CN113405956B - 一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法、系统、设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制领域，公开了一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法、系统、设备，本发明提出的粒度分析仪检测数据的在线校正方法，利用离线低频的化验室检测数据校正在线高频的粒度分析仪检测数据，增加了粒度分析仪输出数据的准确度和可信度，为水泥粉磨生产自动控制打下了良好基础。

Description

一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法、系统、设备

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法、系统、设备。

背景技术

工业生产和科学研究中的原料和制成品，很多是以粉体的形式存在的，而粉体颗粒的大小和分布对于产品性能往往具有重要的影响，例如催化剂的粒度影响化学反应的快慢，涂料的粒度影响涂饰的表面光泽度，药物粒度影响吸收率和治疗效果，水泥的粒度影响需水量、凝结时间和强度等。

激光粒度分析仪(以下简称粒度分析仪)是一种新兴的测量粉体粒度大小和分布的仪器。其工作原理为：粒度分析仪主机内部装有激光发射器和接收器，利用压缩空气产生的负压，将待检测的粉状物料吸入粒度分析仪主机内部。激光穿过粉状物料时发生衍射，在接收器端形成强弱不同的光斑，将接收器端的光信号转化为数字信号传输至上位机，通过软件分析出粉体粒度的大小和分布情况，支持对外通信提供检测结果。

以水泥粉磨生产自动控制为例介绍粒度分析仪在生产中的具体应用：

水泥企业在粉磨生产过程中，一般是化验室每隔一小时左右从生产现场取水泥综合样化验分析，获取水泥的比表、细度、钙、硫含量等信息，然后告知中控室操作员当前水泥成品质量信息。所谓水泥综合样，是指取样器在一小时内每隔固定时间少量多次从水泥输送管道中取样汇合而成的样品，能较准确地代表这一小时内所生产水泥的平均性能。位于中控室的操作员(以下简称操作员)获知综合样检测指标后，根据自己的经验在DCS系统中调节风机转速、冷风阀开度、选粉机转速等控制水泥比表面积和细度指标。这种传统的人工控制生产存在一些矛盾点：1)化验室检验的频率为一小时一次，实时性不好，使得中控室的生产调节具有滞后性；2)化验室的工作人员劳动强度大，必须每个小时都不停地取样、化验，否则生产变成盲操，产品质量不可控。

近年来，出现了一些水泥粉磨生产的自动控制方法，原理是利用粒度分析仪实时获取水泥的比表、细度以及粒度分布等信息作为反馈，然后使用先进控制算法计算输出风机转速、冷风阀开度、选粉机转速等，并下达给DCS动作相应设备，达到代替操作员，自动调节生产的目的。这些方法极大地提高了水泥生产的自动化程度，使得生产变得精细可控，取得了良好的经济效益。可以说，粒度分析仪是实现水泥粉磨生产自动控制的眼睛，粒度分析仪数据的准确性和可靠性是实现生产自动控制的先决条件。

然而，利用粒度分析仪检测粉体物料粒度仍然存在一些问题：粒度分析仪在长时间使用后，数据会产生“漂移”现象。以粒度分析仪检测水泥细度为例解释“漂移”现象：在使用粒度分析仪之前，粒度分析仪的厂家和水泥企业会利用粒度分析仪和化验室分别对生产现场的同一份综合样进行检测，得出两个不同的细度值。连续检测生产过程中的几十份综合样，就能得到两组不同的细度值。正常情况下，由于是用不同的方法检测同一生产过程中的样品，这两组细度值存在一定的对应性关系，一般认为是线性关系。业内一般公认化验室检测的那一组细度为水泥细度的真实值，粒度分析仪的实时测量值为参考值。这是符合实际情况的，原因在于水泥企业化验室检测水泥综合样的细度使用的方法是国标规定的方法，经过多年实践检验被认定为准确有效而成为标准方法。因此，粒度分析仪厂家会以化验室细度值作为目标值，以同时间段内粒度分析仪检测得到的细度原始值为输入，利用线性回归等方法计算粒度分析仪细度至化验室细度的线性变换系数。之后，粒度分析仪再检测水泥细度时，就以该变换系数对原始细度进行变换处理，变换后的细度值作为粒度分析仪的最终细度检测值。这种方式也称为离线式的粒度仪检测数据校正方法。

所谓“漂移”现象就是指粒度仪在长时间使用后，受生产现场的温度、湿度、气压，仪器的振动和平时维护情况等诸多因素影响，粒度分析仪的输出特性发生了缓慢变化。如果仍使用初始标定的离线式线性变换系数，则化验室检测的细度与粒度分析仪经过变换的检测细度之间的差异增大，粒度分析仪检测的细度结果会被认为失效，造成生产自动控制失效。在调研了国内外多个品牌的粒度分析仪后发现，在水泥生产自动控制的应用中，粒度分析仪的检测结果几乎都会发生不同程度的“漂移”现象，该现象已经成为制约水泥粉磨生产自动控制效果的一大不利因素，迫切需要得到解决。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法、系统、设备。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法，利用化验室数据输入系统录入水泥综合样细度的离线检测数据，并通过该离线检测数据校正粒度分析仪对水泥综合样细度的实时测量值，每个采样时刻能够在化验室数据输入系统中获取一次离线检测数据；每两个相邻采样时刻之间的时间段内能够在粒度分析仪中获取多个实时测量值，对该多个实时测量值求平均值后得到一个在线检测数据，作为这两个相邻采样时刻中后一个采样时刻的在线检测数据；包括以下步骤：

步骤一：获取最后n个采样时刻的在线检测数据{x_i}和离线检测数据{y_i}，对每个在线检测数据x_i预设权重系数c_i,得到{c_i}；其中1≤i≤n,i∈N^*；

步骤二：构造代价函数求取能够使z取得极小值的线性变换系数a、b；

步骤三：利用a和b对接下来的m个采样时刻对应时间段内的实时测量值{x_r}进行线性变换，得到{xnew_r|r∈R,(n+1)·Δt≤r≤(n+m)·Δt}，Δt为相邻两个采样时刻的时间间隔，xnew_r＝ax_r+b；通过xnew_r完成对粒度分析仪实时测量值的校正；

步骤四：重复步骤一、二、三。

具体地，进行步骤二之前，先计算在线检测数据和离线检测数据的相关系数并将相关系数与预警下限ρ_min、停止下限ρ_mmin进行比较，得到漂移结果；具体地，

如果漂移结果为未“漂移”，则继续运行后续步骤；如果漂移结果为“漂移”预警，则继续运行后续步骤，但同时发出预警；如果漂移结果为“漂移”，则停止运行后续步骤。

具体地，权重系数构成的数列{c_i|1≤i≤N,i∈N^*}为递增等差数列。

一种粒度分析仪检测数据的在线校正系统，包括：

先进控制系统，其能够作为先进控制算法和所述在线校正方法的运行载体，且能够与集散控制系统、数据库系统、粒度分析仪进行通信；

集散控制系统，可以读取和显示选粉机和循环风机转速，下发控制指令，动作选粉机和循环风机；

所述的粒度分析仪，用于检测水泥综合样的实时比表面积、细度、颗粒分布，并支持对外通信提供实时测量值；

数据库系统，用于存储先进控制系统的中间运行数据，接收和存储来自化验室数据输入系统的离线检测数据；

所述的化验室数据输入系统，用于供化验室人员输入化验室对水泥综合样的离线检测数据，包括水泥综合样的比表面积、细度、颗粒分布。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的在线校正方法。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

水泥粉磨生产自动控制技术作为智能制造的核心应用在水泥行业内得到了广泛重视。相较于人工控制，自动生产控制由于其动作频率高，卡边优化等特性使得水泥生产过程变得精细可控，取得了良好的质量效益和经济效益。然而，受生产现场温度、湿度、气压，仪器的振动和平时维护情况等诸多因素影响，水泥粉磨自动控制所依赖的核心检测设备—粒度分析仪的检测输出特性，会随时间会发生缓慢改变。若使用传统的离线式数据校正方法，在长时间使用后粒度分析仪检测输出的水泥比表面积和细度等指标与化验室检测的数值差异会变大，使得水泥粉磨生产自动控制变得不可控甚至失效。

本发明提出的粒度分析仪在线数据校正方法，利用离线低频的化验室检测数据校正在线高频的粒度分析仪检测数据，增加了粒度分析仪检测数据的准确度和可信度，为水泥生产自动控制奠定了良好基础。

具体地，本发明所述的一种粒度分析仪检测数据在线校正方法具有以下几个优点：

1.增加数据准确性和可靠性。通过在线计算粒度仪检测数据与化验室检测数据与之间的相关性系数ρ_xy，量化判断粒度分析仪是否出现“漂移”现象，能第一时间发现粒度分析仪数据是否异常，保证粒度分析仪输出原始数据的可靠性和准确性，避免了粒度分析仪失效后其检测数据继续被当作先进控制算法输入的危险情况；

2.响应迅速，迟滞小，对生产自动控制影响小。通过引入权重系数 c₁,c₂,...,c_i,...,c_n(1≤i≤n,c_i≥0)，对不同时刻的检测结果数据权重进行区分，离现在越近时间所检测的结果数据，对在线计算线性变换系数的影响越大，使得线性变换系数能迅速调整以适合当前时刻，调整速度快；

3.一定条件下取得最优校正结果。通过构造代价函数，使得计算出的线性变换系数在一定条件下最优，避免线性变换系数设置不当使得粒度仪输出最终的输出数据偏差较大的情况，从原理上避免校正数据后产生“漂移”现象；

4.适应的检测范围更广。离线式校正数据的方法依赖于根据初始的离线检测结果计算出的初始线性变换系数，而初始的离线检测结果样本范围有限。本发明迭代更新构造离线检测结果样本数据集，进而迭代更新线性变换系数，使得在线更新后的线性变换系数永远与当前时刻相适应。由于构造的离线检测结果数据集范围更大，所以适应的检测范围更广；

5.减轻化验室人员劳动强度。目前水泥企业普遍采用的化验室检测水泥综合样频率为1h/次，采用本发明所述粒度分析检测数据在线校正方法，提高了粒度分析仪与化验室数据的吻合度，即提高了粒度分析仪检测结果的可信度。可以利用粒度分析仪检测短时取代化验室人员检测，使得化验室检测综合样的频率降低至2h/次甚至更低，有效减轻化验室人员劳动强度。

附图说明

图1为本发明在线校正系统的框架图；

图2为本发明粒度分析仪实时测量值离线校正结果示意图；

图3为本发明粒度分析仪实时测量值在线校正结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，所述在线校正系统，主要包括先进控制系统(以下简称先控系统)、集散控制系统(Distributed Contorl System，以下简称DCS系统)、粒度分析仪、数据库系统、化验室数据输入系统。其中，先控系统是先进控制算法和粒度仪在线数据校正算法的运行载体，同时兼具与外部DCS系统、数据库系统、粒度分析仪通信的功能。在本实施例中，先控系统与DCS系统、粒度分析仪之间采用OPC通信协议(Object Linking and Embedding forProcess Control，以下简称OPC协议) 进行通信。DCS系统是水泥企业原有的生产控制系统，可以读取和显示底层生产设备实时运行状态，下发控制指令给底层生产设备以调节生产，并对外提供通信功能，支持与外界交互生产状态和设备状态信息。粒度分析仪被安装在水泥生产线上，用于检测所生产的水泥综合样实时比表面积、细度、颗粒分布等指标。粒度分析仪主机对外提供通信功能，先控系统可以通过OPC协议读取其检测结果。数据库系统用于存储先控系统的中间运行数据、接收和存储来自化验室数据输入系统录入的水泥综合样实时检测数据，包括比表面积、细度等信息。化验室数据输入系统可以采用 B/S构架或C/S构架，负责提供界面给化验室人员每隔固定时间输入一次正在生产的水泥综合样的实时化验结果，包括比表面积、细度等信息。本实施例中，假定化验室人员每隔1小时输入一次化验室的细度检测数据，该频率也是目前水泥企业普遍采用的检测生产样品频率。

一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法，其实施的具体步骤如下：

S1：构建原始数据集。以当前时刻的n个小时前为0时刻基准，记化验室数据输入系统第0～n个小时内所录入的n个水泥综合样细度检测数据分别为 y₁,y₂,…,y_i,…,y_n,(1≤i≤n,i∈N^*)，则当前时刻为第n个小时。

先控系统利用OPC协议从粒度分析仪读取所述第0～n个小时的实时测量值，记为x₁,x₂,…,x_i,…,x_n,(1≤i≤n,i∈N^*)。由于粒度分析仪检测输出实时细度频率远高于化验室数据输入系统录入细度频率，所以x_i是指化验室第(i-1)小时至第n小时时间段内，粒度分析仪检测的多个实时测量值的平均值。若记x_r为r时刻粒度分析仪检测输出的实时测量值，则

在先控系统中，操作员预设x₁,x₂,…,x_i,…,x_n,(1≤i≤n,i∈N^*)的对应的数据权重系数分别为c₁,c₂,...,c_i,...,c_n,(1≤i≤n,i∈N^*,c_i≥0)，一般情况下，令c₁值最小，表示离当前时刻最远的数据x₁权重最小。令c_n值最大，表示离当前时刻最近的数据x_n权重最大。令c₁～c_n之间的数据为线性均匀变化，即 显然，若设置c₁＝c₂，则每个数据的权重相等。

S2：判断粒度分析仪输出数据是否发生“漂移”。在先控系统中，计算步骤S1 中x,y两组数据之间的相关系数与设定的值相比较，判断粒度分析仪输出数据是否发生“漂移”，即/>其中ρ_mmin和ρ_min为先控系统中操作员预设的停止下限、预警下限。若未“漂移”，先控系统直接运行后面的步骤S3～S7；若“漂移”预警，先控系统接着运行后面的步骤S3～S7，但提醒操作员密切观察接下来的相关系系数ρ_xy的变化方向，提前做好粒度分析仪失效准备；若“漂移”，则先控系统停止运行后面的步骤S3～S7，并主动切除生产自动控制功能，操作员排查粒度分析仪输出实时测量值不准的原因直至解决。

S3：求线性变换系数a和b。假设x_i和y_i存在线性关系，利用S1中的数据集，在先控系统中构造代价函数求取a和b使得z取得极小值。具体地，令解得：

S4：校正实时测量值。以当前时刻(第n个小时)为基准，在接下来m个小时内 (m为更新步长，)，化验室人员每隔1小时在化验室数据输入系统中录入所生产水泥综合样的离线检测数据。若称步骤S1中的y_i,(1≤i≤n)为化验室的第i次离线检测数据，则接下来m小时内化验室人员输入的数据称为第n+1 次～第n+m次离线检测数据y_i,(n+1≤i≤n+m,i∈N^*)。

另一方面，在第n+1至第n+n小时所对应的时间段内，由于粒度分析仪的输出频率较高，所以输出了多个实时测量值x_r,(r∈R,n+1≤r≤n+m)，先控系统对这些x_r进行线性变换处理，利用步骤S3求得的a和b对x_r做线性变换，即 xnew_r＝ax_r+b,(r∈R,n+1≤r≤n+m)。

以xnew_r作为先控系统中所运行的先进控制算法的实时输入，利用先进控制算法实时计算输出选粉机转速和循环风机转速，通过OPC通信将该计算结果传输至DCS 系统，DCS系统按计算结果动作选粉机和循环风机，完成一次闭环自动控制。

S5：更新线性变换系数。先控系统读取化验室数据输入系统第m+1次至第m+n 次所录入的离线检测数据

同时，先控系统利用OPC协议从粒度分析仪上读取第m+1小时至第m+n小时的在线检测数据与/>一起构建新的数据集；按步骤S2中的方法，校验新数据集的有效性，按照步骤S3中的方法，计算新的线性变换系数a_new和b_new。

S6：以第n+m小时为时间基准，用步骤S5得到的新的线性变换系数a_new和b_new，来校正接下来m个小时内粒度分析仪输出的实时测量值。类似于步骤S4，化验室人员每隔1小时在化验室数据输入系统中录入水泥综合样的离线检测数据，记为先控系统从粒度分析仪中读取第 n+m+1小时至第n+2m小时内粒度分析仪输出的多个实时测量值x_r,(r∈R,n+ m+1≤r≤n+2m)，用步骤S5计算的a_new和b_new做线性变换校正，即 xnew_r＝a_newx_r+b_new,(r∈R,n+m+1≤r≤n+2m)。

以xnew_r作为先控系统中所运行的先进控制算法的实时输入，利用先进控制算法实时计算输出选粉机转速和循环风机转速，通过OPC通信将该计算结果传输至DCS 系统，DCS系统按计算结果动作选粉机和循环风机，完成一次闭环自动控制。

S7：依次类推，不断迭代步骤S4～S6步，动态更新a和b，总是用更新后的a_new和 b_new去校正接下来m个小时的粒度分析仪检测输出的实时测量值，用校正后的xnew_r作为最终的用于自动生产的先进控制算法的细度输入，进行闭环自动控制过程，直至生产结束。

图2为粒度分析仪实时测量值离线校正结果，图3为粒度分析仪实时测量值在线校正结果，其中粒度分析仪原始细度即实时测量值，化验室检测细度即离线检测数据；可以看出采用本发明所述在线校正方法，粒度分析仪的实时测量值经过校正处理后与化验室检测数据更为接近，符合样品的真实细度。

利用本发明中的在线校正方法，对细度数据、比表面积等检测数据进行校正，均应当视为在本发明的保护范围内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种粒度分析仪检测数据的在线校正方法，利用化验室数据输入系统录入水泥综合样细度的离线检测数据，并通过该离线检测数据校正粒度分析仪对水泥综合样细度的实时测量值，每个采样时刻能够在化验室数据输入系统中获取一次离线检测数据；每两个相邻采样时刻之间的时间段内能够在粒度分析仪中获取多个实时测量值，对该多个实时测量值求平均值后得到一个在线检测数据，作为这两个相邻采样时刻中后一个采样时刻的在线检测数据；其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：获取最后n个采样时刻的在线检测数据和离线检测数据/>，对每个在线检测数据/>预设权重系数/>,得到/>；其中/>；

步骤二：构造代价函数，求取能够使/>取得极小值的线性变换系数/>、/>：

，

；

步骤三：利用和/>对接下来的m个采样时刻对应时间段内的实时测量值/>进行线性变换，得到/>，/>为相邻两个采样时刻的时间间隔，/>；通过/>完成对粒度分析仪实时测量值的校正；

步骤四：重复步骤一、二、三；

进行步骤二之前，先计算在线检测数据和离线检测数据的相关系数；并将相关系数与预警下限/>、停止下限/>进行比较，得到漂移结果；具体地，

；

如果漂移结果为未“漂移”，则继续运行后续步骤；如果漂移结果为“漂移”预警，则继续运行后续步骤，但同时发出预警；如果漂移结果为“漂移”，则停止运行后续步骤；

权重系数构成的数列为递增等差数列。

2.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述的在线校正方法。