水泥生料配料系统具有多变量、多回路、 大滞后、 非线性和分布复杂的特征, 在缺乏系统有关先验知识的情况下, 采用传统的配料调优方法和手段是很难见效的。本文根据生料配料系统的特点和工作原理, 提出将基于知识的专家系统应用于生料配料控制当中。 将基于人的知识和经验的专家系统应用于配料控制当中, 可以增加整个系统的自动化程度, 减小因人为因素造成的误差和操作失误。通过专家系统的规则控制, 自动调整原料的配比, 使出磨生料的率值控制在要求的范围之内。 在嵌入专家系统工具 CLIPS 的VC++ 和 MATLAB 环境下, 对配料控制系统进行了仿真。

1 水泥厂生料配料系统简介

生料配料是将石灰石、铁粉、 粘土、 煤粉以及矿石渣等多种原料按照一定的比例进行混合。 根据水泥产品的要求, 包括原料的化学成分、 湿度, 不同品种水泥产品的差异, 以及生产工艺及设备的不同确定出各种原料之间的比例关系, 以制备出成分适当、 均匀的生料产品。生料生产中的配料过程对水泥的煅烧、 熟料的质量、原料及燃料的消耗都有着重要的影响。 配料系统的生产过程如图 1 所示。图 1 中的配料系统可以分为多路不同的给料单元, 分别负责不同种原料的配制。物料下到皮带上后, 由传送皮带将其送入研磨机构内, 并最终完成研磨过程。

2 应用专家系统的控制方法

2.1 生料率值的计算

衡量生料质量的标准是水泥的三个率值, 即石灰石饱和系数 KH 、 硅酸率 n 、 铝氧率 P , 在出磨生料中, 诸氧化物的百分比含量必须满足以下三式:

2.2 应用专家系统的生料配料控制

通过调整配比对出磨生料的率值进行控制, 依靠计算的方法是无法实现的。 在实际的生产过程中, 操作员往往通过自己的经验来判断率值的状况, 手动调整配比。 我们可以总结和利用这些经验, 应用基于知识的专家系统对出磨生料的状态进行判断,并通过推理获得新的配比调整方案。

2.2.1原料化学成分分析

表 1 是一组四组分配料的原料化学成分, 从中可以分析得到各组分原料中化学成分的组成情况, 为专家系统中经验知识的总结和规则的设计提供参考。

从表中可以看出以下几个特点和规律:

1 )石灰石中除 CaO 外, 其他成分含量非常小; 其他原料中的CaO 所占比例也很低。所以可以通过改变石灰石的比率来控制出磨生料的 CaO 含量, 而且并不会对其他成分造成太大的影响。

2 ) 铁粉中 Fe 2 O 3 的成分比例较多, 其他原料组分中的 Fe 2 O 3含量很少。当需要调整出磨生料中 Fe 2 O3 的含量时, 可以通过改变铁粉比率实现; 但铁粉中 SiO 2 和 Al 2 O 3 的含量也较多, 控制时需要对此补偿。

3 ) 砂岩( 校正原料) 中 SiO 2成分占绝大多数, 其他化学成分较少。可以通过改变砂岩的比率来控制出磨生料中 SiO2 的含量。

2.2.2率值公式分析

对三个率值的计算公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 简单分析, 可以获得率值与出磨生料化学成分之间定性的关系, 以及初步的控制规律。

1 ) 从率值公式中可以看出, 三个率值均与 Fe 2 O 3和 Al 2O 3 有关, 通过改变 Fe 2 O 3 或 Al 2 O 3 的含量, 将同时对三个率值产生影响, 控制配比时需要将这种影响降低,一是调节 Fe 2O 3 和 Al 2O 3含量较少的原料组分; 二是对不需要控制的率值通过其他成分含量的增减来进行补偿。

2 ) 石灰石饱和系数 KH 与 4 种化学成分含量均有关, 从上面的原料化学成分分析我们知道, 通过改变石灰石的比率来控制出磨生料的 CaO 含量, 不会对其他成分造成太大的影响。因此可以仅通过调整石灰石比率来对 KH 实施控制。

3 ) 硅酸率 n 与 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 有关, 从式( 1 ) 中分析可知, 对 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 调节影响较大, 所以对 n 的控制需要通过调整 SiO 2 的含量来实现。显然, 通过改变砂岩的比率来对SiO 2的含量进行调整最为合适。但应适当改变石灰石比率对 KH 值进行补偿。

4 ) 对于铝氧率 P , 由于 Al 2 O 3 的成分含量特征不够明显, 所以选择通过对 Fe 2 O 3 进行调整。改变铁粉比率, 调整 Fe 2 O 3 含量的同时, SiO 2 和 Al 2 O 3 含量也会随之变化。但因为铁粉在实际配比中所占比率不大, 其改变对 KH 值影响较小; 从式( 2 ) 可以看到, 在 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 同时增大或减小的情况下, n 的变化也不明显, 可以通过适当的补偿来降低影响, 所以通过改变铁粉比率来调整铝氧率 P 是可行的。

2.2.3专家系统中配比调整规则的设计

对于出磨生料率值的控制, 其目标是将三个率值分别控制在一定范围内, 即要求 KH± 0.02 , n± 0.1 , P± 0.1 , 选择 KH=0.9 ,n=2.3 , P=1.5 。 方便起见, 在每个率值的控制值域范围内,定义以下变量: N 、 P 、 N1 、 P1 、 NB 、 PB 、 0 。分别代表小于目标值、 大于目标值、 略小于目标值、 略大于目标值、 很小于目标值、 很大于目标值、 等于目标值。分别记石灰石、 粘土、 铁粉、 校正原料的配比为sh 、 nt 、 tf 、 jz , 其调整幅度量为:

Little , Middle, Much( 简单记作 L , m ,M)

根据上面对率值公式的分析和讨论, 部分产生式规则设计如下:

1 ) IF (KH isPB) and (n is P1) and (P is P)

THEN (dec sh M)and (add tf M) and (dec jz L) ;

2 ) IF (KH isPB) and (n is N1) and (P is P)

THEN (dec sh L)and (add tf L) and (add jz L) ;

3 ) IF (KH isPB) and (n is N1) and (P is N)

THEN (dec sh L)and (dec tf m) and (add jz L) ;

⋯⋯⋯

以上为第一部分规则, 在 KH 处于被要求的控制范围边缘时, 及时对配比进行调整, 以保证 KH 的合格率。当第一部分的规则未被匹配执行时, 开始搜索第二部分的规则:

1 ) IF (KH is P)and (n is P) and (P is P1)

THEN (dec sh M)and (add tf M) and (dec jz L)

2 ) IF (KH is P)and (n is N) and (P is P1)

THEN (dec sh L)and (add tf L) and (add jz L) ;

3 ) IF (KH is P)and (n is N) and (P is N1)

THEN (dec sh L)and (dec tf m) and (add jz L) ;

⋯⋯

在经过上面的两组规则对石灰石、铁粉、 校正原料的配比进行调整之后, 根据调整结果修改粘土的配比,并保证总的配比之和为 1 。

通过以上的规则控制, 基本上可以将三个率值控制在要求范围之内。另外, 可以通过对率值值域和配比调整幅度的修正,改进控制的性能。

3 控制方法的仿真

生料配比控制的仿真, 首先应该模拟出原料的成分含量变化, 对于因原料成分含量的波动而引起的率值变化, 通过专家系统的控制规则对原料的配比进行调整, 来使率值稳定的处于要求的范围之内。本文中, 将专家系统工具 CLIPS 嵌入到 VisualC++6.0 当中, 在 VC++ 环境下对配比的控制系统进行仿真, 并利用 MATLAB 的图形窗口显示仿真结果。

3.1 原料成分的仿真

实际生产中, 原料的成分随时间随机而又缓慢的变化, 无法预测在某一时间点后原料中的任何一种成分含量变化的方向和大小。

变化过程中, 每个原料的成分含量变化都前后相关, 在较短的时间间隔内, 含量不可能有非常大的波动。在实际情况中, 对于原料的某一种成分, 其含量都会有 A 和 B 两个极大极小值。而每一个时间间隔内, 成份含量的变化有一定的幅度,即以前一个时刻的含量值 O1为基点的较小的区间 [a1, b1] 之内, 而含量的变大变小及变化量都是随机的。

利用 Visual C++ 中的随机函数, 通过编程实现配料系统各个原料中的 CaO 、 SiO 2 、 Fe 2 O 3 、 Al 2 O 3 和烧失量 L 的随机变化情况。 在分别要求各成分变化范围和随机变化量的同时, 保证它们的含量总和在0.95～ 1 之间, 其余的部分为原料中的其他成分。

图 2 所示为石灰石中各个成分变化的仿真结果。粘土、 铁粉、 校正原料的成分仿真和它相似。

从图 2 中可以看到, 在石灰石原料中, CaO 、 SiO 2 、 Fe 2 O 3 、Al 2 O 3 和烧失量 L 含量都是在一定区间范围内随机变化的, 它们的含量总和也接近于 1 ( 不足部分为其它成分) 。这与实际中的原料成分变化情况是基本相符的, 所以可以用它作为生料配料控制中的仿真模型。

3.2 专家系统配料控制的仿真

在原料成分仿真的基础上, 对整个生料配料控制系统进行仿真实现。在 Visual C++ 环境下, 利用专家系统对因原料成分波动引起的出磨生料率值的变化进行控制。

仿真程序中, 首先初始化各个参数, 即读取表 1 中的各原料的化学成分含量, 设置采样控制时间并计算初始的配比; 在初始化 CLIPS 环境并读取推理程序后, 开始进入仿真控制。在采样时间间隔内, 调用原料成分随机变化子程序仿真原料的成分变化情况, 并根据各个原料中的成分含量及配比, 计算出出磨生料中的 CaO 、 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 的含量值, 利用式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 )计算三个率值; 在到达采样时刻时, 读取出磨生料的率值, 调用专家系统判断率值的情况, 并根据上一节中所设计的控制规则推理, 对配比进行调整; 直到仿真结束, 重复以上步骤, 实现生料配料系统的仿真。

在仿真过程中, 不经过专家系统对配比进行调整,KH 、 n 和P 三个率值的变化图如图 3 所示; 在专家系统控制下, 记录每一次计算得到的 KH 、 n 和 P 的值, 利用 MATLAB 的绘图程序获得被控的三个率值的仿真结果, 如图 4 所示。

从仿真结果中可以明显看到, 在不经控制的情况下, 三个率值是没有规律随机变化的, 这样出产的生料产品是不合格的; 而在专家系统的控制下, 原料配比在不断地自动调整, KH 、 n 和 P三个率值能够稳定地被控制在要求的范围之内 ( KH± 0.02 , n±0.1 , P± 0.1 ) 。

4 结束语

仿真结果表明, 采用专家系统不仅适合于应用在生料配料控制当中, 而且可以完全替代过去人工对配比手动调整方法并能够获得更好的控制效果。与此同时, 由于专家系统是基于知识的系统, 所以应用相关的专业知识和经验可以很好的解决实际中难以建立准确数学模型的、不确定性的和非结构化的问题。 此外, 针对配料系统中各种不同的原料和工艺要求, 需要通过大量的工作获取和总结实际生产当中的控制规律和经验, 进一步完善专家系统的知识库,设计出更为合理和高效的控制规则, 从而提高控制的适应性和品质。

 

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