仿人思想在水泥篦冷机环节的开发与应用

师留刚，夏中清，杨中强，梁晓林

仿人思想在水泥篦冷机
环节的开发与应用

师留刚11，夏中清22，杨中强33，梁晓林44

针对篦冷机滞后性强、系统非线性、无法直接观测料层厚度等工艺难点，文中提出运用仿人控制的思想，设计基于规则的单控制量仿人智能控制器，并开发相应的软件。该控制器实际运行结果表明，仿人控制器在运行中不仅节省人工投入，实现了自动控制，而且可将篦冷机的风室压力控制在一定范围内，使工况更加稳定。

篦冷机；仿人控制；DCS

熟料的冷却是水泥生产工艺中非常重要的环节，它的主要作用是降低出窑熟料的温度，提高熟料质量，促进热量回收。而这些作用的实现主要依赖于篦冷机的稳定运行[1-2]。在水泥的实际生产中，由于测点有限、工况变化频繁，导致整个冷却系统具有非线性、强耦合、大滞后以及时变性的特点，所以篦冷机的控制是水泥生产中较难突破的热点[3]。目前国内的水泥生产线中，对篦冷机的控制仍采用人工控制方式。

虽然在科学研究中，仿真效果好的算法很多，但在实际工程中，人工控制在很多方面都无法取代[4-6]。在现实中，人类思维不仅可以建立比较明确的先验知识，也可以自主融合各个学科的知识，在理想情况下，可以实现较为稳定并且优秀的控制。如果计算机能够模仿人的控制，就可以在不了解各参数数据特点的情况下进行有效的控制，并通过不断地变换控制策略来实现智能控制[7]。

基于上述现实，笔者以山水集团平阴分公司DCS系统为基础，设计了第三代往复推动式篦冷机风机和篦速自动控制系统。

1　水泥篦冷机工艺分析

在水泥生产过程中，回转窑内的熟料从窑头缓慢滑入篦冷机，这时熟料温度在1 400℃左右。篦冷机从风室向上鼓风，使熟料在篦床内迅速冷却，冷却可以使熟料中的矿物元素迅速结晶并快速稳定。与此同时，冷却熟料风的一部分被送入回转窑和分解炉加以利用，剩余的热风通过余热发电实现能量再利用。

2　篦冷机自动控制系统设计

2.1仿人智能思想

仿人智能控制就是利用人类的经验和知识，运用计算机语言化对人类神经决策系统进行模仿，最早是由重庆大学周其鉴教授、柏崇国教授等提出的。自仿人智能控制提出以来，就开始应用于各个领域，它不需明确参数之间的逻辑关系，只需要依据人类的经验知识，因此这种控制思想也逐步在一些控制中充分显示了它的优越性。

仿人智能控制在控制中一般分为特征模型、特征记忆、特征辨识、控制（决策）模态集合、启发与直觉推理规则几部分。

2.2控制系统整体方案

按照冷却系统控制需求，需要通过OPC从DCS过程站采集数据存储到数据库中，然后优化软件再从数据库中读取数据进行计算，最后再通过OPC写回DCS过程站中，具体框架如图1所示。

图1　水泥熟料控制系统软件数据交互

图2　OPC的建立

2.3OPC配置

OPC网关需要在CBF组态软件中进行新建和打开读写权限的操作，具体如图2所示。

2.4数据采集系统和数据库的开发

数据采集系统主要实现DCS与数据的交互，在这过程中，首先确定OPC Sever名称，然后与数据读映射连接，生成OPC Group，表中每个列即OPC Item，然后进行数据通讯。

数据库采用微软公司的SQL SEVER2000数据库，此数据库较为稳定，并支持在WINDOWS上运行与开发，是较为典型的关系型数据库。数据库的记录以表的形式存放。

2.5自动控制系统的开发

根据仿人智能思想的过程，首先必须确定特征模型Φ。在山水平阴水泥厂中，根据篦冷机工作的特点，一风室篦下压力分为很高、较高、稍高、稍低、较低、很低以及掉窑皮7个特征模型，对应的特征记忆量记为设定值+1 000、设定值+700、设定值+500、设定值-200、设定值-400、设定值-600以及篦压9 000Pa等7种。控制的主要变量为篦冷机篦速，主要观测变量只有一个——一风室篦下压力。因此特征辨识主要采取篦压辨识，则特征模型Φ中拥有特征状态和采取的控制决策ψ，如表1。

表1　特征状态和控制决策

记忆特征集合设计完后，接下来要完善控制决策集合，即规则库ψ，用ψi：Fi➝IF（条件）THEN（操作）表达。u为控制输出。

在稳定工况下，控制器设计为“超过阈值就动作，小于阈值马上回调”的形式，以正步长1为例，则IF 500≤e≤700 THEN u=λ4；IF 500≥e THEN u=u-λ4

在这种情况下，每次判断每次的动作根据正常工况的7个特征向量，则有6个稳定控制模态操作，依次为：

ψ1：IF 500≤e≤700 THEN u=λ4；

ψ2：IF 700≤e≤1 000 THEN u=λ4+λ5；

ψ3：IF 1000≤e≤max THEN u=λ4+λ5+λ6；

ψ4：IF-200≤e≤-400 THEN u=λ7；

ψ5：IF-400≤e≤-600 THEN u=λ7+λ8；

ψ6：IF-600≥e THEN u=λ7+λ8+λ9。

当输出量达到最大（小）行程时（ψ7或ψ8），以上状态均不起作用，不会再判断，直到有下降情况。当篦压达到max，则直接将篦床速度加快到最大值λ10（这种情况一般掉窑皮的时候才会出现）。当出现掉窑皮的情况时（ψ9），一旦误差比最大值小则运用抑制超调的思想，根据操作经验我们取稳定状态的输出即IF e≤max THEN u=λ1并且之前模态操作下的操作标志位重新清零计算。

2.6软件的整体设计

该自动控制系统的算法部分主要通过VC++6.0编写，将整个自动控制系统软件装到工程师站上，使用者通过密码的认证后就可以启动自动控制软件，在此过程中首先应在篦冷机中制作接口程序（如图3）。

2.7工程应用

图3　手动自动切换接口

图4　篦冷机手动控制曲线图

图5　篦冷机自动控制曲线图

将该自动控制系统应用到山水平阴水泥厂5 000t/d生产线上，篦冷机一段篦压控制曲线如图4和图5所示。其中图4为手动控制，图5为自动控制。

由图4、图5可以看出，自动状态下，篦冷机篦压波动效果显著减小，有利于工况稳定，从而促进熟料质量变好。

3　结语

本文将仿人智能控制思想运用到水泥生产篦冷机环节的控制上，并根据山水平阴水泥厂的工况人为设定好一系列控制规则，设计了自动控制系统，实现了对篦冷机的自动控制。与原来的人工控制相比，省时省力，并且减少了波动范围，具有一定的使用价值。

[1]范开俊，金晓明.水泥生产生料配料过程控制综述[J].硅酸盐通报，2008，27（4）:759-765.

[2]张加良.新型干法水泥生产线烧成与冷却过程控制研究[D].济南:自动化与电气工程学院，2011.

[3]吴姝芹，王孝红，申涛，等.先进控制在熟料冷却系统中的应用[J].中国水泥，2007，（5）:55-57.

[4]蒋佩汪，赖旭芝，曹卫华，等.火道目标温度优化设定模型研究及其应用[J].计算机测量与控制，2001，23（10）:30-33.

[5]罗健旭，邵惠鹤.软测量建模数据的过失误差侦破——一种基于聚类分析的方法[J].仪器仪表学报，2005，26（3）:239-241.

[6]Alexander Fax J,Richard M Murray.Information flow and cooperative control of vehicle formations.IEEE Transactions on Automatic Control. 2004.

[7]张利建.仿人智能控制算法研究[D].青岛:青岛科技大学，2007.

Research and Application of the Human Simulated Intelligence on Cement Cooleerr

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2016-07-06；编辑：吕光