（控制理论与控制工程专业论文）新型干法水泥烧成与冷却过程工况识别系统的研究.pdf

l at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to fr e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y 2 0 ，2 0 1 0 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蠲导师签 济南大学硕十学位论文 摘要 新型干法水泥生产过程中，熟料的烧成与冷却过程是至关重要的环节，该环节 工况是否稳定，直接关系水泥产品的质量以及生产过程的能耗。烧成与冷却过程所 具有的非线性、多变量、强耦合、大时滞及时变等特性，使得该环节的工况复杂多 变，传统的控制方式难以从整体上稳定工况。目前对于窑系统的过程控制研究，多 针对某一单元环节，虽然取得了一定的控制效果，然而，一旦工况发生较大波动， 往往造成控制策略失效。因此，绝大多数的水泥企业仍然依靠现场操作员的操窑经 验，根据工艺参数的变化情况，进行工况的人工分析，并通过频繁的参数调节，保 证窑系统的稳定运行。如何改变这种相对落后的人工控制方式，采用有效的方式首 先实现工况的智能识别，然后在此基础上实现基于工况指导下的烧成与冷却过程的 综合自动化过程控制，成为一个亟待解决的问题。人工智能技术的不断发展，为解 决这一问题奠定了基础。 专家系统作为人工智能技术的一个重要应用领域，经过几十多年的科学研究， 理论和技术同臻成熟，其应用也得到了飞速发展。近年来，模糊推理技术在专家系 统中的成功应用，使得专家系统在处理不精确问题上有了精确的方法。模糊专家系 统这一优良特性非常适合解决窑系统复杂多变工况的识别问题。据此，本课题依托 国家高技术发展计划( 8 6 3 ) 子课题：软测量、单元级优化控制系统的设计开发及工 程应用。以山水集团4 # 水泥生产线回转窑及篦冷机为研究对象，深入分析其生产工 艺以及熟料烧成与冷却机理，总结现场工艺工程师的专家经验，合理选取工艺参数， 总结典型工况特征，提出了一种基于模糊专家系统的工况智能识别方法，并应用于 工业生产现场。 本文结合熟料烧成与冷却过程的工艺机理以及工况特征，选取了窑尾烟室温 度、窑主电机电流、二次风温、篦冷机一室压力、窑头电收尘入口温度等五个工艺 参数，并对以上参数的变化趋势以及当前幅值进行特征提取。前者采用基于参数曲 线斜率的模糊特征提取方法，首先求取曲线斜率，而后对该斜率进行模糊化处理， 得到快升、慢升、平稳、慢降、快降等五种趋势特征以及对应的隶属度；当前值的 特征提取同样采用模糊化方式，输出当前值很大、较大、正常、较小、很小等当前 值特征及对应的隶属度。 新型干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 本文从专家规则表示方式和模糊推理机制两个方面，详细研究了基于模糊专家 系统的工况智能识别方法。专家规则的表示方式采用模糊专家规则矩阵的形式，该 方法实现简单，为提高推理效率提供了保障；模糊推理机以参数特征为输入，通过 模糊推理运算得到当前的工况类别及置信度。为解决传统的模糊推理机制无法区分 专家规则中多个条件项不同重要性和权重的问题，采用了加权模糊推理机制，为各 个条件项设置不同的权重，提高了模糊推理的准确性。 新型干法水泥生产线烧成及冷却过程工况识别系统的软件开发采用c + + 语言 实现，为提高系统的不同环境、不同企业或不同生产线的通用性，软件提供了人性 化的人机界面，用户可根据实际情况，对专家系统参数进行修正。现场实际应用表 明，本文提出的基于模糊专家系统的工况识别方法可以快速、准确的识别当前窑况， 具有较好的实用性和可靠性。本方案可推广至整条生产线的工况识别过程中，建立 水泥熟料生产线工况智能识别系统，为最终实现水泥生产过程综合自动化控制奠定 了坚实的基础。 关键词：新型干法水泥；模糊推理；专家系统；工况识别；d c s ；o p c n 济南大学硕十学位论文 暑, 一- - ii i i i i 一一 一一i i i 薯皇置置富葛景皇_ 一 a b s t r a c t c a l c i n i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s e so fc l i n k e r , w h o s ew o r k i n g s t a t u sd e t e r m i n e st h ec e m e n tq u a l i t y a n dc o s to fe r l g t g ys o u i c e 8d i r e c t l y , p l a ya l l e x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei nn s pc e m e n tp r o d u c t i o n h o w e v e r , t h e s ep r o c e s s e sh a v et h en o n l i n e a r i t y , t h em u l t i v a r i a b l e ，t h ec l o s ec o u p l i n g ，t h eb i gt i m e l a g ，t i m e - v a r i a b l ea n ds oo nt h ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc a u s et h ew o r k i n g s t a t u so ft h ec e m e n tr o t a r y k i l ns y s t e mt ob ee x l r e m e l yc o m p l e x ，s ot h a tt h ew o r k i n g s t a t u ei sv e r yd i f f i c u l tt ob es t a b i l i z e db y t r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o lo fk i l ns y s t e m u s u a l l yf o c u s e so no n ep a r t s o m e t i m e si tm a y b et a k e sag o o dc o n t r o le f f o r t ；h o w e v e r , o n c et h e w o r k i n g 。s t a t u sh a sal a r g ec h a n g e ，t h ec o n t r o li m p a c tw i l lf a i l i no r d e rt og u a r a n t e et h es t a b i l i z a t i o n o fw o r k i n g 。s t a t u e ，o p e r a t o r sm a i n l yd e p e n do na d j u s t i n gc r a f tp a r a m e t e r sf r e q u e n t l ya c c o r d i n gt o t h e i re x p e r i e n c ea n dt h ec h a n g e so ft h ep a r a m e t e r s i ti sa nu r g e n tp r o b l e mt h a th o w t or e a l i z e i n t e l l e c t i v er e c o g n i t i o no fw o r k i n g - s t a t u ei n s t e a do ft h em a n u a lc o n t r o lm o d e , a n df i n a l l yr e a l i z et h e i n t e g r a t e da u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ew h o l ep r o c e s sw i t ht h eg u i d eo fw o r k i n g s t a t u sr e s u l t d e e p l y r e s e a r c ho ft h i sp r o b l e mh a saf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c ew h i c hc a ni m p r o v et h ei n t e g r a t e da u t o m a t i c l e v e lo fo u rc e m e n ti n d u s t r y ,g u a r a n t e et h eq u a l i t yo fc e m e n tp r o d u c t i o n ， a n di m p r o v et h e p r o d u c t i v i t yo ft h ef a c t o r i e s t h et e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ew h i c hh a sah i g hs p e e d d e v e l o p m e n tg i v e sas o l i db a s i sf o rd e a l i n gw i t ht h i sp r o b l e m a sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nz o n eo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e , t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fe x p e r t s y s t e mi sm o r ea n dm o r em a t u r ew i t hl o n gt i m er e s e a r c h a p p l i c a t i o n so fe x p e r ts y s t e ma l s ot a k ea f a s td e v e l o p i n gs p e e d r e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yo ff u z z yr e a s o n i n gw a su s e di n e x p e r ts y s t e m s u c c e s s f u l l y t h i sc a u s e st h a tt h ee x p e r ts y s t e mh a sa na c c u r a t em e t h o dt od e a l w i t hi m p r e c i s e p r o b l e m s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u z z ye x p e r ts y s t e mg i v eag r e a ta c a d e m i ca n dt e c h n i c a ls u p p o r to n c o m p l e xw o r k i n g s t a t u ei n t e l l e c t i v er e c o g n i t i o n a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sr e l i e d o nt h en a t i o n a lh i g h - t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3 ) ：s o f tm e a s u r e m e n t ，o p t i m i z a t i o n u n i t l e v e lc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n si s s u e sw h i c hi sas u b t o p i c o f “t h ea p p l i c a t i o no fn s pc e m e n tp r o d u c t i o ni n t e g r a t e dp r o c e s sc o n t r o l ”a i m i n ga tt h ec e m e n t r o t a r yk i l na n dc o o l e ro fs u n n s yg r o u p 铺p r o d u c t i o nl i n e as o l u t i o no fw o r k i n g s t a t u si n t e l l e c t i v e r e c o g n i t i o nb a s e do nf u z z ye x p e r ts y s t e mi sm a d ea n dp u ti n t oa p p l i c a t i o na f t e rc r a f ta n a l y s i s ， p a r a m e t e rs e l e c t i o na n dw o r k i n g s t a t u ss u m - u pa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c ef r o mc r a f te n g i n e e r i l l 新型千法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 f i v ep a r a m e t e r sa r ec h o o s e dt or e a l i z et h ec h a r a c t e r sr e c o g n i t o nw h i c hm c m d c st h et r e n da n dt h e r e a l - t i m ev a l u ec h a r a c t e r sa c c o r d i n gt ot h ec a r la n dw o r k i n g - s t a t u so fc e m e n tp r o d u c t i o n t h es o l u t i o no fw o r k i n g s t a t u sr e c o g n i t i o nb a s e do i lf u z z ye x p e r ts y s t e mi sr e s e a r c h e df r o mt w o s i d e s f i r s t l y , t h ee x p e r tr u l e sa r es h o w nb yt h ef o r mo ff u z z ym a t r i x i no r d e rt o i m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fr e a s o n i n g s e c o n d l y , w e i g h tf u z z yr e a n n i n gt h e o r yw h i c ht a k e sp a r a m e t e r c h a r a c t e r s a si n p u ta n dw o r k i n g s t a m sa so u t p u ti su s e di no r d e rt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a lf u z z yr e a s o n i n g t h es o f t w a r eo ft h i ss y s t e mo fw o r k i n g s t a t u sr e c o g n i t i o ni sm a d eu f i n gc + + t h eo p e r a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a l i t yo ft h i ss o l u t i o n k e y w o r d sn s pc e m e n t ，f u z z yr e a s o n i n g ，e x p e r ts y s t e m ，w o r k i n g s t a t u sr e c o g n i t i o n ，d c s ，o p c 1 2 2 国外研究现状3 l - 3 研究目的及论文的主要内容4 1 3 1 课题的研究目的及意义4 1 3 2 论文的主要内容5 第二章新型干法水泥生产工艺流程7 2 1 新型干法水泥生产技术的发展概况7 2 2 水泥生产工艺流程7 2 3 水泥熟料烧成与冷却过程的机理研究8 2 3 1 熟料烧成环节的机理研究。9 2 3 2 熟料冷却过程的机理研究1 0 2 4 本章小结1 1 第三章烧成与冷却环节工况分析及工艺参数特征提取1 3 3 1 熟料烧成与冷却环节的工况类别1 3 3 1 1 典型工况1 3 3 1 2 故障工况1 4 3 2 工艺参数的选取1 4 3 3 工况判断规则的确立1 5 3 4 数据预处理一1 6 3 4 1 数据的采集1 6 3 4 2 数据的预处理一1 8 3 5 工艺参数的特征提取1 9 v 新型干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 3 5 1 参数变化趋势的特征提取1 9 3 5 2 参数实时值的特征提取2 4 3 6 本章小结2 7 第四章模糊专家系统在工况识别过程中的应用研究2 8 4 1 专家系统概述2 8 4 1 1 专家系统的发展概况2 8 4 1 2 专家系统的结构2 8 4 2 模糊专家系统3 0 4 3 工况识别模糊专家系统中知识的获取和表示3 l 4 3 1 烧成带工况的知识表示3 2 4 3 2 篦冷机入料工况的知识表示3 3 4 3 3 篦冷机换热工况的知识表示3 4 4 3 4 故障工况的知识表示3 5 4 4 模糊专家系统中推理机制的研究3 7 4 4 1 模糊推理机制3 7 4 4 2 加权模糊推理机制3 8 4 3 本章小结3 9 第五章熟料烧成与冷却过程工况识别系统的工程实现4 l 5 1 工况识别系统的软件架构4 l 5 2d c s 控制系统的设计和实现4 2 5 2 1d c s 简介4 2 5 2 2d c s 系统的硬件配置4 3 5 2 3d c s 系统的软件组态一4 4 5 3o p c 接口技术的设计及实现4 5 5 3 1o p c 简介一4 5 4 6 4 7 4 9 ! ；o 5 ( ) v 1 济南大学硕+ 学位论文 5 5 2 工况识别系统的现场应用效果5 4 5 6 本章小结5 7 第六章总结与展望 参考文献。 5 9 j ! 谢6 5 附录( 攻读学位期间发表的学术论文及参与研究的项目) 6 7 发表的学术论文6 7 参与研究的项目6 7 v 新型干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 v n i 济南大学硕十学位论文 詈詈! 皇曼暑詈曼曼詈詈詈量鼍喜暑詈詈詈詈詈詈喜皇詈詈鼍詈曼置詈舅舅| 置墨詈詈曼詈量詈置暑鼍詈置墨詈墨詈墨暑鲁皇詈詈鲁鲁喜鼍昌皇皇墨宣皇皇置i - 第一章绪论 1 1 我国水泥行业的发展概况 水泥是国民经济的基础原材料，水泥工业与经济建设密切相关，在未来相当长的 时期内，水泥仍将是人类社会的主要建筑材料。改革开放以来，我国水泥工业得到较 快的发展，产量自1 9 8 5 年以来，连续2 4 年居世界第一位。2 0 0 9 年，全国水泥总产 量突破1 4 亿吨，人均消费量达到一吨。随着我国工业化和城镇化进程的加快，水泥 消费将继续保持在较高的水平，水泥工业也将进入新的发展时期。 我们也应清醒地认识到，我国水泥工业发展到今天，规模虽然足够大，但大而不 强的局面还没有根本改变。主要表现为企业规模小、产品档次偏低、落后生产能力仍 占相当比重，生产过程的能耗大、资源消耗高、环境污染严重等。这些问题的产生， 既有长期低水平发展积累的原因，也有近两年在市场需求拉动下，一些企业不顾产业 政策，低水平盲目扩张所带来的后果。 1 厂点分散规模小，质量不稳且标号低 全国共有规模以上( 年销售收入5 0 0 万元以上) 水泥企业5 0 0 0 多家，企业数量 超过世界其他国家的总和，但平均规模仅为2 2 万屯，远低于世界平均水平。目前， 水泥生产能力中5 5 左右仍为落后的立窑和小型干法中空窑，3 2 5 级水泥等低端产品 约占总产量的8 5 ，4 2 5 级及以上的约占1 2 ，其余为特种水泥。我国混凝土标号大 部分为c 2 0 、c 3 0 ，而国外多为c 5 0 、c 6 0 。由于混凝土标号标准低，特别是立窑水泥 产品质量不稳定，给工程质量带来隐患，直接影响建筑工程的寿命。 2 工艺落后能耗高，环境破坏污染严重 与新型干法水泥相比，小立窑、湿法窑等落后工艺能耗高。由于目前采用立窑等 落后生产工艺的能力还占相当比重，造成我国水泥工业整体能耗还比较高。水泥工业 对环境影响主要是粉尘污染，其粉尘排放量占全国工业行业粉尘排放总量的4 0 左 右。虽然国家对水泥行业的环保问题日益重视，水泥生产中的粉尘排放总量逐年降低， 但污染问题仍很严重。目前多数立窑和干法中空窑企业粉尘排放浓度严重超标。 3 生产效率较低 2 0 0 5 年我国水泥企业全员人均实物劳动生产率约8 0 0 吨人年，其中小型企业仅 2 0 0 吨人年，中型企业为4 0 0 _ 0 0 0 吨人年，同产2 0 0 0 吨以上新型干法生产线，已 新型干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 詈詈曼曼! ! 詈皇詈皇詈曼皇詈詈詈詈詈詈詈詈皇! 皇皇! 詈! 喜皇皇詈皇曼! 暑皇鼍詈詈暑詈暑詈詈暑葛詈詈! 詈詈暑鼍! 詈詈詈皇! 詈! ! 詈詈詈詈詈詈曼! ! ! ! 鼍 提高到2 5 0 0 - - 4 0 0 0 吨人年。但与发达国家相比仍存在很大差距，如德国为3 0 1 5 吨 人年，法国为3 2 7 3 吨人年，日本已达到1 5 0 0 0 吨入年。 4 盲目扩张造成资源浪费严重 在市场需求快速增长的拉动下，新增水泥产量中有相当一部分是国家明令禁止新 建的立窑水泥，当前落后生产能力的重复建设仍未得到完全有效的遏制。盲目扩张进 一步加大了结构调整的难度，严重影响了水泥工业的可持续发展。特别是一些水泥企 业不建矿山，采用民采民运方式，不重视环境保护和资源的合理开采利用，资源和生 态环境的破坏也较严型。 从我国水泥行业发展的现状可以看出，高能耗、低能效、产量高、污染大的矛盾 依然严重。尽管新型干法水泥生产技术正越来越得到广泛应用，但由于工艺和自动化 水平的相对落后，劳动生产率同发达国家相比仍存在巨大差距。因此，我国新时期水 泥工业的发展既充满机遇，又面临挑战。改进水泥生产工艺、提高水泥生产的综合自 动化水平，是推动我国水泥行业不断向前发展的必由之路【2 1 。 1 2 水泥生产线烧成与冷却过程控制的研究现状 新型干法水泥生产线中，对于水泥熟料的烧成和冷却主要通过回转窑以及篦冷机 实现。由于该环节在水泥生产过程中起着至关重要的作用，因此回转窑和篦冷机的生 产过程自动化控制，特别是对于关键工艺参数的控制，一直是近年来国内外专家的研 究热点。 1 2 1 国内研究现状 1 分布式控制系统( d c s ) 国内水泥生产线基础自动化控制方面，d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统已 基本取代常规仪表和手动操作，成为新型干法水泥生产线的主要控制方式。随着现场 总线技术的只臻成熟，规模较大、自动化基础比较完备的现代化水泥企业开始在d c s 的基础上融入p r o f i b u s 、f f 等总线技术。文献【3 】介绍了d c s 在水泥熟料生产线中 的应用，对d c s 的具体实现做了细致阐述。文献【4 】在现场总线方面进行研究，并把 现场总线技术应用于新型干法水泥回转窑的生产中，得到了较好的效果。文献 5 】介 绍了基于p r o f i b u s 现场总线技术的回转窑d c s 控制系统的应用。 d c s 系统的广泛应用，大大提高了水泥企业的综合自动化水平，但对于回转窑 2 济两大学硕十学l 审论文 詈曼詈詈詈鼍皇鼍! 皇曼詈曼暑曼詈曼量鼍詈鼍葛皇詈皇詈詈皇篁皇曼置詈量量量皇量置量置量置詈鼍詈置詈詈詈詈置鼍鲁皇皇| 曹罾量一 和篦冷机关键参数的控制以及整个工况的把握，尚难以实现。 2 模糊控制 文献【6 】介绍了模糊控制理论在回转窑生产过程自动控制中的应用研究，提出了基 于p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的模糊控制应用方案。文献 7 】在深入分析回 转窑工艺特点的基础上，建立了水泥回转窑的模糊模型，并提出了测量数据的模糊滤 波方法。文献【8 将模糊控制应用于回转窑的控制当中，提出了三种分级式的控制方式。 文献【9 】把窑尾温度、烧成带温度作为被控量，以窑头喂煤量、排风量、窑主电机转速 作为控制量，给出了水泥回转窑的模糊控制模型。在篦冷机的控制方面，文献【1 0 】提 出了一种单入双出的模糊预测协调控制方式，并通过仿真研究证明了方案的有效性。 文献【11 】、【1 2 】和文献 1 3 】也对模糊控制系统在水泥生产过程自动控制方面的应用进 行了介绍。 3 神经网络 文献 1 4 至t j 2 5 中介绍了神经网络理论在水泥生产过程建模及控制方面的应用研 究。文献【1 4 】提出了基于r b f 神经网络的水泥回转窑控制方案，采用“定值控制回路 + r b f 神经网络”的两层控制结构，实现了窑系统的优化控制。文献f 1 5 n 用b p 神 经网络来解决水泥回转窑优化控制的建模问题。在篦冷机熟料流动建模方面，文献 1 6 】 提出了一种基于模糊推理和误差反向传播理论的神经网络算法，仿真效果良好。 以上研究工作均取得了一定成果，但大多数是仿真研究，或是针对回转窑系统中 的某一环节、某一过程进行研究，虽然取得了一定的研究成果，但应用效果多不理想， 一旦工况出现较大波动，控制策略往往会立即失效。 从国内的水泥生产过程控制的研究现状来看，以我国目前的水泥生产设备、工艺 水平，在复杂多变的工况下，直接实现生产过程控制，并取得较好的控制效果是困难 的。因此，在稳定窑况的前提下，探索基于各种不同工况的过程控制方式正越来越受 到人们的重视。另外，由于水泥生产是一个复杂、连续的过程，各个环节之间相互联 系、相互影响，单纯的实现某一环节的过程控制，意义并不大，必须把窑系统作为一 个整体去研究控制方式，而如何在综合自动化背景下实现整个窑系统的工况识别和智 能控制目前并无被广泛接受的成果。 1 2 2 国外研究现状 国外在水泥熟料生产线的自动化控制领域起步较早。1 9 8 0 年o s t e r g a r d 将模糊控 新犁干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 制技术成功地应用于石灰窑的生产过程控制。1 9 8 2 年模糊控制技术在日本大阪水泥 熟料生产线上得到了成功应用。文献 2 6 1 介绍了专家系统在的水泥回转窑故障诊断过 程中的应用。 目前，国外水泥工业自动化的研究重心j 下在由专家系统向基于模型的控制方向发 展，在实现操作自动化的基础上，实现操作的优化。a b b 、s i e m e n s 等自动化公司 均开发了优化控制商用软件伫7 1 。丹麦的f l s m i t h 公司利用模糊逻辑方法开发出针对 水泥熟料生产过程控制的f u z z y - l 、f u z z y - 2 系统，并成功应用于工业现场。英国 b l u ec i e c l e 公司同样开发了基于模糊控制技术的l 1 n k m a n 系统【2 8 1 。 近年来，国内的一些水泥企业试图通过购买高额的国外优化软件提高自身的自动 化水平，但由于我国水泥生产线的工艺、设备水平相对落后，窑况复杂多变。同等规 模生产线的工艺测点数量也远远少于发达国家。因此，国外优良的控制软件很难适用 于国内的生产线。同时，国外软件价格高昂、维护困难，很难被国内厂家接型2 9 1 。 近年来，随着专家系统理论与技术的同臻完善，其应用在我国也得到了飞速的发 展【3 0 。3 5 1 。文献【3 0 】利用人工智能和模糊数学的思想方法，开发了高炉炉况检测与诊断 专家系统，该系统能够实现对十余种典型工况的检测、诊断和预报。文献 3 1 1 在深入 分析电弧炉工艺特点的基础上，提出了基于模糊推理机制的炉况判断专家系统，并通 过仿真研究证明了方案的有效性。虽然近年来专家系统在工业领域的应用大多同样处 于仿真研究阶段，但其出发点已面向综合自动化控制背景，并且在许多工业生产领域 有了实际应用的成果。 综合分析国内外的发展现状可以看出，智能控制理论的不断成熟为解决我国工业 生产过程中的控制难题提供了可能。特别是对于流程工业的典型代表水泥行业， 以专家系统为基础，综合其它智能控制方面的先进理论和技术，实现水泥熟料烧成与 冷却过程复杂工况的智能识别，并在此基础上最终实现基于工况指导下的综合自动化 控制是一条行之有效的道路。 1 3 研究目的及论文的主要内容 1 3 1 课题的研究目的及意义 目前我国水泥熟料生产总体上仍处于人工或半自动控制状态，主要依靠中控操作 员根据各个工艺参数的变化情况，凭借经验判断当前工况，并通过参数的手动调节保 证工况的稳定。这种控制方式，受人为因素影响较大、很难保证回转窑长时问保持在 4 济南大学硕十学位论文 !iii。 i i i i 鼍量詈量暑葺置喜鼍置置一 最佳工作状态。 工业生产中的节能减排越来越受到国家的重视。而水泥生产作为高耗能的典型行 业，如何改进落后的生产控制方式并通过先进控制手段提高生产效率、降低能耗具有 极为重要的意义。水泥熟料的烧成与冷却是水泥生产过程的核心环节，直接觉得熟料 的质量。因此，“如何保证该环节的工况稳定，进而达到保证水泥高产优质的目标”， 成为水泥企业综合自动化控制的重要课题。 水泥熟料烧成与冷却过程具有多变量、非线性、强耦合、大时滞的特点，这些特 点导致该环节的工况复杂多变，难以稳定控制。目前的一些智能控制方法多针对某一 参数，难以整体把握和稳定工况。而本课题的研究目的即在于针对复杂多变的水泥生 产热工过程，在深入分析工艺特点的基础上，对主要的工艺参数进行特征提取，依据 领域知识工程师的专家经验，建立工况智能识别的专家系统。该系统能够实时的分析 参数的变化情况，并输出当前的工况。在明确工况的基础上再进行下一步综合自动化 控制的研究工作。 在工业生产中，还有很多领域具有类似于水泥回转窑系统的特点，因此本课题的 研究成果，将具有巨大的推广价值，对于提高我国流程工业生产的综合自动化水平意 义重大。 1 3 2 论文的主要内容 本课题依托国家高技术发展计划( 8 6 3 ) 新型干法水泥生产过程集成控制应用 的子课题：软测量、单元级优化控制系统的设计开发及工程应用。以山水集团4 # 水 泥生产线回转窑及篦冷机为研究对象，对其生产工艺以及熟料烧成与冷却机理进行了 深入分析。对数据的采集、预处理、特征提取方法进行了详细研究，提出了基于模糊 专家系统的熟料烧成与冷却过程工况智能识别方案。 本文一共分为六章。第一章是绪论，首先介绍了我国水泥工业的发展概况，通过 对国内外熟料烧成及冷却过程控制研究现状的深入分析，引出了课题的研究目的及意 义：第二章主要介绍了我国新型干法水泥生产技术的发展以及生产工艺流程，分析了 水泥熟料烧成与冷却过程机理，为工况类别的确定提供了指导。第三章在深入分析回 转窑及篦冷机复杂工况的基础上，确立了工况类别，选取了窑尾烟室温度、窑主电机 电流、二次风温、篦冷机一室篦下压力、窑头电收尘入口温度等五个工艺参数，并对 以上参数的变化趋势以及当前值进行特征提取。前者采用基于参数曲线斜率的模糊特 5 新型干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 征提取方法，首先求取曲线斜率，而后对该斜率进行模糊化处理，得到快升、慢升、 平稳、慢降、快降等五种趋势特征以及对应的隶属度；当前值的特征提取同样采用模 糊化方式，输出当前值很大、较大、正常、较小、很小等当前值特征及对应的隶属度： 第四章首先对专家系统理论进行了介绍，重点从专家规则表示方式和模糊推理机制两 个方面，详细研究了基于模糊专家系统的工况智能识别方法。专家规则的表示方式采 用模糊专家规则矩阵的形式，该方法实现简单，为提高推理效率提供了保障。模糊推 理机以参数特征为输入，通过模糊推理运算得到当前的工况类别及置信度。为解决传 统的模糊推理机制无法区分专家规则中多个条件项不同重要性和权重的问题，采用了 加权模糊推理机制，为各个条件项设置不同的权重，提高了模糊推理的准确性；第五 章首先从硬件配置和软件配置两个方面介绍了集散控制系统在新型干法水泥生产线 中的具体应用，并对工况智能识别系统的设计开发过程、主要功能和操作进行了详细 阐述，并以具体实例介绍了该系统在工业现场的应用情况；第六章总结了工况智能识 别方案的特点，并提出了未来的研究方向。 6 济南大学硕f ? 学位论文 第二章新型干法水泥生产工艺流程 2 1 新型干法水泥生产技术的发展概况 最初的水泥生产，是在土立窑上进行的。世界上第一条回转窑水泥生产线于18 7 7 年在英国建成投产。初期建立的回转窑是干法中空窑，因其热耗大，生料均化不匀， 粉尘大，质量不佳，不久就被湿法窑所替代。湿法回转窑与干法中空窑相比，热耗低、 污染小，产品质量高。2 0 世纪3 0 年代出现了立波尔窑，在窑的尾部加装了炉篦子加 热机，对含水分1 2 - , - , 1 4 的生料球进行加热，使余热得到较好利用，热耗大幅下降， 产品质量得到大幅提高。 2 0 世纪5 0 年代出现了带有旋风预热器的回转窑，使得窑尾余热得到了更好的利 用，而在7 0 年代初期，带窑外分解炉的新型干法水泥回转窑生产线开始出现，将干 法生产推向新的阶段。这种能耗低、产量高、质量好、技术新的水泥生产工艺已成为 世界各国水泥生产的发展方向。它不但弥补了旧干法生产不能很好利用余热的缺陷， 而且使熟料热耗由1 8 0 0 千卡千克熟料降至7 2 0 - - 8 5 0 千卡千克熟料。这种窑的胴体短、 产量高，加之使用压缩空气搅拌均化生料，使用各种类型的收尘器消除污染，使之在 产量、质量、节能、环境效益等各个方面都具有发展优势。 我国用回转窑生产水泥始于1 9 0 6 年的唐山启新洋灰公司，随着世界回转窑的发 展，我国水泥工业也相继经历了湿法窑、立波尔窑、旋风预热器窑、立筒预热器窑、 双立筒预热器窑的发展过程。2 0 世纪8 0 年代从同本引进了带s f 分解炉及4 级旋风 预热器的窑，并于1 9 8 4 年在唐山冀东水泥厂投产。我国回转窑生产水泥也随世界潮 流而进步，由简单的干法改进为湿法，并由湿法改进为新型干法【3 6 】。 2 2 水泥生产工艺流程 新型干法水泥生产工艺，是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，把工业生产最新 成就和现代科学技术，广泛地应用于水泥生产的全过程，使水泥生产具有高效、优质、 节约资源、清洁生产和自动化、大型化特征的现代化水泥生产方法【3 7 1 。 新型干法水泥生产线整体上可以分为生料制备、熟料煅烧和水泥制备三个部分。 其中，生料制备过程包括原料的破碎、配料、粉磨、均化四个主要环节；熟料煅烧过 程包括窑外预热与分解、窑内锻烧、窑头熟料冷却及煤粉制备等环节；水泥制备过程 主要包括熟料的储存、配料、粉磨、储存、包装等环节。 新型干法水泥生产线熟料煅烧系统( 含余热发电系统) 如图2 1 所示，该系统主 7 新型干法水泥烧成与冷却过程t 况识别系统的研究 鼍i i i 。鼍暑! 暑! 詈! 詈皇詈詈詈鼍詈 要由五级旋风预热器、分解炉、回转窑和篦冷机四部分组成。 从物料流向来看，出原料磨生料经过前四级旋风预热筒充分余热后进入分解炉吸 热分解，而后随上升气流进入到第五级预热筒，气固两相分离后入窑，此时料粉的分 解率可达9 0 左右。生料入窑后，由于窑体倾斜放置且不断旋转，使生料不断向窑头 运动，经窑头烧成带的高温煅烧后形成熟料，最后从窑头罩下端落入篦冷机，经空气 冷却换热后，由拉链机输送入库。 从空气流向来看，系统主要风源来自携煤粉进入窑头的空气( 一次风) 和熟料冷 却风机送入篦冷机的冷风。后者经冷却换热后形成高温气体，一部分入窑头助燃，称 为二次风，一部分经风管进入分解炉助燃，称为三次风，剩余部分作为高温废气经窑 头收尘器处理后排放，或进入窑头余热发电系统。窑内空气受窑尾高温风机的负压作 用，自窑头向窑尾运动，并不断预热物料，最终离开预热器经收尘处理后排放，或进 入窑尾余热发电系统。 i 1 铭我方向 2 烟气方痨 ，水蠢方囊一一 汽、水霆含锈蠢一一5 羹戎藏巍一 l 图2 1 新型干法水泥生产线熟料煅烧系统示意图 2 3 水泥熟料烧成与冷却过程的机理研究 从新型干法水泥生产工艺流程可见，熟料的烧成与冷却是熟料生产过程中至关重 要的环节，该环节工况的分析须建立在对其过程机理深入研究的基础上。 8 济南大学硕十学位论文 皇曼皇曼曼曼皇量皇詈喜詈皇! 詈詈喜! 詈! 皇寡量詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈皇詈詈暑暑墨暑詈暑鲁置鼍量鼍置詈量皇詈皇鲁摹詈詈皇旱暑詈置篁暑皇鲁鲁量昌一 2 3 1 熟料烧成环节的机理研究 自1 8 7 7 年回转窑问世后的1 3 3 年来，水泥工业生产技术虽已历经多次重大革新， 但它作为水泥煅烧关键技术装备，屡遭挑战，却仍葆青春。可见其具有独特的功能和 品质。首