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水泥生料配料系統(tǒng)具有多變量、多回路、 大滯后、 非線性和分布復(fù)雜的特征, 在缺乏系統(tǒng)有關(guān)先驗知識的情況下, 采用傳統(tǒng)的配料調(diào)優(yōu)方法和手段是很難見效的。本文根據(jù)生料配料系統(tǒng)的特點和工作原理, 提出將基于知識的專家系統(tǒng)應(yīng)用于生料配料控制當中。 將基于人的知識和經(jīng)驗的專家系統(tǒng)應(yīng)用于配料控制當中, 可以增加整個系統(tǒng)的自動化程度, 減小因人為因素造成的誤差和操作失誤。通過專家系統(tǒng)的規(guī)則控制, 自動調(diào)整原料的配比, 使出磨生料的率值控制在要求的范圍之內(nèi)。 在嵌入專家系統(tǒng)工具 CLIPS 的VC++ 和 MATLAB 環(huán)境下, 對配料控制系統(tǒng)進行了仿真。

1 水泥廠生料配料系統(tǒng)簡介

生料配料是將石灰石、鐵粉、 粘土、 煤粉以及礦石渣等多種原料按照一定的比例進行混合。 根據(jù)水泥產(chǎn)品的要求, 包括原料的化學成分、 濕度, 不同品種水泥產(chǎn)品的差異, 以及生產(chǎn)工藝及設(shè)備的不同確定出各種原料之間的比例關(guān)系, 以制備出成分適當、 均勻的生料產(chǎn)品。生料生產(chǎn)中的配料過程對水泥的煅燒、 熟料的質(zhì)量、原料及燃料的消耗都有著重要的影響。 配料系統(tǒng)的生產(chǎn)過程如圖 1 所示。圖 1 中的配料系統(tǒng)可以分為多路不同的給料單元, 分別負責不同種原料的配制。物料下到皮帶上后, 由傳送皮帶將其送入研磨機構(gòu)內(nèi), 并最終完成研磨過程。

2 應(yīng)用專家系統(tǒng)的控制方法

2.1 生料率值的計算

衡量生料質(zhì)量的標準是水泥的三個率值, 即石灰石飽和系數(shù) KH 、 硅酸率 n 、 鋁氧率 P , 在出磨生料中, 諸氧化物的百分比含量必須滿足以下三式:

2.2 應(yīng)用專家系統(tǒng)的生料配料控制

通過調(diào)整配比對出磨生料的率值進行控制, 依靠計算的方法是無法實現(xiàn)的。 在實際的生產(chǎn)過程中, 操作員往往通過自己的經(jīng)驗來判斷率值的狀況, 手動調(diào)整配比。 我們可以總結(jié)和利用這些經(jīng)驗, 應(yīng)用基于知識的專家系統(tǒng)對出磨生料的狀態(tài)進行判斷,并通過推理獲得新的配比調(diào)整方案。

2.2.1原料化學成分分析

表 1 是一組四組分配料的原料化學成分, 從中可以分析得到各組分原料中化學成分的組成情況, 為專家系統(tǒng)中經(jīng)驗知識的總結(jié)和規(guī)則的設(shè)計提供參考。

從表中可以看出以下幾個特點和規(guī)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。所以可以通過改變石灰石的比率來控制出磨生料的 CaO 含量, 而且并不會對其他成分造成太大的影響。

2 ) 鐵粉中 Fe 2 O 3 的成分比例較多, 其他原料組分中的 Fe 2 O 3含量很少。當需要調(diào)整出磨生料中 Fe 2 O3 的含量時, 可以通過改變鐵粉比率實現(xiàn); 但鐵粉中 SiO 2 和 Al 2 O 3 的含量也較多, 控制時需要對此補償。

3 ) 砂巖( 校正原料) 中 SiO 2成分占絕大多數(shù), 其他化學成分較少?？梢酝ㄟ^改變砂巖的比率來控制出磨生料中 SiO2 的含量。

2.2.2率值公式分析

對三個率值的計算公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 簡單分析, 可以獲得率值與出磨生料化學成分之間定性的關(guān)系, 以及初步的控制規(guī)律。

1 ) 從率值公式中可以看出, 三個率值均與 Fe 2 O 3和 Al 2O 3 有關(guān), 通過改變 Fe 2 O 3 或 Al 2 O 3 的含量, 將同時對三個率值產(chǎn)生影響, 控制配比時需要將這種影響降低,一是調(diào)節(jié) Fe 2O 3 和 Al 2O 3含量較少的原料組分; 二是對不需要控制的率值通過其他成分含量的增減來進行補償。

2 ) 石灰石飽和系數(shù) KH 與 4 種化學成分含量均有關(guān), 從上面的原料化學成分分析我們知道, 通過改變石灰石的比率來控制出磨生料的 CaO 含量, 不會對其他成分造成太大的影響。因此可以僅通過調(diào)整石灰石比率來對 KH 實施控制。

3 ) 硅酸率 n 與 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 有關(guān), 從式( 1 ) 中分析可知, 對 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 調(diào)節(jié)影響較大, 所以對 n 的控制需要通過調(diào)整 SiO 2 的含量來實現(xiàn)。顯然, 通過改變砂巖的比率來對SiO 2的含量進行調(diào)整最為合適。但應(yīng)適當改變石灰石比率對 KH 值進行補償。

4 ) 對于鋁氧率 P , 由于 Al 2 O 3 的成分含量特征不夠明顯, 所以選擇通過對 Fe 2 O 3 進行調(diào)整。改變鐵粉比率, 調(diào)整 Fe 2 O 3 含量的同時, SiO 2 和 Al 2 O 3 含量也會隨之變化。但因為鐵粉在實際配比中所占比率不大, 其改變對 KH 值影響較小; 從式( 2 ) 可以看到, 在 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 同時增大或減小的情況下, n 的變化也不明顯, 可以通過適當?shù)难a償來降低影響, 所以通過改變鐵粉比率來調(diào)整鋁氧率 P 是可行的。

2.2.3專家系統(tǒng)中配比調(diào)整規(guī)則的設(shè)計

對于出磨生料率值的控制, 其目標是將三個率值分別控制在一定范圍內(nèi), 即要求 KH± 0.02 , n± 0.1 , P± 0.1 , 選擇 KH=0.9 ,n=2.3 , P=1.5 。 方便起見, 在每個率值的控制值域范圍內(nèi),定義以下變量: N 、 P 、 N1 、 P1 、 NB 、 PB 、 0 。分別代表小于目標值、 大于目標值、 略小于目標值、 略大于目標值、 很小于目標值、 很大于目標值、 等于目標值。分別記石灰石、 粘土、 鐵粉、 校正原料的配比為sh 、 nt 、 tf 、 jz , 其調(diào)整幅度量為:

Little , Middle, Much( 簡單記作 L , m ,M)

根據(jù)上面對率值公式的分析和討論, 部分產(chǎn)生式規(guī)則設(shè)計如下:

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) ;

???

以上為第一部分規(guī)則, 在 KH 處于被要求的控制范圍邊緣時, 及時對配比進行調(diào)整, 以保證 KH 的合格率。當?shù)谝徊糠值囊?guī)則未被匹配執(zhí)行時, 開始搜索第二部分的規(guī)則:

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) ;

??

在經(jīng)過上面的兩組規(guī)則對石灰石、鐵粉、 校正原料的配比進行調(diào)整之后, 根據(jù)調(diào)整結(jié)果修改粘土的配比,并保證總的配比之和為 1 。

通過以上的規(guī)則控制, 基本上可以將三個率值控制在要求范圍之內(nèi)。另外, 可以通過對率值值域和配比調(diào)整幅度的修正,改進控制的性能。

3 控制方法的仿真

生料配比控制的仿真, 首先應(yīng)該模擬出原料的成分含量變化, 對于因原料成分含量的波動而引起的率值變化, 通過專家系統(tǒng)的控制規(guī)則對原料的配比進行調(diào)整, 來使率值穩(wěn)定的處于要求的范圍之內(nèi)。本文中, 將專家系統(tǒng)工具 CLIPS 嵌入到 VisualC++6.0 當中, 在 VC++ 環(huán)境下對配比的控制系統(tǒng)進行仿真, 并利用 MATLAB 的圖形窗口顯示仿真結(jié)果。

3.1 原料成分的仿真

實際生產(chǎn)中, 原料的成分隨時間隨機而又緩慢的變化, 無法預(yù)測在某一時間點后原料中的任何一種成分含量變化的方向和大小。

變化過程中, 每個原料的成分含量變化都前后相關(guān), 在較短的時間間隔內(nèi), 含量不可能有非常大的波動。在實際情況中, 對于原料的某一種成分, 其含量都會有 A 和 B 兩個極大極小值。而每一個時間間隔內(nèi), 成份含量的變化有一定的幅度,即以前一個時刻的含量值 O1為基點的較小的區(qū)間 [a1, b1] 之內(nèi), 而含量的變大變小及變化量都是隨機的。

利用 Visual C++ 中的隨機函數(shù), 通過編程實現(xiàn)配料系統(tǒng)各個原料中的 CaO 、 SiO 2 、 Fe 2 O 3 、 Al 2 O 3 和燒失量 L 的隨機變化情況。 在分別要求各成分變化范圍和隨機變化量的同時, 保證它們的含量總和在0.95～ 1 之間, 其余的部分為原料中的其他成分。

圖 2 所示為石灰石中各個成分變化的仿真結(jié)果。粘土、 鐵粉、 校正原料的成分仿真和它相似。

從圖 2 中可以看到, 在石灰石原料中, CaO 、 SiO 2 、 Fe 2 O 3 、Al 2 O 3 和燒失量 L 含量都是在一定區(qū)間范圍內(nèi)隨機變化的, 它們的含量總和也接近于 1 ( 不足部分為其它成分) 。這與實際中的原料成分變化情況是基本相符的, 所以可以用它作為生料配料控制中的仿真模型。

3.2 專家系統(tǒng)配料控制的仿真

在原料成分仿真的基礎(chǔ)上, 對整個生料配料控制系統(tǒng)進行仿真實現(xiàn)。在 Visual C++ 環(huán)境下, 利用專家系統(tǒng)對因原料成分波動引起的出磨生料率值的變化進行控制。

仿真程序中, 首先初始化各個參數(shù), 即讀取表 1 中的各原料的化學成分含量, 設(shè)置采樣控制時間并計算初始的配比; 在初始化 CLIPS 環(huán)境并讀取推理程序后, 開始進入仿真控制。在采樣時間間隔內(nèi), 調(diào)用原料成分隨機變化子程序仿真原料的成分變化情況, 并根據(jù)各個原料中的成分含量及配比, 計算出出磨生料中的 CaO 、 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 的含量值, 利用式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 )計算三個率值; 在到達采樣時刻時, 讀取出磨生料的率值, 調(diào)用專家系統(tǒng)判斷率值的情況, 并根據(jù)上一節(jié)中所設(shè)計的控制規(guī)則推理, 對配比進行調(diào)整; 直到仿真結(jié)束, 重復(fù)以上步驟, 實現(xiàn)生料配料系統(tǒng)的仿真。

在仿真過程中, 不經(jīng)過專家系統(tǒng)對配比進行調(diào)整,KH 、 n 和P 三個率值的變化圖如圖 3 所示; 在專家系統(tǒng)控制下, 記錄每一次計算得到的 KH 、 n 和 P 的值, 利用 MATLAB 的繪圖程序獲得被控的三個率值的仿真結(jié)果, 如圖 4 所示。

從仿真結(jié)果中可以明顯看到, 在不經(jīng)控制的情況下, 三個率值是沒有規(guī)律隨機變化的, 這樣出產(chǎn)的生料產(chǎn)品是不合格的; 而在專家系統(tǒng)的控制下, 原料配比在不斷地自動調(diào)整, KH 、 n 和 P三個率值能夠穩(wěn)定地被控制在要求的范圍之內(nèi) ( KH± 0.02 , n±0.1 , P± 0.1 ) 。

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明, 采用專家系統(tǒng)不僅適合于應(yīng)用在生料配料控制當中, 而且可以完全替代過去人工對配比手動調(diào)整方法并能夠獲得更好的控制效果。與此同時, 由于專家系統(tǒng)是基于知識的系統(tǒng), 所以應(yīng)用相關(guān)的專業(yè)知識和經(jīng)驗可以很好的解決實際中難以建立準確數(shù)學模型的、不確定性的和非結(jié)構(gòu)化的問題。 此外, 針對配料系統(tǒng)中各種不同的原料和工藝要求, 需要通過大量的工作獲取和總結(jié)實際生產(chǎn)當中的控制規(guī)律和經(jīng)驗, 進一步完善專家系統(tǒng)的知識庫,設(shè)計出更為合理和高效的控制規(guī)則, 從而提高控制的適應(yīng)性和品質(zhì)。

 

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