改编版水泥生产优化节能控制系统

工程师站 ES 筒体扫描系统
防火墙 路由器
管理优 化系统
水泥连续生 产保障系统
TCP / IP 水泥质量 保证系统
过程控制站PS 生料PS 总 线 控 制 器 窑尾PS 窑头PS 总 线 控 制 器 水泥PS 带OPC接口的水泥 生产过程优化子系统
控制台
研磨
X-射线
Profibus / FF
Profibus / FF
总线I/O
变频 驱动
总线 通用 仪表 电机 智能 控制 设备 系统
总线I/O
变频 驱动
总线 通用 仪表 电机 智能 控制 设备 系统
自动化验室
水泥生产综合自动化体系结构
ERP 企业资源管 理 生产管理 资产管理 物流计划 生产成本计划 生产计划 生产成本 控制与管理
ERP层
资产动态管理 中间库 存管理 中间产 品管理
窑优化控制实现的难点
优化控制实现难以实现主要原因有三点: 原材料成分的变动 窑操的复杂性 窑操和其引起的效果间存在滞后性
熟料烧成自动控制与过程优化：多种算法的集成
PID
软测量
模糊算法
烧成过程控制
神经网络
布尔逻辑
预测控制
熟料烧成自动控制与过程优化：稳定与优化示意
烧成带温度、分解炉温度
LOGO
水泥生产优化节能控制系统
济南大学自动化研究所 王孝红 教授/博导
项目意义
中国水泥产量占到全球总产量近60%，总 但每年20多亿吨。 水泥是高能耗产业：碳消耗占全国小于8% ，占水泥成本35%，电力消耗占全国3%。 占水泥成本27%。 重点污染行业：其颗粒物排放占全国颗粒 物排放量的20～30%，SO2排放占全国 SO2排放量的5～6%，NOx排放占全国 NOx排放量的12～15%。
构建具有自 主知识产权
水泥生产过程 控制与优化的技术创新
的 适合我国国
情 的 水泥生产 运 营 优化技术 体 系 及运行平
水泥企业运营综合优化 方法与系统架构的创新
台
项目的科技立项支持
国家发改委高技术产业化项目 科技部863科技发展项目 科技部中欧合作节能减排项目 山东省自主创新重大成果转化项目 山东省重大节能减排项目
-M onitoring and controlling the chem ical com position during stacking
- Raw m ix design from clinker quality m odules (off-line) - Optim ised control of raw m ix chem ical composition expressed by Lim e stand ard (LS), Silica m odule (S M), Alum ina m odule (AM )
生产 工艺 设备 状况
生产 原料 状况
生料产量 入窑三率值合格率&细度 单产能耗 水泥产量
生料 制备 协调 优化 控制
生料产量 三率值设定
三率值优 化配料 生料粉磨 优化 分解炉优 化控制 回转窑优 化控制 冷却机优 化控制 水泥配料 优化 水泥粉磨 优化
各原料电 子秤设定
配料 系统 生料粉 磨系统
水泥生产过程关键工艺参数软测量技术
技术难点：烧成带温度、分解炉分解率、磨机负荷等参数无法直接或 在线测量。 采用最小二乘支持向量机及人工神经网的水泥生产过程关键工艺参数 软测量技术，完成了上述参数的在线估计，提高了水泥生产过程控制 的信息完备性，实现了水泥生产过程的在线工况识别。
18
水泥生产过程关键工艺参数软测量技术
烧成系统过程变量
三次风 二次风
窑头引风机转速
窑尾引风机转速
分解炉喂煤 NOX,CO,O2 烟室温度
窑转速
窑头喂煤
篦速 窑头负压
生料
预热器
分解炉
回转窑
篦冷机
熟料
生料流量
分解炉出口温度 分解率 窑电流
烧成带温度
篦下压力
窑头温度 冷风机转速
被控量
软测量变量
操纵量
物流
气流
烧成系统过程变量示意图
23
烧成带温度
磨机负荷 （台时产量） 粉磨细度
喂料设定
选粉机转速 设定
窑尾能耗
分解炉 喂煤设定 三次风阀开度 喂料量设定
熟料产量
水泥质量
全流 程优 化与 调度
熟料质量（立升重，游离钙）
烧成能耗
熟料 烧成 协调 优化 控制
入窑分解率/ 温度设定
熟料质量 窑头能耗
窑头喂煤设定
回转窑转速 总风量/高温 风机转速 篦速设定
科技团队情况
由济南大学5名教授，6名博士，100多名硕 士和1名帝国理工教授和多名博士 项目历经十年研发，取得国际先进水平成 果，获得1项发明专利和多项计算机著作权 ，获得多项省部级科技奖励
水泥生产运营全流程
MES
生产及过程管理 &调度管理 / 设备维护及连续生产保障 /
专家优化系统
更多, 更好，更稳定的产出 更低的电耗与煤耗 水泥
人工控制
优化控制
稳定 人工设定值
优化 优化设定点 低于此温度，工况不稳定
节能降耗效益
时间
优化系统的优点
增加产量 提高产品质量 降低污染 提高窑稳定性 低能耗
熟料烧成自动控制与过程优化
主要自动控制目标 分解炉温度稳定 烧成带温度稳定（指导） 篦下压力稳定 其他（小仓仓重、入窑生料、窑头负压）…… 多过程协调控制 主要过程优化目标 使熟料烧成的综合能耗达到最小 质好产高 控制难点： 关键参数不能直接测量 时变、非线性、强耦合、大滞后 人工操作时被控量波动大、工艺设定裕度大
RMP基本系统描述——-Raw混合控制
Control - Concept
C ontrolled B uild U p of P reblending B ed
Limestone/ High Grade Marl Limestone
R aw M eal C om position C ontrol
Preblending Proportioning
优化控制技术难点
水泥生产运营优化需要解决的问题 关键问题二 关键问题一
■难以获得用于 水泥生产过程控 制的完备信息。 ■水泥生产过 程的复杂特性 为自动控制与
关键问题三
■水泥企业生 产运营环节众 多为全流程优 化带来极大挑 战。
过程优化带来
极大难度。
面向节能降耗的水泥优化节能控制总体思路
水泥生产过程关键参数 软测量的技术创新
熟料烧成自动控制与过程优化：基于工况识别的过 程控制（发明专利）
水泥生产优化控制软件
熟料烧成过程控制软件：
专家优化
三部分组成：
数据采集
冲突消 解 用户界 面 工况识 别
自动控 制
前台操作界面
后台控制程序
DCS
配料优化
现代水泥工厂的一个重要特点 对采石场和窑之间的元素均化进行系统检测 生料粉 化学成分、矿物组成和颗粒大小这几方面都影响生料的易烧性和 反应速率 生产高质量的水泥和平稳的运转需要： 1. 基于均化的质量控制 2. 生料成分配比的优化
节能减排措施
工艺技术革新：第二代水泥生产技术
新型装备：新型粉磨设备等 两化融合：信息技术与控制技术
水泥自动化现状
水泥生产线基本实现集散控制 基本无自动控制功能：局部环节有PID技术 应用，但单入单出的回路控制因水泥生产 的复杂工艺及多变的运行工况多变，并不 能有效实现长期稳定自动控制。 无优化运行控制：各关节工业参数优化设 定、及各子环节优化协调均通过人工完成 ，有效性和实时性不佳。
一些要点的概述
控制不同原材料的配比
以烧成带温度软测量为例： 技术难题：
窑 内 烧 成 带
•带状分布（物料温度1300～1450～1300℃ ） •高温 •旋转 •多粉尘 难以直接测量
解决方案：
窑尾烟室温度 窑头罩温度 （二次风温） 窑主驱动电流 f-CaO含量 烧成带温度
19
水泥生产过程优化控制
烧成过程控制
粉磨过程控制
总线控制器
控制台 总线控制器 筒体扫描仪
研磨 X-射线
总线网络
总线网络
总线I/O
总线 I/O
变频驱动 总线仪表
通用电机 控制系统
总线控制 器
Laser granulometer
自动实验 室
远程 I/O 及 总线设备
其他通用ERP子系统
基础过程 控制系统
操作员站 OS 共享打印机
水泥调度管理优化系统 TCP / IP 及 NetBEUI
水泥优化控制目标
1. 水泥生产稳定运行，获得良好经济收益 2. 规范化,标准化 3. 顶尖的质量，最高的生产率 4. 提高员工生产率 5. 经验相互促进
水泥生产数据采集与处理技术
自动检测技术：通过智能仪表、DCS等实现参数自动测量。 物联网技术：生产现场（Fra Baidu bibliotekCS)各参数及其他数据（如化验室 数据、物料重量等）通过现场总线、无线及有线网络、OPC 等技术实现互联互通。 软测量技术：通过综合相关可检测参数对不能直接检测（烧 成带温度、磨机负荷等）或不能在线检测（分解炉分解率等 ）的关键工艺参数进行逼近和估计。 数据融合和数据挖掘：通过对各关键参数的信息融合，及时 、准确的把握生产运行工况，并通过对海量历史数据进行数 据挖掘以获取多工况下的优化配置。
熟料 烧成 系统
冷却风量/ 篦下压力 热回收效率
窑尾风机速度
单产能耗
水泥产量 水泥质量
单产能耗 调 度 指 令 操 作 指 导
调度人员
水泥 粉磨 协调 优化 控制
水泥产量
各原料电 子秤设定
水泥配比
水泥配 料系统 水泥粉 磨系统
磨机负荷 （台时产量） 粉磨细度
喂料设定
压差设定
水泥生产管控一体化系统结构
回转窑在低温下引起不稳定 不稳定性是热量损失的主要问题 更高维护成本 BZT 对产品质量是至关重要的 影响最终的游离氧化钙比例 低 BZT 将产生更软的熟料 更高的游离氧化钙 更高的 BZT 有两个后果两个后果 更大的燃料消耗 熟料更高的耐磨性
烧成带温度和游离氧化钙含量
配料质量控制
回转窑-水泥生产的核心过程
专家优化控制系统 专家优化控制改善常规控制 通过连续不断的判定窑的状态和 选择合适操作来完成。
常规控制的不足
依赖于有经验的操作员 操作员不断调节工艺条件 频繁的调整来控制目标值 任务困难 复杂反应 时间滞后 过程变量之间相互作用 常规控制导致保守决策 设定裕量大
包装及物流
减少库存成本 与ERP全面集成
生料制备
使原料中化学成分波动最小化
生料磨 预均化 烧成 物流
自动化验系统
全自动取样 快速化验分析
化验室管理
优化取样系统、化验室及质量控制的管理
?ABB Inustrie A
PCS
完成水泥生产全线基础自动化功能
水泥生产全流程优化
基于工厂信息 反馈，采用面 向综合能耗最 小指标的生产 计划优化分解 方法，开发了 新型干法水泥 生产线优化调 度技术，实现 了各主要生产 单元（粉磨过 程及烧成过程） 生产任务和设 备运行的合理 安排，达到水 泥生产全流程 优化的目的。
基于工厂模型的数据集成与控制
工况识别
优化控制
先进控制
以统一数据模型为基础的 核心生产数据库
静态数据模型 动态数据模型
应用数据模型
实时数据库 /
DCS/ &PLC
优化节能控制系统
通过集成大量的先进控制技术及广泛的专 家知识库，来对生产过程进行控制及实施 优化决策管理。 优化节能控制系统的运行使得生产过程接 近其设计的运行极限，从而提高了整个工 厂的有效生产运行率。
C om position C ontrol
Mixed Correctives Limestone Iron ore Sand Gypsum
To X-ray
HOMOG. SILO
RAW
MILL
LS,SM,AM
On-line measurement or to X-ray analyser
Kiln feed
商务/ERP系统 日常事务管理系统 e 水泥生产调度系统
水泥企业PCS
共享打印机 防火墙 路由器
企业内部网络
操作员站 工程师站
筒体扫描系 统
水泥企 业MES 及ERP
RMP Client
KM Clients LIMS Clients
连接服务器 控制网络)
水泥化验知识库 / 化验室管理 / 信息管理 /服务器 .
物流控制与 管理
生产调度 实 时 调 度
生产过程管理
MES层
设备维护管理 生产过程模拟 质量控制 运行操作支持
生产过程模型化
基于工艺目标与技术经济指标的 过程优化
安全控制与管理 生产过程支持系统 知识 控制接口与信息界面 DCS 系统 FCS系统 信息
先 进 控 制
PLC系统
PCS层
传感器、执行机构、在线分析仪