【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法

xiaoxiao2020-06-24  2

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

专利名称:水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法,特别是一种水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法。
背景技术
在现代水泥工业中,生(熟)料的生产加工过程对整个水泥生产有着重要的意义。水泥产品的质量取决于生(熟)料产品的质量,而生(熟)料产品的生产效率也对整个水泥生产的效益有着非常重要的影响。在水泥厂的生(熟)料生产车间里,原料的混合配料和球磨机的研磨是两个主要的生产环节。原料的混合配料过程的精确程度决定了生(熟)料产品的质量。球磨机的研磨过程需要消耗大量的电能,它能否正常运行在一个稳定、高效的工况下,也对于整个水泥生产的经济效益有很大影响。
粉磨回路的电耗主要来自球磨机和提升机,而球磨机的一个重要特点是它的运行电耗与其负荷(球磨机内存料量)的关系不大,一般空载功率与最大功率的差值不会超过额定功率的15%,有的会更低,这是因为球磨机功率主要消耗于转动筒体和提升钢球。因此,对粉磨回路的优化,就是在一定电耗的情况下,尽量提高球磨机的出力。
我国的水泥厂生(熟)料粉磨回路中,作为其中关键设备的球磨机,绝大部分依然运行于人为判断和手工操作的原始状态,堵磨和空磨等事故时有发生,有时甚至造成设备损坏事故,导致停运,则经济损失更大。更重要的是,球磨机是电厂的耗电大户,其耗电量约占厂用电的20%左右,采用人工控制的手段,无法使球磨机运行在最佳工况下,厂用电消耗大,经济效益差。
在水泥工业中,球磨机的控制问题是一个重要而又棘手的研究课题。国外水泥厂的自动化程度较高,计算机控制技术也得到了普遍的使用,但是在工艺和结构上相距甚远,无法照搬。近年来随着水泥生产自动化水平的提高,国内对水泥厂生(熟)料粉磨回路的控制的研究也有了长足的发展,对一些经典控制算法进行了扩展,同时还提出了一些先进的控制算法。有的采用的是经典的PID算法,该算法是根据球磨机内存料量来控制给料量,这种模式使控制器设计简单,易于实现。但由于粉磨回路的一个主要特点就是大滞后,PID算法无法从根本上解决大延迟的问题,所以这种方法同时也缺少一定的理论依据。有的采用预测控制,但这类控制需要知道控制对象的模型,而粉磨回路过于复杂,其精确的数学模型不易得到,因此使得这类算法不易应用。神经网络不需要知道控制对象的模型,但是由于其需要一个训练集而且训练过程比较繁琐,而粉磨回路在控制的实时性上有一定要求,则其在应用上也存在问题。模糊控制也不需要控制对象的模型,而且其控制规则是建立在专业和操作员的知识和经验上,使其不论从设计还是实施上都简单可行,但是传统的模糊控制器的输入量都是偏差和偏差的变化率,对解决大滞后系统就显得力不从心。而且以上这类算法都是属于定值控制这一类,因此即使能够保证球磨机的稳定运行,但却无法使球磨机工作在最大出力点附近,从而达不到节能的效果。

发明内容
本发明的目的在于提供一种水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法,该方法通过对给料量的调节使得水泥厂生(熟)料粉磨回路球磨机在安全稳定的前提下一直在最佳方式下运行。这样不仅为后面环节的生产提供了有效保证,而且能够提高水泥厂的经济效益。
为了实现上述任务,本发明采取如下的技术解决方案1.一种水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法,其特征在于,该方法采用上层自寻优算法和下层多维模糊控制器相结合的双层控制结构,上层自寻优算法通过比较器和多维模糊控制器连接,由多维模糊控制器控制配料环节,从而实现给料量的自动调节;上层自寻优算法改变球磨机内存料量的设定值,下层多维模糊控制器根据这个设定值进行控制,待达到设定值后,取一段时间作为自寻优算法的统计周期,计算目标函数值;并比较目标函数的变化,确定是否更优,并决定下一次设定值的改变;上层的自寻优算法在每个周期起始时,将新的设定值通过比较器发送给下层的多维模糊控制器,下层的多维模糊控制器使用多维模糊控制算法,以新的设定值作为控制目标,不断找出最佳的球磨机内存料量值,并以这个值作为控制设定值,通过下层的多维模糊控制算法控制配料环节,使球磨机一直在最佳方式下运行。
采用本发明的方法,不仅可完成水泥生产过程中对各成分达标的要求,大大降低生料和水泥的筛余量,提高粉磨细度,确保产品质量,而且可使磨机始终在最大出力下运行,提高台时产量,使吨水泥耗电量大幅度下降,给厂方带来十分可观的经济效益,同时,使粉尘污染和噪声污染有所改善,可有效降低球磨机震动、防止球磨机满灌和断料,杜绝事故的发生,减轻工人劳动强度,减少维护量,改善工作环境,具有显著的社会和经济。


图1是球磨机的工作特性曲线;其中曲线1-功率特性 曲线2-出力特性;图2是自寻优的多维模糊控制器;图3是自寻优算法流程图;图4是数字式多功能磨机负荷监测仪结构组成框图;图5是数字式多功能磨机负荷监测仪的组成原理图;图6是监测仪的滤波有效值转换电路原理图;图7是监测仪的电压电流输出电路原理图。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
参见图1,球磨机的运行规律可以通过其工作特性曲线直观地反映出来。从图中曲线2可以看出一个很重要的事实是,球磨机的出力并不随着其内存料量的增加而单调增大,球磨机的功率也不是随着其内存料量的增加而单调增大,因此球磨机在运行过程中,出力与存煤量之间确实存在着极值特性。
本发明水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法,采用的是一种双层控制结构,上层是自寻优算法而下层采用的是多维模糊控制算法,具体控制框图见附图2。上层自寻优算法改变球磨机内存料量的设定值,下层根据这个设定值进行控制,待达到设定值后,取一段时间作为自寻优算法的统计周期,计算目前球磨机研磨单耗函数。比较研磨单耗函数的变化,确定是否更优,并决定下一次设定值的改变,具体控制算法流程见附图3。下层使用多维模糊控制算法以球磨机内存料量的偏差、偏差的变化率和偏差的二阶导数作为输入量而输出变量是给料量。每个变量对应的语言变量的论域均选择[-2,-1,0,1,2,],而语言值均选择[NB,NS,ZO,PS,PB],分别代表负大、负小、零、正小、正大。模糊规则根据专家的知识和技术人员的经验建立,因此这种多维模糊控制算法,不仅可以解决耦合严重的问题而且其鲁棒性也很强。
由于集散型控制系统(即DCS)是水泥厂目前主选的控制方案,故采用DCS实现本发明的控制方法,可以将信号采集和预处理、多维模糊控制算法和自寻优算法等各种自动化功能成为一个统一的系统。
球磨机内存料量的检测采用申请人自行开发的数字式多功能磨机负荷监测仪。该数字式多功能磨机负荷监测仪的结构如图4所示,其电路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V输出的电源模块8、用于提供+2.5V参考电压的电压基准电路15,还包括有电流信号1、声音传感器2、信号匹配器3、信号滤波器4、RMS-DC转换器5、AD转换器6、微控制器7、LCD显示电路9、通讯电路10、参数存储器11、DA转换器12、电压和电流转换器13和系统监控电路14;声音传感器2采集的两路噪音信号的输出与信号匹配电路3的输入相连,信号匹配器3的输出与信号滤波器4的输入相连,信号滤波器4的输出与RMS-DC转换器5的输入相连,RMS-DC转换器5的输出与AD转换器6的输入相连,电流信号1的输出也和AD转换6的输入相连,电压基准电路15输出的+2.5V参考电源与AD转换器6和DA转换器12的参考源输入端相连,LCD显示模块9与微控制器7相连,RS485通讯模块10与微控制器7相连,参数存储器11与微控制器7相连,DA转换器12与微控制器7相连,DA转换器12的输出与电压和电流转换器(UI转换器)13相连,系统监控电路14与微控制器7相连;电源电路8输入为+24V,输出为+15V,-15V,+5V,-5V,+3.3V。
参照图5所示,声音传感器2的信号输入包括2路声音信号,其中一路为磨机噪音,一路为背景噪音,两路声音信号分别进入信号匹配器3中的AD620同相输入端,通过电位器RG1调整放大倍数,经AD620放大和阻抗匹配后的信号输入到信号滤波器MAX267中,MAX267为集成4阶带通滤波器,可通过数字端口设定中心频率fo和品质因数Q。经过带通滤波后的有用频段信号输入到RMS-DC转换器,该转换器采用AD637实现,可将输入交流信号计算转换成有效值,以直流信号方式输出,供AD采样。磨机电流输入信号为4~20mA,经过电阻转换成0.5~2.5V电压信号后,输入到AD采样获得电流值。系统中AD转换和DA转换器的电压参考采用+2.5V,由MAX6102提供,该电压基准电路为三端器件,输入+5V,输出为+2.5V。
系统的监控电路和参数存储器采用X5043实现,其内有4kb的EEPROM,用来存储各种参数。所有参数均能够通过上位机通讯方式下装,便于仪器整定。
监控芯片X5043对系统运行及电源情况进行监控,确保仪器可靠稳定运行;在系统死机的情况下,能够迅速复位,使得仪器重新工作。它与微控制器的接口为4线制SPI接口,其中/CS为片选端,SCK为时钟端,SI为数据输入端,SO为数据输出端;X5043在上电及看门狗时间溢出时,在/RST端输出低电平复位信号,该信号与微控制器的/RESET端相连。系统的显示器采用SMS0801段式LCD实现,该LCD控制器与微控制器之间采用串行控制方式,其中CLK为时钟端,DI为数据端。系统的通讯电路采用MAX3485实现,采用半双工方式,其与微控制器UART异步通讯口相连,其中RXD为数据接收端,TXD为数据发送端,RTC为收发控制端,当RTC=1时为发送状态,RTC=0时为接收状态。系统的电压输出采用微控制器集成的DA转换器实现,输出信号范围为0~2.5V,经过AD620放大2倍后作为电压输出方式信号,同时该信号输入到XTR110的输入端,转换为4~20mA电流。
参照图6所示,信号VIN经过电阻R5输入到滤波芯片MAX267中的运放输入端4,MAX267中含有两个二阶带通滤波器,内部运放输出端通过电阻R6反馈到输入端4,输出同时接到第一个带通滤波器的信号输入端5,带通信号输出端2接第二个带通滤波器的输入1,输出端24通过电阻R7、电容C4反馈到运放输入端4。带通滤波器的时钟通过晶体Y1获得,晶体Y1两端分别接MAX267的11端和12端、18端。中心频率fo通过F0~F4共5个输入端调整,该5个端子与拨码开关相连;品质因数Q通过Q0~Q6共7个输入端调整,该7个端子与拨码开关相连。带通滤波器的输出信号BPB经过隔直电容后与AD637的13端相连,AD637的平均时间常数通过平均电容C7实现,该电容一端与AD637的8端连接,另一端与AD637的6端和9端相连。电阻R8,C5,R9,C10与AD637中的缓冲器构成滤波器,可有效消除输出信号中的纹波。
参照图7所示,DAC输出信号为0~2.5V,该信号与AD620的3号端相连,经过AD620放大2倍后,信号变为0~5V;其放大倍数通过电位器RG3调整。由于信号并不需要直流偏置,因此AD620的参考输入端REF接地。AD620的信号输出端6作为仪器的电压输出,同时连接到电压/电流转换模块XTR110的输入端5,该端接受0~5V信号。XTR110的3端与12端、15端相连,这样内部的10V精准电源可以为电路提供电压偏置。XTR110的14端与MOSFET的G端相连,XTR110的1端和13端短接后与MOSFET的S端相连,XTR110的D端向负载提供电流,最大负载不超过500欧姆。
为了进行参数调整方便,采用C++语言开发了参数整定软件,与负荷监测仪通过RS485通讯实现数据交换,可以方便的对负荷监测仪进行参数整定及调整。
该数字式的多功能磨机负荷监测仪在磨机启动时,首先根据空磨时的磨机电流和磨机噪音,判断磨机是否缺少钢球,一旦缺少钢球,给出缺钢球报警信息,同时根据已存储的先验数据给出当前钢球装载量和应补充钢球量的参考值。在磨机运转时,磨机噪音和背景噪音通过信号匹配器调整放大后,进入滤波及有效值转换电路,获得噪音的能量信息和分贝信息,微处理器通过采样单元接收这些信号,计算获得相关结果,并通过LCD、RS485通讯以及电压/电流方式输出。
该数字式多功能磨机负荷监测仪,将内存料量信号转换成4~20mA的标准信号输入到DCS。而其它输入信号采用市面上比较成熟的传感器和变送器。
由工业现场来的信号难免会包含一些噪音,所以DCS针对这写信号的不同类型采用不同的滤波算法来进行预处理,以保证后面控制算法能够准确的实施。具体的滤波算法如下●磨机负荷;在模拟量采集模块设置平均值滤波(128点,根据采集速度适当调整),DPU采集速率为500ms(如有可能尽量提高),设置一阶惯性滤波,公式为y(k)=αx(k)+(1-α)y(k-1)其中,y(k)为本次最终结果,y(k-1)为上次最终结果,x(k)为本次实时测量值,α为滤波系数。滤波系数设置为0.05(可修改);●磨机电流;在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点,根据采集速度适当调整);●提升机电流;在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点,根据采集速度适当调整);●磨进进料量;由配料系统直接可以计算得到。
DCS组态主要实现的有两部分,一个是自寻优算法和一个多维模糊控制算法。下层使用的多维模糊控制算法,以球磨机内存料量的偏差、偏差的变化率和偏差的二阶导数作为输入,其中偏差=设定值-测量值,当前磨机负荷的设定值为85%。
记磨煤机内存料量的偏差为fhe、磨煤机出口温度的偏差为fhde,磨煤机入口负压的偏差为fhd2e,给料量为gll。以上变量所对应的语言变量分别为FHE、FHDE、FHD2E和GLL。输入变量和输出变量的值域不同,每个变量对应的语言变量的论域均选择[-2,-1,0,1,2],具体的变化公式如下 其中,[·]为取整算子。
每个变量对应的语言变量的语言值均选择[NB,NS,ZO,PS,PB],分别代表负大、负小、零、正小、正大。模糊规则和隶属度的选择均根据专家的知识和技术人员的经验建立。隶属度函数有连续和离散两种形式,对于DCS系统,采用离散形式的隶属度函数更易于程序上的编写。为了便于实现,可将球磨机内存料量的偏差、偏差的变化率和、偏差的二阶导数和给料量均采用统一的离散型隶属度函数,如表1~4所示。
表1 FHE隶属度赋值表

表2 FHEE隶属度赋值表

表3 FHD2E隶属度赋值表

表4 GLL隶属度赋值表

普通的模糊控制规则是以表格的形式出现,而由于本发明中的模糊控制器的输入是三个变量,则其模糊规则实为一个规则立方体,根据专家的知识和运行人员的经验可得到该规则立方体,但规则立方体在表述上比较复杂,所以将该立方体转化为一系列的“If…Then…”语句,如附录1所示。然后应用最大隶属度法去模糊化,即可得到模糊控制查询表,如附录2所示。最后,将控制查询表,通过DCS的程序组态即可实现。实际控制时,输入型号经过变化后,通过查询控制查询表,立即可以得到输出量的语言等级值,再将等级值,根据以下公式 得到实际使用值,然后输出给对应的执行机构。
自寻优算法的编制根据图3表示的流程图。上层自寻优算法改变磨煤机内存料量的设定值,下层根据这三个设定值进行控制。当前磨机负荷的设定值为85%。实时测量磨机负荷并将该量的偏差进行归一化 然后,判断数据是否都小于阈值0.1(可修改),如果小于,证明系统在当前设定值下已经稳定。
接着在系统稳定的情况下,累计配料系统的给料量(吨)、磨机功率(W)和提升机功率(W)。磨机功率可根据磨机电流计算得出,提升机功率可更具提升机电流计算得出。统计周期为5分钟(可修改),然后取平均,用平均值表征球磨机出力、球磨机电机能耗和提升机能耗。再将这三个平均值进行归一化处理,归一化公式如下
用归一化后的数据计算球磨机研磨单耗函数。
球磨机研磨单耗函数等于球磨机出力与球磨机电机能耗和提升机能耗总和的比值,即H=VPm+Pe]]>式中H为球磨机研磨单耗,V为球磨机的出力,Pm为球磨机电机消耗的功率和Pe为提升机消耗的功率。
接着,比较球磨机研磨单耗函数数值的变化,如果球磨机研磨单耗数值较上一次无变化,则设定值不做修改。如果球磨机研磨单耗数值小于上一次的,则说明目前系统的运行不在最优状态,需要以固定的寻优步长修改下层控制算法的设定值。磨机负荷设定值的寻优步长为3%(可修改)。
自寻优算法在每个周期起始时,增加(或减少)设定值,将修改后设定值发送给下层控制器,下层的多维模糊控制器则以新的设定值作为控制目标对相应变量进行调节。待系统稳定后,计算球磨机研磨单耗函数,如果数值变小,说明设定值修改的方向不妥,则在需要减少(或增加)设定值;如果球磨机研磨单耗函数数值变大,则继续增加设定值,知道寻找到最佳的设定值。
这样,DCS系统通过自寻优算法找出最佳的磨煤机内存料量值,并以这个最优值为控制设定值,通过多维模糊控制算法对给料量进行自动调节,使水泥厂粉磨回路一直在最佳工况下运行。
对于没有采用DCS方案的水泥厂,可以采用PLC或者控制模块和工控机组成小型的DCS系统,在PLC或者控制模块中实现多维模糊控制算法,在工控机中应用组态软件实现自寻优算法。
附录1模糊规则表






附录2模糊控制查询表






权利要求
1.一种水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法,其特征在于,该方法采用上层自寻优算法和下层多维模糊控制器相结合的双层控制结构,上层自寻优算法通过比较器和多维模糊控制器连接,由多维模糊控制器控制配料环节,从而实现给料量的自动调节;上层自寻优算法改变球磨机内存料量的设定值,下层多维模糊控制器根据这个设定值进行控制,待达到设定值后,取一段时间作为自寻优算法的统计周期,计算目标函数值;并比较目标函数的变化,确定是否更优,并决定下一次设定值的改变;上层的自寻优算法在每个周期起始时,将新的设定值通过比较器发送给下层的多维模糊控制器,下层的多维模糊控制器使用多维模糊控制算法,以新的设定值作为控制目标,不断找出最佳的球磨机内存料量值,并以这个值作为控制设定值,通过下层的多维模糊控制算法控制配料环节,使球磨机一直在最佳方式下运行。
2.如权利要求1所述的方法。其特征在于,所述的目标函数是球磨机研磨单耗,球磨机研磨单耗是球磨机出力与球磨机电机能耗和提升机能耗总和的比值,即H=VPm+Pe]]>式中H为球磨机研磨单耗,V为球磨机的出力,Pm为球磨机电机消耗的功率和Pe为提升机消耗的功率。
全文摘要
本发明公开了一种水泥厂粉磨回路球磨机负荷控制方法。该方法采用双层控制结构,上层是自寻优算法而下层采用的是多维模糊控制算法。上层自寻优算法找出最佳的球磨机内存料量值并以这个最优值为控制设定值,通过多维模糊控制算法控制的配料环节,从而对给料量进行自动调节,不仅可以使水泥生产过程中对各成分达标的要求,大大降低生料和水泥的筛余量,提高粉磨细度,确保产品质量,而且可使球磨机始终在最大出力下运行,提高台时产量,使吨水泥耗电量大幅度下降,同时,使粉尘污染和噪声污染有所改善,可有效降低球磨机震动、防止球磨机满灌和断料,杜绝事故的发生,减轻工人劳动强度,减少维护量,改善工作环境,具有显著的社会和经济效益。
文档编号B02C17/00GK1836786SQ20061004271
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者张彦斌, 贾立新, 曹晖, 司刚全, 赵德生 申请人:西安交通大学, 西安桑瑞自动化有限责任公司

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

最新回复(0)