出口温度；
篦速PID控制模块根据篦冷机篦下压力实际值与篦冷机篦下压力设定值Pbljsp进行比较获得偏差，根据偏差与篦速比例增益参数Kpblj、篦速积分参数Kiblj、篦速微分参数Kdblj，计算实际篦速值；
篦速GPC控制模块根据篦冷机篦压篦速模型，预测篦冷机篦压未来的输出曲线，并与篦冷机篦下压力设定值Pbljsp进行比较获得偏差序列，从而根据所述偏差序列与篦速增量、篦速预测步长Pblj、篦速控制步长Cblj、篦速控制权重λblj构成GPC性能指标；并由所述篦速增量的上下限约束、篦速的上下限约束构成GPC控制约束；在第k次采样时刻针对所述GPC性能指标和所述GPC控制约束进行GPC优化控制，从而获得第k次采样时刻篦速的优化值，用于控制器基于优化值控制实际篦冷机篦下压力；
本发明中，水泥烧成数据传输模块分别与水泥烧成数据采集模块中的PLC、DCS连接，且水泥烧成数据传输模块还与水泥烧成就地优化控制模块连接，由水泥烧成数据传输模块将PLC和DCS的数据上传至水泥烧成优化分析配置模块。
水泥烧成数据传输模块包括带防火墙的边缘终端、交换机、4G/5G/宽带网络，边缘终端支持OPC、MODBUS等标准工业协议，支持RS485、RJ45接口，边缘终端对水泥烧成数据采集模块中的DCS、PLC的数据进行采集，并通过4G/5G/宽带网络的方式将数据上传到水泥烧成优化分析配置模块。
本发明中，水泥烧成优化分析配置模块包括云平台服务器和优化分析配置服务器，边缘终端采集的数据上传至云平台服务器；
云平台服务器包括中心数据库、web服务器，用于统一管理采集数据，对数据按设备进行分类归档，包括分解炉、篦冷机、回转窑等设备。对数据类型进行分类归档，包括实时状态数据、故障数据等，方便数据查询与共享。
优化分析配置服务器在云平台服务器中获取数据，进行数据建模和优化配置，优化分析配置服务器包括分解炉优化配置模块和篦冷机优化配置模块，其中：
分解炉优化配置模块通过水泥烧成数据传输模块配置分解炉就地优化控制模块，可选择采用分解炉PID控制模块或者GPC控制模块，通过云平台服务器中的数据建立分解炉出口温度与喂煤量模型，根据遗传算法优化分解炉出口温度设定值Tfjlsp、分解炉比例增益参数Kpfjl、分解炉积分参数Kifjl、分解炉微分参数Kdfjl、分解炉喂煤量增量、分解炉GPC预测步长Pfjl、分解炉控制步长Cfjl、分解炉控制权重λfjl，可通过水泥烧成数据传输模块配置这些参数到分解炉就地优化控制模块，
篦冷机优化配置模块通过水泥烧成数据传输模块配置篦冷机就地优化控制模块，选择采用篦速PID控制模块或篦速GPC控制模块；通过云平台服务器中的数据建立篦冷机篦速篦压模型，根据遗传算法优化篦冷机篦下压力设定值Pbljsp、篦速比例增益参数Kpblj、篦速积分参数Kiblj、篦速微分参数Kdblj、篦速预测步长Pblj、篦速控制步长Cblj、篦速控制权重λblj，可通过水泥烧成数据传输模块配置这些参数到篦冷机就地优化控制模块。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：包括水泥烧成数据采集模块、水泥烧成就地优化控制模块、水泥烧成数据传输模块、水泥烧成优化分析配置模块；
所述水泥烧成数据采集模块包括数据采集传感器、PLC、DCS，其中数据采集传感器采集水泥烧成系统的预热器、分解炉、回转窑、篦冷机的工作参数和电气参数，数据采集传感器与PLC连接，PLC与DCS连接，且PLC分别与水泥烧成系统中预热器的执行器、分解炉的执行器、回转窑的执行器、篦冷机的执行器连接以采集开关量并控制执行器，由PLC接收数据采集传感器采集的模拟量并转换为数字量，并由PLC将转换的数字量及开关量信息传送至DCS；
所述水泥烧成就地优化控制模块设置于DCS中，水泥烧成就地优化控制模块包括分解炉就地优化控制模块和篦冷机就地优化控制模块，所述分解炉就地优化控制模块包括分解炉PID控制模块和GPC控制模块，所述篦冷机就地优化控制模块包含篦速PID控制模块、篦速GPC控制模块，其中：
分解炉PID控制模块根据分解炉出口温度实际值与分解炉出口温度设定值Tfjlsp进行比较获得偏差，根据偏差与分解炉比例增益参数Kpfjl、分解炉积分参数Kifjl、分解炉微分参数Kdfjl，计算分解炉喂煤量；
分解炉GPC控制模块根据分解炉出口温度模型，预测分解炉出口温度未来的输出曲线，并与分解炉出口温度设定值Tfjlsp进行比较获得偏差序列，从而根据所述偏差序列与分解炉喂煤量增量、分解炉GPC预测步长Pfjl、分解炉控制步长Cfjl、分解炉控制权重λfjl构成GPC性能指标；并由所述分解炉喂煤量增量的上下限约束、分解炉喂煤量的上下限约束构成GPC控制约束；在第k次采样时刻针对所述GPC性能指标和所述GPC控制约束进行GPC优化控制，从而获得第k次采样时刻喂煤量的优化值，用于PLC基于优化值控制实际分解炉出口温度；
篦速PID控制模块根据篦冷机篦下压力实际值与篦冷机篦下压力设定值Pbljsp进行比较获得偏差，根据偏差与篦速比例增益参数Kpblj、篦速积分参数Kiblj、篦速微分参数Kdblj，计算实际篦速值；
篦速GPC控制模块根据篦冷机篦压篦速模型，预测篦冷机篦压未来的输出曲线，并与篦冷机篦下压力设定值Pbljsp进行比较获得偏差序列，从而根据所述偏差序列与篦速增量、篦速预测步长Pblj、篦速控制步长Cblj、篦速控制权重λblj构成GPC性能指标；并由所述篦速增量的上下限约束、篦速的上下限约束构成GPC控制约束；在第k次采样时刻针对所述GPC性能指标和所述GPC控制约束进行GPC优化控制，从而获得第k次采样时刻篦速的优化值，用于控制器基于优化值控制实际篦冷机篦下压力；
所述水泥烧成数据传输模块分别与水泥烧成数据采集模块中的PLC、DCS连接，且水泥烧成数据传输模块还与水泥烧成就地优化控制模块连接，由水泥烧成数据传输模块将PLC和DCS的数据上传至水泥烧成优化分析配置模块。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：所述水泥烧成数据采集模块中的数据采集传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、重量传感器、电流传感器、电压传感器、速度传感器，由上述传感器采集水泥烧成系统的预热器、分解炉、回转窑、篦冷机的工作参数和电气参数，其中：
采集的预热器的数据包括：预热器出口温度及压力、预热器锥体温度及压力、预热器出口气体分析；
采集的分解炉的数据包括：分解炉生料喂料量、分解炉喂煤量、分解炉出口温度、三次风温、分解炉C5温度；
采集的回转窑的数据包括：回转窑窑头喂煤量、窑尾烟室温度、窑尾烟室压力、窑转速、窑电流、窑头温度；
采集的篦冷机的数据包括：篦速，各风室风机出口压力，风机阀门开度，风机流量，风机电流。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：所述水泥烧成数据传输模块包括带防火墙的边缘终端、交换机、4G/5G/宽带网络，边缘终端支持标准工业协议对水泥烧成数据采集模块中的DCS、PLC的数据进行采集，并通过4G/5G/宽带网络的方式将数据上传到水泥烧成优化分析配置模块。
4.根据权利要求1或3所述的基于物联网的水泥烧成控制与优化双层协同控制系统，其特征在于：所述水泥烧成优化分析配置模块包括云平台服务器和优化分析配置服务器，边缘终端采集的数据上传至云平台服务器；
云平台服务器包括中心数据库、web服务器，用于统一管理采集数据，对数据按设备和数据类型进行分类归档；
优化分析配置服务器在云平台服务器中获取数据，进行数据建模和优化配置，优化分析配置服务器包括分解炉优化配置模块和篦冷机优化配置模块，其中：
分解炉优化配置模块通过水泥烧成数据传输模块配置分解炉就地优化控制模块，可选择采用分解炉PID控制模块或者GPC控制模块，通过云平台服务器中的数据建立分解炉出口温度与喂煤量模型，根据遗传算法优化分解炉出口温度设定值Tfjlsp、分解炉比例增益参数Kpfjl、分解炉积分参数Kifjl、分解炉微分参数Kdfjl、分解炉喂煤量增量、分解炉GPC预测步长Pfjl、分解炉控制步长Cfjl、分解炉控制权重λfjl，可通过水泥烧成数据传输模块配置这些参数到分解炉就地优化控制模块，
篦冷机优化配置模块通过水泥烧成数据传输模块配置篦冷机就地优化控制模块，选择采用篦速PID控制模块或篦速GPC控制模块；通过云平台服务器中的数据建立篦冷机篦速篦压模型，根据遗传算法优化篦冷机篦下压力设定值Pbljsp、篦速比例增益参数Kpblj、篦速积分参数Kiblj、篦速微分参数Kdblj、篦速预测步长Pblj、篦速控制步长Cblj、篦速控制权重λblj，可通过水泥烧成数据传输模块配置这些参数到篦冷机就地优化控制模块。
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