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1、水泥厂磨机负荷优化控制系统一、概述l磨机是水泥厂主要的生产设备之一，同 时也是主要的电能消耗设备。它的稳定 运行直接影响到水泥产品的质量，它的 经济运行直接影响到整个水泥生产的效 率。l由于磨机系统是一个大惯性、纯滞后、 时变的控制对象，磨机的控制便成为众 多科研机构一个长期研究的课题。二、我国水泥企业球磨机运行 现状l目前，球磨机在我国水泥企业中广泛应 用，大部分磨机是通过操作人员根据磨 音判断磨机运行情况后通过手动调整给 料量来进行磨机负荷控制；一部分企业 利用DCS系统进行生产管理，但磨机部分 仍由人工手动控制。l由于依赖人为经验进行判断，加之人工 控制的随意性，通常无法使磨机运行在一个
2、高效、稳定的状态下，致使磨机出 力低，生产运行不经济，产品质量不稳 定，难以实现稳产、高产。三、造成这种现象的原因l磨机是一个多变量藕合的复杂系统，其 数学模型目前尚未建立。l磨机是一个大惯性、纯滞后、时变的系 统，对其有效的控制策略很少。四、我们的解决之道l西安交通大学历时十年之久，通过十几 位专家教授和数届研究生的努力，在多 种变量中，将对结果影响最大的变量 磨机料位解藕出来。并采用自寻优-采 样PI的控制策略，对磨机系统进行有效 控制。从而解决了这一难题。五、磨机的运行分析l长期的生产实践表明，在磨机的其它因 素一定时(钢球装载量一定、入磨料品质 一定等），磨机具有一个最佳的存料量 ，当
3、磨机运行在这个状态下时为最佳运 行状态。具体表现为磨机出力最大，电 耗最小，产品的各项质量指标也都达到 最佳值。磨机的工作特性曲线如图1所示 ：图1 磨机运行特性曲线通过分析表明 ：l对磨机的控制应当谋求使其能够稳定运 行在最大处理点f2附近。这时磨机出力 最大、功率较小、电耗也最小。系统运 行状况良好，产品品质最佳。六、负荷的检测l磨机内的存料量是一个比较难测的量， 这也是长期以来水泥厂磨机负荷控制一 直未能在生产实际中成功应用的主要原 因之一。因此，能否找到一种可以及时 、准确地反映磨机负荷（存料量）变化 的信号便成为磨机负荷控制中首先要解 决的难点和关键技术。在众多方案中，有两种方案较
4、受关注l1、利用磨机的轴振动信号来反映磨机负 荷的变化l2、利用磨机噪音信号来反映磨机负荷的 变化1、利用磨机的轴振动信号来反 映磨机负荷的变化l当磨机工作时，磨机内的各种碰撞会引 起磨机产生复杂的振动。振动会沿着磨 机鼓筒金属壳体和磨机轴承传播开来。 我们在磨机轴承上可以检测出磨机鼓筒 振动的频率特性。磨机轴承振动的频率 包括3部分：轴承振动位移频谱特性、轴 承振动速度频谱特性、轴承振动加速度 频谱特性。l实验表明：在磨机负荷变化时，轴承振 动位移频谱特性始终不变，而轴承振动 垂直分量的加速度频谱特性比轴承振动 速度频谱特性反映更灵敏。由此看来， 利用轴承振动垂直分量的加速度信号来 反映磨机
5、负荷的变化是比较合适的。l据此，我们利用压电式加速度传感器和 专用的振动变送器组成了磨机轴振动检 测装置。这种装置基本上能有效反映磨 机内存料量的大小。这种装置的不足l在实际运行中发现：当磨机料位低于某 一定值时，检测出来的料位信号可以比 较真实地跟随磨机内存料量的变化。但 当存料量达到某一定值时，检测出来的 料位信号会发生一个突变。在物料比较 干燥时，这个突变会引起系统的激烈振 荡，使系统无法稳定工作。l这一问题目前无法解决。2、利用磨机噪音信号来反映磨 机负荷的变化l磨机运行中，当磨机内的存料量较小时 ，因钢球之间的相互碰撞剧烈而发出的 声音较大；反之，磨音较小。因此，我 们可以利用磨音的
6、变化来反映磨机的负 荷变化。根据这一原理人们发明了电耳 。电耳存在的问题l由于磨机工作环境中声音源十分复杂， 电耳经常会因受到过度的干扰而无法正 常工作。我们的突破l为了解决电耳存在的问题，西安交通大 学汇集了声学、测量学、频谱学、电子 学等多学科科技人员，通过大量的频谱 分析，利用先进的滤波技术，研制出了 能够及时、准确地反映磨机内存料量变 化的磨音传感器和磨音变送器。七、系统的控制策略lPID控制是最早发展起来的控制策略之一，在工业生产过程控制中已有几十年 的使用历史。因此，曾有许多研究者试 图将其应用于磨机负荷控制，但最终都 以失败而告终。造成失败的原因是由磨 机系统的大惯性、纯滞后造成
7、的。l对于大惯性、纯滞后的对象，比较成熟 的算法有Smith预估控制算法Dalin算法 。但这两种算法都因为需要知道被控对 象的数学模型而无法在磨机负荷控制系 统中应用。l经过多次尝试和充分论证后，我们选择 了采样PI的控制算法。采样PI控制原理l采样PI是近几年发展起来的一种改进型 PID算法。这种算法在每次改变调节器的 输出量时，要等待一段足够长的时间， 让控制作用得到充分的反应后再决定下 一步的动作。因此，这种算法可以有效 地消除纯滞后对系统调节品质的不良影 响。其控制原理如图2所示：图2 采样PI的控制原理采样PI控制参数选择的大致标 准如下lT=L+（23）To T为采样周期lTs=
8、T/10 Ts为控制时间l式中L被控对象的纯滞后时间To被控对象惯性时间常数事实证明：采用采样PI控制 算法具有调节速度快、超调 小、系统稳定性高等优点八、系统的优化策略l磨机控制中的另外一个难题是磨机运行 特性受其它因素的变化（如钢球级配、 入磨粒度的变化）的影响很大。也就是 说，磨机的最佳工作点会因为外界因素 的变化而发生漂移。为了解决这一问题 ，我们引进了自寻优控制算法。自寻优控制的原理l当控制对象特性发生漂移时，自寻优控 制系统能够通过在运行中不断地测量而 自动察觉，并进行自动修正，使被控对 象始终运行在一个最优的工作状态。l其工作过程如图3所示：图3 自寻优控制的工作过程图4 自寻优
9、控制结构九、该系统实现的功能 l适合于失重称、皮带称、核子称等各种 配料系统 l使用补偿式下料，使配料更准确l可对原有的微机配料系统进行改造，也 可提供集微机配料与负荷控制于一体的 全新解决方案l可实现与DCS系统的无缝对接，也可自 成系统 l可设置为手动或自动任一种工作方式l可工作于定值、跟踪或自寻优任一种工 作模式 l可对系统异常自动报警并进行报警记录l可实现强大的信息管理功能（如：各种 报表的生成、存储和打印；多种数据的 记录、存储和曲线显示等）十、系统可实现的技术指标 l磨机产量提高8%以上l磨机电耗降低8%以上l产品细度合格率提高8%以上l还可以节约研磨体，提高设备运转率， 使企业的
10、综合效益大幅提高 十一、效益分析 l以一台时产量为170吨/小时生料磨机为例 ：l改造前台时产量170吨/小时，改造后提高 了7% l改造后台时产量的提高量为： 170*7%=11.9吨 l每年增加的产量为： 11.9*24*328=93676.8吨（每年正常生产 时间按328天计）l增产带来的利润为： 93676.8/1.45*45=2907211.1元（生料到熟 料的转化率按1.45:1计，利润按45元/吨 计）l每年节约生产时间：93676.8/170=551.04 小时l每年节约电能：551.04*4800=2644992度 （整个磨机系统总负荷按4800千瓦计）l节电带来的效益为：
11、2644992*0.4=1057996.8元（电费按0.4元/ 度计）l两项合计： 2907211.1+1057996.8=3965207.9元仅此两项，每年即可创造效益 约400万元。其它方面如：因 产品质量的提高所带来的效益 ，研磨体（包括衬板和钢球等 ）的节约，检修时间的延长， 人力的节约等方面所带来的效 益尚未计算在内，熟练磨效益 更高。 大量实际应用证明：该系统总 体性能处于国内领先地位，在 磨机负荷检测、控制策略和控 制结构研究方面达到了国际先 进水平。 九、磨机系统实施负荷优化控 制的必要性l生产企业如果不能维持高额的利润就必 须有较低的生产成本。否则，就很难在 市场竞争中立于不败之地。为此，增产 降耗就成为微利企业争相效仿的制胜法 宝。l就国内众多水泥企业的磨机运行情况来 看，磨机单耗、出磨细度和均匀度等指 标都未达到最佳。因此，对水泥企业磨机系统 实施负荷优化控制，对于企 业提高产品质量，增产降耗 ，提高经济效益具有十分重 要的意义。 谢 谢 大 家 ！联系信息：苏州市新瑞奇节电科技有限公司 宋剑 电话：0512-66870499 手机：13906206242 邮箱：
