專利名稱：基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水泥流程工業(yè)領(lǐng)域的生料粉磨領(lǐng)域，特別是涉及基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，水泥流程工業(yè)的生料粉磨過程占據(jù)了水泥生產(chǎn)過程總能耗的30% 40%，原始的生料生產(chǎn)過程仍以球磨機粉磨為主，但是球磨機不僅單機產(chǎn)量低，且生產(chǎn)過程揚塵大、 噪聲大、產(chǎn)出能耗比高。立磨采用烘干風(fēng)掃技術(shù)，將磨機與選粉機集成在一起，提高了粉磨效率，單機設(shè)計產(chǎn)量接近同體積球磨機的2倍；磨內(nèi)始終保持高負(fù)壓狀態(tài)，大量減少了揚塵；采用料床輥壓技術(shù)替代原有鋼球碰撞擠壓，大大降低了噪音。因此立磨逐漸取代球磨機成為生料粉磨的首選設(shè)備。但是，現(xiàn)階段，立磨系統(tǒng)的控制主要有以下兩種形式1、DCS監(jiān)控系統(tǒng)+操作員經(jīng)驗調(diào)節(jié)；2、DCS監(jiān)控系統(tǒng)+PID反饋調(diào)節(jié)+操作員經(jīng)驗調(diào)節(jié)。方式1完全依靠操作員的經(jīng)驗判斷來進行立磨系統(tǒng)的控制，缺點如下(1)立磨生產(chǎn)效率通常無法達(dá)到最大；(2)立磨運行狀態(tài)波動大，降低設(shè)備的使用壽命；(3)誤操作幾率大，不僅損害設(shè)備，系統(tǒng)持續(xù)運行時間短；(4)產(chǎn)品主要質(zhì)量參數(shù)，如粒度、細(xì)度等，波動性較大。方式2雖然加入了一定的控制策略，但對于立磨系統(tǒng)這種具有非線性、大滯后、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID的控制效果很差，對操作員的依賴性仍然很強，且具有與方式1類似的缺陷?，F(xiàn)有的先進控制策略包括模糊PID控制、模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制等。模糊PID控制、模糊控制和專家控制均在工業(yè)過程控制領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，但仍然適用于工況較簡單、系統(tǒng)耦合性弱、線性特征明顯、控制目標(biāo)單一的工業(yè)過程系統(tǒng)，對于具有大延時、非線性、強耦合特點的復(fù)雜工業(yè)過程，以上控制方法不僅在控制器構(gòu)建時會遇到很多困難，且無法達(dá)到期望的控制效果。預(yù)測控制被認(rèn)為是一種非常適合流程工業(yè)的優(yōu)化控制算法，對于復(fù)雜控制問題， 預(yù)測控制技術(shù)能夠取得比傳統(tǒng)控制方式更好的控制效果，并已得到廣泛的應(yīng)用。動態(tài)矩陣控制作為預(yù)測控制的一種，不但具有滾動優(yōu)化、反饋校正等預(yù)測控制的傳統(tǒng)特點，而且具有對模型要求較低、處理約束方便、魯棒性強等特性，非常適合應(yīng)用在具有大滯后、非線性和強耦合等特點的立磨系統(tǒng)中。國內(nèi)外，已經(jīng)有很多學(xué)者對預(yù)測控制理論在球磨機控制方面的應(yīng)用做了大量理論研究工作，并在一些現(xiàn)場投入試運行，取得不錯的運行效果。現(xiàn)有的立磨DCS監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)測立磨關(guān)鍵運行參數(shù)，并采集記錄其實時數(shù)值(每秒采集一次)，這為預(yù)測控制器的設(shè)計提供了很好的基礎(chǔ)平臺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制方法及系統(tǒng)，以改善水泥立磨系統(tǒng)現(xiàn)有控制方式落后、設(shè)備生產(chǎn)效率及運轉(zhuǎn)率低、操作人員工作強度大等現(xiàn)狀，并克服其自身具有的大滯后、強耦合、非線性等缺陷。本發(fā)明提供了一種針對立磨粉磨過程的先進控制系統(tǒng)，以模型辨識和預(yù)測控制理論為基礎(chǔ)，以提高磨機運行過程穩(wěn)定性、增大臺時產(chǎn)量和提高成品合格率為目標(biāo)，并力求設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、操作維護方便、運行可靠。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷并最大化利用立磨工業(yè)現(xiàn)場的現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
提供一種基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制方法，包括以下步驟
(1)流程監(jiān)控模塊通過數(shù)據(jù)通訊接口OPC從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取立磨粉磨過程的實時數(shù)據(jù)；在對操作和工藝參數(shù)的變化趨勢進行分析后，病態(tài)工況預(yù)警模塊調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M行趨勢匹配；如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；如匹配結(jié)果未提示存在病態(tài)工況，則進行下一步驟；
(2)目標(biāo)優(yōu)化模塊根據(jù)立磨基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況，給出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機出口溫度的最佳目標(biāo)設(shè)定值，并寫入預(yù)測控制器；
(3)負(fù)荷控制模塊根據(jù)最佳目標(biāo)設(shè)定值，設(shè)定喂料量、選粉機轉(zhuǎn)速、噴水閥開度、液壓輥壓力和冷熱風(fēng)閥開度的最佳控制量輸出，并由預(yù)測控制器輸出至DCS監(jiān)控系統(tǒng)，進而控制現(xiàn)場執(zhí)行器動作。本發(fā)明的步驟O)中，若所述最佳目標(biāo)設(shè)定值的變化幅度超出預(yù)設(shè)值，則提醒進行模型重新辨識；模型辨識模塊重新辨識立磨粉磨過程的數(shù)學(xué)模型，并更新至預(yù)測控制器； 否則，保留預(yù)測控制器中的原有數(shù)學(xué)模型不變。本發(fā)明中，所述病態(tài)工況專家?guī)斓臉?gòu)建方法為從存儲于DCS監(jiān)控系統(tǒng)的立磨操作和生產(chǎn)工藝的歷史數(shù)據(jù)中提取立磨運行所有病態(tài)工況，并通過數(shù)據(jù)分析來確定各病態(tài)工況出現(xiàn)時反映工況變化的監(jiān)測量及變化趨勢，以此構(gòu)建立磨粉磨過程的病態(tài)工況專家?guī)?。進一步地，本發(fā)明還提供了一種用于實現(xiàn)前述方法的基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制系統(tǒng)，包括內(nèi)置立磨粉磨過程的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測控制器，該系統(tǒng)還包括
用于獲取立磨粉磨過程所有關(guān)鍵監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的流程監(jiān)控模塊，通過數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接至立磨粉磨生產(chǎn)裝置的DCS監(jiān)控系統(tǒng)；
用于對出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機出口溫度的最佳目標(biāo)值進行設(shè)定的目標(biāo)優(yōu)化模塊；和
用于最佳控制量輸出值計算的負(fù)荷控制模塊，包含預(yù)測控制器；預(yù)測控制器與DCS監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接；
流程監(jiān)控模塊與目標(biāo)優(yōu)化模塊、負(fù)荷控制模塊分別連接，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞； 其中
流程監(jiān)控模塊內(nèi)置立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、病態(tài)工況專家?guī)旌皖A(yù)警提示模塊；病態(tài)工況預(yù)警模塊與病態(tài)工況專家?guī)煜噙B，通過查詢模式與病態(tài)工況專家?guī)鞂崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交換；病態(tài)工況預(yù)警模塊與第一預(yù)警提示模塊連接，通過寫入模式與第一預(yù)警提示模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞；
目標(biāo)優(yōu)化模塊內(nèi)置目標(biāo)優(yōu)化計算模塊、第二預(yù)警提示模塊、模型辨識模塊、模型寫入模塊和目標(biāo)設(shè)定值寫入模塊；目標(biāo)優(yōu)化計算模塊與模型辨識模塊相連，以預(yù)警提示模式實現(xiàn)選擇性連接；目標(biāo)優(yōu)化模塊與負(fù)荷控制模塊之間連接，實現(xiàn)目標(biāo)設(shè)定值寫入、模型寫入。
本發(fā)明中，所述立磨先進控制系統(tǒng)為軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，包括支撐系統(tǒng)運行的計算機硬件設(shè)備和運行于計算機硬件設(shè)備上的各種軟件功能模塊。本發(fā)明所述流程監(jiān)控模塊、目標(biāo)優(yōu)化模塊、負(fù)荷控制模塊、預(yù)測控制器、立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、病態(tài)工況專家?guī)臁⒌谝活A(yù)警提示模塊、目標(biāo)優(yōu)化計算模塊、第二預(yù)警提示模塊、模型辨識模塊、 模型寫入模塊和目標(biāo)設(shè)定值寫入模塊均為軟件功能模塊。這些軟件功能模塊的具體實現(xiàn)方式可以有很多種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明思路及各服務(wù)器和相應(yīng)模塊的功能描述之后，完全可以根據(jù)其掌握的技能實現(xiàn)各模塊的編程與運行，不存在無法理解或無法再現(xiàn)的可能性。本發(fā)明具有預(yù)警、建議和預(yù)調(diào)節(jié)功能，根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗構(gòu)建的工況專家?guī)炜梢詭椭袛喾勰ミ^程工況變化趨勢并對病態(tài)情況預(yù)警，根據(jù)磨機工況趨勢給出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)建議，包括選粉機轉(zhuǎn)速、液壓輥液壓力等，預(yù)測控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和目標(biāo)設(shè)定值，預(yù)判當(dāng)前時刻控制量變化在未來一段時間內(nèi)可能引起的粉磨過程運行狀態(tài)的變化，給出控制量的最佳調(diào)節(jié)量。本發(fā)明集合了靜態(tài)優(yōu)化動態(tài)優(yōu)化兩種方法，其靜態(tài)優(yōu)化方式通過獲取立磨粉磨過程運行參數(shù)構(gòu)建粉磨過程最佳數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)立磨基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求對模型進行實時更新；立磨系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化方式在目標(biāo)變量設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)和控制量歷史數(shù)據(jù)、歷史變化量等基礎(chǔ)上，根據(jù)粉磨過程數(shù)學(xué)模型，采用預(yù)測控制算法計算控制量歷史變化對目標(biāo)變量的影響，尋找控制量累積調(diào)節(jié)量最小、目標(biāo)變量向設(shè)定值逼近最快的最佳控制方案，最佳目標(biāo)設(shè)定根據(jù)基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化來確定。本發(fā)明根據(jù)獲取的反映原料品質(zhì)和成品質(zhì)量的歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)，可以對磨機運轉(zhuǎn)情況進行最優(yōu)化，包括最佳料層厚度設(shè)定、最佳循環(huán)負(fù)荷設(shè)定、最佳液壓輥壓力設(shè)定和最佳磨機出口溫度設(shè)定。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于
本發(fā)明專利可以大大提高立磨粉磨過程的自動化水平，且充分利用現(xiàn)有的控制基礎(chǔ)條件，如DCS監(jiān)控系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上組建上位機先進控制系統(tǒng)。針對立磨粉磨過程的非線性、 強耦合、大滯后等復(fù)雜特點，摒棄常規(guī)控制算法，采用預(yù)測控制算法提升控制系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和有效性，保證立磨在最大效率點附近長期穩(wěn)定運行，保證成品合格率始終處于較高水平且質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定；在運行過程中，液壓輥壓力、選粉機轉(zhuǎn)速和喂料量合理配合，使物料在磨機內(nèi)部充分研磨且減小物料在磨內(nèi)的循環(huán)量，從而有效降低水泥廠生產(chǎn)過程的電耗，提高經(jīng)濟效益；同時可以有效避免出現(xiàn)空磨、飽磨等惡劣工況，防止設(shè)備出力過重而損傷，減少維護費用；本發(fā)明專利采用可視化可操作軟件形式，操作方便，工作可靠的優(yōu)點。立磨先進控制系統(tǒng)，一方面提高立磨的臺時產(chǎn)量，提高成品的質(zhì)量；一方面降低立磨的產(chǎn)出能耗比，降低操作員的工作強度，延長磨機設(shè)備的使用壽命。本發(fā)明具有以下顯著的優(yōu)點
(1)集合了立磨系統(tǒng)所有病態(tài)工況，可以準(zhǔn)確地給出定性調(diào)節(jié)建議。(2)實時建立和更新立磨粉磨過程的數(shù)學(xué)模型，減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。(3)預(yù)測控制算法可靠準(zhǔn)確的指導(dǎo)立磨粉磨過程。(4)保證磨機在最大效率點長期穩(wěn)定運行，并保留一定的穩(wěn)定余量。


圖1為典型立磨粉磨過程工藝流程圖； 圖2為立磨先進控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3為立磨先進控制系統(tǒng)各功能模塊之間的邏輯關(guān)系圖； 圖4為軟件設(shè)計功能界面簡圖； 圖5為立磨粉磨過程優(yōu)化控制流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明具有多目標(biāo)優(yōu)化功能，且靜態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化兼容，可以根據(jù)立磨運行基本條件與產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化，獲得最佳目標(biāo)設(shè)定值，調(diào)用在線模型辨識模塊重新辨識粉磨過程數(shù)學(xué)模型，并將上述最佳目標(biāo)設(shè)定值和過程模型更新至預(yù)測控制器；動態(tài)優(yōu)化指采用帶有滾動誤差補償、凸優(yōu)化尋優(yōu)和閉環(huán)反饋功能的預(yù)測控制算法，自動尋找達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值的最佳控制路徑，以保證控制量變化累加值最小、逼近目標(biāo)值過程最快。本發(fā)明中，所述流程監(jiān)控模塊、目標(biāo)優(yōu)化模塊、預(yù)測控制器、模型辨識模塊和負(fù)荷控制模塊均為由軟件功能模塊，其具體實現(xiàn)方式可以有很多種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明思路及各模塊的功能描述之后，完全可以根據(jù)其掌握的技能實現(xiàn)各模塊的編程與運行，不存在無法理解或無法再現(xiàn)的可能性。下面結(jié)合附圖對發(fā)明內(nèi)容作詳細(xì)說明
圖1描述了一個典型立磨粉磨過程的工藝流程圖，電動機12通過減速機帶動磨盤4轉(zhuǎn)動，現(xiàn)時熱風(fēng)14、15從進風(fēng)口進入磨內(nèi)，物料經(jīng)穩(wěn)流倉8均勻混合后，在入磨皮帶9與回料提升機5運回的回料混合，經(jīng)三道鎖風(fēng)閥6進行金屬除渣后，從下料口落在磨盤中央；由于離心力的作用，物料向磨盤邊緣移動，經(jīng)過磨盤上的環(huán)形槽時受到的磨輥3的碾壓而粉碎， 繼續(xù)向磨盤邊緣移動，直到被風(fēng)處的氣流帶起，大顆粒直接落回到磨盤上的重新粉磨。氣流中的物料經(jīng)過分離器2時，在導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子的作用下，粗料從錐斗重新落到磨盤上，細(xì)粉隨氣流一起出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置7中收集，即為產(chǎn)品，物料在與氣體接觸過程中被烘干，達(dá)到所要求的產(chǎn)品水分，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)葉片的角度和分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，便可得到不同細(xì)度的產(chǎn)品17。為了保障立磨系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，并生產(chǎn)出合格的物料，必須合理控制喂料量、磨輥研磨壓力、磨機通風(fēng)溫度和風(fēng)量等重要參數(shù)。立磨的操作要點主要有
(1)保持穩(wěn)定的料層厚度。合適的料層厚度是立磨料床粉磨的基礎(chǔ)，正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。 料層厚度可通過調(diào)節(jié)檔料圈的高度來調(diào)整，合適的厚度以及它們與磨機產(chǎn)量之間的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)在調(diào)試階段找出。料層厚度過厚將使得立磨粉磨效率變低，料層太薄會使磨輥與磨盤之間的沖擊過于劇烈，從而引起磨機振動，甚至?xí)p壞磨盤和磨輥。(2)選擇合適的磨輥液壓壓力。立磨是借助于對料層施加高壓而進行粉磨作業(yè)的。正常操作下，隨著壓力的增加，產(chǎn)量會相應(yīng)得增加，但是磨輥壓力增加與所需要的功率有直接對應(yīng)關(guān)系。因此此舉屬于整個系統(tǒng)的能效問題。合適的磨輥壓力需要兼顧產(chǎn)量和電耗，該值取決于物料性質(zhì)、粒度以及磨機產(chǎn)量。對于某個具體的企業(yè)來說，應(yīng)找出合適的磨輥壓力以及壓力與生產(chǎn)能力之間的對應(yīng)關(guān)系；
6(3)選擇合適的風(fēng)速。立磨系統(tǒng)主要靠氣流帶動物料循環(huán)。合理的選擇磨內(nèi)風(fēng)速可以形成較好的磨內(nèi)循環(huán)，使盤上料層穩(wěn)定，從而提高粉磨效率。在生產(chǎn)過程中，當(dāng)風(fēng)環(huán)面積已確定，則風(fēng)速由風(fēng)量所決定。合理的風(fēng)量應(yīng)和喂料量相聯(lián)系，如喂料量增大，則應(yīng)增大進風(fēng)量。如果在實際操作中，風(fēng)速過大而喂料過小則外循環(huán)量加大，進而使料層變薄，引起磨機振動；
(4)合理地控制磨內(nèi)風(fēng)溫。立磨是烘干粉磨系統(tǒng)，出磨風(fēng)溫是磨機正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。如果風(fēng)溫過低，則烘干能力不足，成品水分增大，影響粉磨效率和烘干效率。參照圖2所示，為立磨先進控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，描述了一種水泥廠生料粉磨過程優(yōu)化控制方法，包括以下步驟
(1)獲取立磨DCS監(jiān)控系統(tǒng)存儲的大量歷史數(shù)據(jù)，現(xiàn)場調(diào)研立磨操作和生產(chǎn)工藝，提取立磨運行中所有病態(tài)工況，通過數(shù)據(jù)分析確定各病態(tài)工況出現(xiàn)時，能反映工況變化的監(jiān)測量及其變化趨勢，建立立磨粉磨過程病態(tài)工況專家?guī)?。以上工作均離線完成；
(2)通過數(shù)據(jù)通訊接口OPC從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取粉磨過程歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)；相關(guān)變量變化趨勢分析，調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)欤袛嗔⒛ハ到y(tǒng)是否出現(xiàn)病態(tài)工況，進行預(yù)警顯示，給出定性調(diào)節(jié)建議；
(3)根據(jù)原料品質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量要求變化與否，選擇性調(diào)用模型辨識模塊，若模型發(fā)生變化，更新到預(yù)測控制器；
(4)根據(jù)立磨基本運行條件(如原料含水量、原料粒度)和成品質(zhì)量要求(如粒度、細(xì)度)，給出最佳料層厚度設(shè)定、最佳循環(huán)負(fù)荷設(shè)定、最佳液壓輥壓力設(shè)定、最佳磨機出口溫度設(shè)定；
(5)以料層厚度設(shè)定、循環(huán)負(fù)荷設(shè)定、液壓輥壓力設(shè)定、磨機出口溫度設(shè)定為目標(biāo)，給出最佳控制量輸出喂料量、選粉機轉(zhuǎn)速、噴水閥開度、液壓輥壓力和冷、熱風(fēng)閥開度。圖3列出了立磨先進控制系統(tǒng)各功能模塊之間的邏輯關(guān)系
流程監(jiān)控模塊包含立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、OPC接口和第一預(yù)警提示模塊。立磨流程監(jiān)控通過OPC接口與DCS監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊，實時傳輸立磨粉磨流程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在軟件前臺界面顯示。病態(tài)工況預(yù)警模塊與病態(tài)工況專家?guī)爝B接，依據(jù)實時數(shù)據(jù)變化趨勢進行立磨工況匹配，如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警提示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒。目標(biāo)優(yōu)化模塊包括目標(biāo)值優(yōu)化計算模塊、模型辨識模塊、第二預(yù)警提示模塊、目標(biāo)設(shè)定值寫入模塊和模型寫入模塊。由流程監(jiān)控模塊提供的立磨監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)目標(biāo)優(yōu)化計算模塊得到最佳控制目標(biāo)值，由目標(biāo)設(shè)定值寫入模塊將計算得到的最佳目標(biāo)設(shè)定值寫入負(fù)荷控制模塊的預(yù)測控制器。若最佳目標(biāo)設(shè)定值變化幅度超出預(yù)設(shè)值，則提醒進行模型重新辨識，模型辨識模塊得到的最新粉磨過程模型寫入到負(fù)荷控制模塊的預(yù)測控制器。負(fù)荷控制模塊根據(jù)流程監(jiān)控提供的監(jiān)控數(shù)據(jù)、目標(biāo)優(yōu)化模塊提供的最佳目標(biāo)設(shè)定值和粉磨過程模型，調(diào)用預(yù)測控制器，計算控制量輸出，并經(jīng)OPC接口寫入DCS監(jiān)控系統(tǒng)，控制執(zhí)行器執(zhí)行控制動作。圖4所示為立磨先進控制系統(tǒng)現(xiàn)場實現(xiàn)簡圖，基于立磨粉磨過程采用DCS系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，為滿足該控制系統(tǒng)的可操作性，以軟件架構(gòu)的形式實現(xiàn)立磨優(yōu)化控制。選項“文件”包括修改系統(tǒng)密碼、系統(tǒng)退出，注意系統(tǒng)登錄和退出都需要密碼安全認(rèn)證。選項“0PC設(shè)置”包括0PC連接、OPC斷開、OPC參數(shù)配置、讀取變量名設(shè)置。OPC 為該軟件與DCS監(jiān)控系統(tǒng)通訊的一種接口協(xié)議，可以從DCS系統(tǒng)讀取指定變量的歷史及實時數(shù)據(jù)。選項“流程監(jiān)控”監(jiān)控立磨系統(tǒng)的整個生產(chǎn)過程，主要監(jiān)測點包括立磨入口氣體壓力、入口溫度、主電機電流、水平振動值、垂直振動值、出口氣體壓力、出口溫度、磨輥液壓站壓力、磨輥壓力反饋值、冷風(fēng)閥開度、熱風(fēng)閥開度、選粉機變頻轉(zhuǎn)速給定、選粉機電流、回料皮帶電流、回料提升機電流、入庫提升機電流、回料倉倉重、噴水閥開度?！安B(tài)工況預(yù)警” 按鈕調(diào)用病態(tài)工況模塊，該模塊調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M行趨勢匹配；如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；如匹配結(jié)果未提示存在病態(tài)工況，則進行下一步驟。選項“目標(biāo)優(yōu)化”顯示獲取的反映立磨基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的參數(shù)喂料量實時值、原料含水量、原料平均粒度、噴水閥開度實時值、產(chǎn)品細(xì)度要求、產(chǎn)品粒度要求、 料層厚度實時值、回料提升機電流。按鈕“優(yōu)化計算”調(diào)用立磨粉磨過程控制目標(biāo)優(yōu)化算法計算最佳目標(biāo)設(shè)定值，并顯示。按鈕“設(shè)定值寫入”將計算得到的目標(biāo)設(shè)定值寫入預(yù)測控制器，用于下面控制量輸出值的計算。根據(jù)立磨基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況，還可以提醒操作員是否進行粉磨過程模型重新辨識。選項“負(fù)荷控制”顯示反映立磨運行狀態(tài)的主要監(jiān)測變量和可以控制磨機狀態(tài)改變的主要控制量的實時數(shù)據(jù)、模型辨識模塊。監(jiān)測變量包括料層厚度、液壓輥壓力、回料提升機電流、磨機振動值、磨機出口溫度、磨內(nèi)壓差，還包括各監(jiān)測變量的最佳設(shè)定值、取值范圍；控制量包括喂料量、噴水閥開度、冷熱風(fēng)閥開度、液壓輥壓力、選粉機轉(zhuǎn)速，還包括各控制量的取值范圍、計算輸出值；模型辨識模塊，根據(jù)立磨基本運行條件和產(chǎn)品要求的變化情況，選擇調(diào)用模型辨識模塊重新辨識粉磨過程模型，并更新至預(yù)測控制器。圖5所示為立磨優(yōu)化控制程序流程圖，獲取DCS監(jiān)控數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行平滑濾波等預(yù)處理之后，調(diào)用工況專家?guī)爝M行趨勢匹配，如果工況異常，則記錄報警并給出調(diào)節(jié)建議， 否則目標(biāo)優(yōu)化計算目標(biāo)最佳設(shè)定值，判斷調(diào)節(jié)動作是否為單一回路喂料、通風(fēng)或液壓，選擇調(diào)用單回路預(yù)測模型或多回路協(xié)調(diào)控制，最后經(jīng)凸優(yōu)化預(yù)測控制求解給出控制量輸出。本發(fā)明專利適用于立磨應(yīng)用的一切工業(yè)場所，包括水泥生料生產(chǎn)、水泥熟料立磨研磨過程、鋼鐵廠磨煤過程、其他金屬礦、非金屬礦的立磨粉磨過程等，集成了 DCS監(jiān)控、優(yōu)化控制軟件監(jiān)控和下位PLC控制，自行設(shè)計數(shù)據(jù)通訊接口，操作簡單，功能齊全，極大地提升了立磨粉磨過程的自動化水平，提高了立磨生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能降耗，且大大降低了工人的勞動強度，避免人為生產(chǎn)事故的發(fā)生幾率。
權(quán)利要求
1.基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)流程監(jiān)控模塊通過數(shù)據(jù)通訊接口OPC從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取立磨粉磨過程的實時數(shù)據(jù)；在對操作和工藝參數(shù)的變化趨勢進行分析后，病態(tài)工況預(yù)警模塊調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M行趨勢匹配；如果匹配結(jié)果顯示立磨系統(tǒng)出現(xiàn)病態(tài)工況，發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；如匹配結(jié)果未提示存在病態(tài)工況，則進行下一步驟；(2)目標(biāo)優(yōu)化模塊根據(jù)立磨基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況，給出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機出口溫度的最佳目標(biāo)設(shè)定值，并寫入預(yù)測控制器；(3)負(fù)荷控制模塊根據(jù)最佳目標(biāo)設(shè)定值，設(shè)定喂料量、選粉機轉(zhuǎn)速、噴水閥開度、液壓輥壓力和冷熱風(fēng)閥開度的最佳控制量輸出，并由預(yù)測控制器輸出至DCS監(jiān)控系統(tǒng)，進而控制現(xiàn)場執(zhí)行器動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟O)中，若所述最佳目標(biāo)設(shè)定值的變化幅度超出預(yù)設(shè)值，則提醒進行模型重新辨識；模型辨識模塊重新辨識立磨粉磨過程的數(shù)學(xué)模型，并更新至預(yù)測控制器；否則，保留預(yù)測控制器中的原有數(shù)學(xué)模型不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述病態(tài)工況專家?guī)斓臉?gòu)建方法為從存儲于DCS監(jiān)控系統(tǒng)的立磨操作和生產(chǎn)工藝的歷史數(shù)據(jù)中提取立磨運行所有病態(tài)工況，并通過數(shù)據(jù)分析來確定各病態(tài)工況出現(xiàn)時反映工況變化的監(jiān)測量及變化趨勢，以此構(gòu)建立磨粉磨過程的病態(tài)工況專家?guī)臁?br> 4.用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制系統(tǒng)，包括內(nèi)置立磨粉磨過程的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測控制器，其特征在于，該系統(tǒng)還包括用于獲取立磨粉磨過程所有關(guān)鍵監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的流程監(jiān)控模塊，通過數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接至立磨粉磨生產(chǎn)裝置的DCS監(jiān)控系統(tǒng)；用于對出料層厚度、循環(huán)負(fù)荷、液壓輥壓力和磨機出口溫度的最佳目標(biāo)值進行設(shè)定的目標(biāo)優(yōu)化模塊；和用于最佳控制量輸出值計算的負(fù)荷控制模塊，包含預(yù)測控制器；預(yù)測控制器與DCS監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊接口 OPC連接；流程監(jiān)控模塊與目標(biāo)優(yōu)化模塊、負(fù)荷控制模塊分別連接，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞；其中流程監(jiān)控模塊內(nèi)置立磨流程監(jiān)控模塊、病態(tài)工況預(yù)警模塊、病態(tài)工況專家?guī)旌皖A(yù)警提示模塊；病態(tài)工況預(yù)警模塊與病態(tài)工況專家?guī)煜噙B；病態(tài)工況預(yù)警模塊與第一預(yù)警提示模塊連接；目標(biāo)優(yōu)化模塊內(nèi)置目標(biāo)優(yōu)化計算模塊、第二預(yù)警提示模塊、模型辨識模塊、模型寫入模塊和目標(biāo)設(shè)定值寫入模塊；目標(biāo)優(yōu)化計算模塊與模型辨識模塊相連；目標(biāo)優(yōu)化模塊與負(fù)荷控制模塊之間連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及水泥流程工業(yè)領(lǐng)域的生料粉磨，旨在提供一種基于模型辨識和預(yù)測控制的立磨先進控制方法及系統(tǒng)。包括從DCS監(jiān)控系統(tǒng)獲取實時數(shù)據(jù)；在對操作和工藝參數(shù)的變化趨勢進行分析后，調(diào)用病態(tài)工況專家?guī)爝M行趨勢匹配；如果顯示出現(xiàn)病態(tài)工況發(fā)出預(yù)警顯示，并給出定性調(diào)節(jié)建議提醒；根據(jù)立磨基本運行條件和產(chǎn)品質(zhì)量要求的變化情況給出最佳目標(biāo)設(shè)定值，并寫入預(yù)測控制器；根據(jù)最佳目標(biāo)設(shè)定值設(shè)定最佳控制量輸出，并輸出至DCS監(jiān)控系統(tǒng)進而控制現(xiàn)場執(zhí)行器動作。本發(fā)明可以準(zhǔn)確地給出定性調(diào)節(jié)建議；實時建立和更新立磨粉磨過程的數(shù)學(xué)模型，減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；指導(dǎo)立磨粉磨過程，保證磨機在最大效率點長期穩(wěn)定運行，并保留穩(wěn)定余量。
文檔編號B02C25/00GK102151605SQ201110065489
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者孟濬, 張進峰, 李沛然, 秦偉, 鄭軍, 顏文俊 申請人:浙江大學(xué)