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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: