贾华平：多变量智能控制回路在水泥厂的应用

  2015年9月12日，天瑞集团水泥有限公司总工程师贾华平在参加第三届中国水泥节能环保交流大会时作了题为《多变量只能控制回路在水泥厂的应用》的主题报告。他表示，中国水泥行业的年产量在世界一路领先，工艺技术与装备质量方面也在不断缩小与国外的差距，但我们的劳动生产率还有较大的差距。在两化融合方面，我国水泥工业落后国外太多。

  贾华平从智能化与自动化的区别、自动化能力的局限性、自控调节回路的智能化、局部智能化在水泥厂的应用四个方面分析了中国水泥工业智能化之路。

  中国水泥行业，年产量从1996年的4.9亿吨拿下世界第一后便一路领先，2014年突破了24亿吨，规模不可谓不大；工艺技术方面，已经对国内引进的生产线进行了大量改造，并且在国际上也得到认可；装备质量方面，已经在国外建设投产了多条生产线，包括世界单线规模最大的12000t/d生产线，与国外的差距也在缩小，但我们的劳动生产率还有较大的差距。

  据介绍，对于一个4000t/d熟料能力的水泥厂（相当于国内的5000t/d线），目前中国定员的先进水平是300人，泰国的最高水平已达到30人，而世界上的最好水平是每班只有3个人，其中中控室1人、现场巡检2人。如此高的生产效率，除了可靠的装备以外，必须依赖于高度的自动化和智能化。

  根据2009年的有关统计资料，熟料生产的热耗，国际上最先进的技术指标已经突破了650kcal/kg（2717kj/kg）；水泥生产的电耗，国际上最先进的指标已降到80kWh/t以下。

  如果考虑中低温废气余热发电，每生产1吨熟料还能回收35～45kWh的电能，使吨水泥生产的净电耗降为40～60kWh/t。已经开始颠覆水泥生产属于工业耗电大户的传统观念。

  据工信部“两化融合管理体系”2015年贯标培训资料，美国工业技术的发展，在上世纪五十年代中，工业企业白领人员的数量已经超过了蓝领，由此促进了企业管理信息系统的发展；到八十年代末九十年代初，其管理信息系统已经基本成熟，然后又融合了已经发展起来的新技术，如电子邮件、互联网等，由此拉大了与我们的距离。

  相比之下，我国水泥工业落后太多。

  为了深入贯彻党的十八大关于两化深度融合的战略部署，落实好国家《信息化和工业化深度融合专项行动计划》，工业和信息化部于2015年01月30日发布了《原材料工业两化深度融合推进计划（2015-2018年）》（以下简称《推进计划》）。

  为了缩小我国水泥行业在智能化方面与国外的差距，《推进计划》同时对水泥行业提出了明确要求：在水泥行业选取2～3家先进企业，建设基于自适应控制、模糊控制、专家控制等先进技术的智能水泥生产线；到2018年，水泥行业应用优化控制系统的生产线要达到50%，建成一批生产装备智能、生产过程智能、生产经营智能的智能化工厂。

  一、智能化与自动化的区别

  当今工业生产的发展方向，美国提出了工业互联、德国提出了工业4.0、中国提出了两化深度融合（指：信息化与工业化在更大的范围、更细的行业、更广的领域、更高的层次、更深的应用、更多的智能方面实现彼此交融）。

  无论提法有何不同，其本质是一样的，自动化的范围向上发展到智能化，向下扩展到生产的整个工艺过程。

  自动化（Automation）：指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按规定的程序或指令，自行的检测状态、处理信息、分析判断、操纵控制，实现预期的目标。包括设备、系统、过程，均处于自动化状态。

  智能化（Intelligent）：指利用现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术、结合行业技术，汇集而成的针对某一个方面的应用，具有一定的人工智能或拟人智能的特性或功能。例如具有一定的自适应、自学习、自校正、自诊断、自修复、自组织、自协调等功能。

  所谓的“人类智慧”，是从感知（信息的检测与传递）到记忆（信息的储存）再到思维（对信息的逻辑化处理、对已有逻辑的因果类比），这一过程被称为“智慧”；智慧的结果（因果类比的导向作用）产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为“能力”；将智慧和能力合在一起，就是“智能”。

  智能一般具有的特点：

  一是具有感知能力。即具有能够感知外部世界、获取外部信息的能力，这是产生智能活动的前提条件和必要条件；

  二是具有记忆和思维能力。即能够存储感知到的外部信息、再通过思维将信息转化为知识、累积为经验，同时能够利用已有的知识和经验对信息进行分析、计算、比较、判断、联想、决策；

  三是具有学习和自适应能力。即通过与环境的交互作用，不断学习积累知识、不断的类比获得经验，使自己能够适应环境的变化；

  四是具有行为决策能力。即能对外界的信息作出反应，能在逻辑的驱动下形成意愿，然后通过语言和行为把意愿表达出来。

  就智能化的系统和装置来说，它应该具有如下特征：

  一是能自动完成某些任务，或在程序指导下完成预定工作；

  二是具有进行某种复杂计算和修正误差的数据处理能力；

  三是具有自检测、自校正、自诊断、自修复、自适应、自学习、自优化、自组织、自协调等某项“自”字功能；

  四是便于通过标准总线，组成多种装置的复杂系统，实现复杂的控制功能，并且能灵活地改变功能和扩张功能。

  我们对具有上述智能特征的系统，冠以智能系统；而对具有部分智能特征的系统，冠以智能化系统。简单的说，智能化是自动化的高级发展，自动化是智能化的基础部分；智能化是在自动化基础上，通过引入“数字化、信息化、网络化”，实现了一些智慧和能力的高级发展。

  自动化相对要简单的多，一般的自动化系统或装置能够根据既定指令进行操作调整，实现无人控制。自动化一般会出现对于不同情况作出相同反应的结果，就像所有的生物具有一定的遗传本能一样，多用于重复性的工作或工程中，其过程类比于数学的一元一次方程。

  智能化是自动化的高级发展，是在自动化基础上又加入了类似于人类一样的智慧程序。智能化具有一定的学习能力，能根据外界的信息丰富自己，自主产生新的指令。智能化一般能根据多种不同情况作出不同的反应，就像高等动物除了本能以外 还具有一定的自适应能力，其过程类比于数学的多元多次方程。

  智能化的工作过程包括：信息的检测、采集、传输、处理与储存；指令的形成、调整与发出；指令的执行与结果的反馈。这些过程都离不开工业化、自动化、数字化、信息化、网络化这些基础，所以说智能化是一个系统工程，每一个环节都非常重要。

  工业和信息化部的《推进计划》，针对水泥工业生产流程化、产品大宗化、资源能源消耗高等特点，基本给出了一个智能水泥厂的概念。智能化的水泥厂不仅包括如下内容：

  （1）基于自适应控制、模糊控制、专家控制等先进技术，利用智能仪器仪表、工业机器人、计算机仿真、移动应用等信息系统与专用装备，进一步突出实时控制、运行优化和综合集成，基本实现矿山开采、配料管控、窑炉烧成、水泥粉磨全系统全过程的智能优化；

  （2）应用机器人等技术，在矿山爆破排险、窑炉运行维护、投料装车作业、高温高尘抢修等，危害、危险、重复作业的环节，基本实现无人值守或机器人替代人工作业；

  （3）建设信息物理融合系统（CPS），实现企业生产运营的自动化、数字化、模型化、可视化、集成化，提高企业劳动生产率、安全运行能力、应急响应能力、风险防范能力和科学决策能力；

  （4）在生产管控和经营决策中，通过大数据平台建设，应用商业智能系统（BI）和产品生命周期管理（PLM），建立对采购、生产、仓储、销售、运输、质量、资源、能源和财务等全方位的智能管控平台，实现产品、市场和效益的动态监控、预测预警，提升各环节的资源优化配置能力和智能决策水平；

  （5）建立与供应商和用户的上下游协作管理系统，按照供应商提前介入（EVI）、准时生产技术（JIT）等模式，统一企业资源计划（ERP）等企业业务系统间信息交换接口、标准和规范，通过信息共享和实时交互，实现物料协同、储运协同、订货业务协同以及财务结算协同。

  根据这个《推进计划》的具体要求，智能水泥厂涵盖生产装备、生产过程、生产经营的全面智能化；但同时强调“到2018年，水泥行业应用优化控制系统的生产线要达到50%”。可见生产线的控制系统智能化是水泥智能工厂的基础，没有生产系统的智能化，所谓的“智能工厂”只能是一个“残疾儿”。

  二、自动化能力的局限性

  看似简单的水泥工艺，其过程中包含有大量的物理反应、化学反应以及物理化学反应，囊括了地质学、矿物学、岩相学、流体学、燃烧学、热传导、结晶学等专业学科，要使整个过程处于受控状态，按照我们设计的P-T-t轨迹（矿物学术语）运行，不但需要维持物料的量和质的均衡稳定，而且必须维持好各系统各工序各个特征参数的稳定。

  对于大工业生产，各种原燃材料以及各工序的工况，其波动是难以避免的，各项生产控制参数的稳定、以及过程产品和成品性能指标的稳定，都需要通过及时地操作调整才能得以实现。对于如此艰巨的任务，自动化已经显得力不从心。

  1、仍在手动调节的自动化控制系统

  水泥生产中的控制操作，可以是人工手动的，也可以是仪表自控的，但最好是智能程控的。因为变化无时不在，调节无时不需，而人的精力和经验是有限的。所以，从预分解窑生产工艺诞生的第一天起，人们就在谋求生产系统的自动化，在整个水泥的生产控制中，从原料开采直到水泥出厂，引入了几十个仪表自控调节回路。

  这些自控调节回路主要采用PID（比例--积分--微分）调节器完成。将仪器仪表对特征参数的测量值与设定值进行比较，当出现偏差时，调节器利用比例、积分、微分作用生成调节值，对执行机构进行修正动作，以不断的消除偏差，使测量值与设定值保持在较高的一致上。

  输出的变化量与偏差成比例，称之为比例作用；当有偏差输入时，输出随时间不断地上升或下降之动作，称之为积分作用；输出与偏差的变化速度成比例之动作，称之为微分作用。在实际应用中，PID三种作用相互协调，使调节过程处于最佳工作状态。

  遗憾的是，大家在这方面费了不少劲，花了不少钱，但直到今天，仍然很不理想。虽然花钱装备了自控调节回路，但多数仍然以手动调节为主。

  2、单变量仪表自控调节模型的局限性

  我国水泥工业在近十来年的产业升级过程中，几乎全部水泥企业都采用了新型干法生产工艺，实现了中央控制室的DCS集散系统操控、生产线全程流水生产作业，相比于其他很多行业的工业，自动化水平应在工业领域居于前列。

  但是应该看到，虽然我们花钱装备了几十个自动调节回路，努力提高我们的自动化水平，但实际生产中我们仍多以手动人工调节为主。我们可以看看，在国内的上千条生产线上、每条线的几十个控制回路中，又有几个是好用的呢？

  为了找出目前的自动化控制系统仍不能有效运行的问题所在，我们不妨就以大家认为非常重要的“预热器C5旋风筒出口温度自控调节回路”展开一下讨论。

  现有的自控调节回路认为，出C5旋风筒的气体是窑尾废气和分解炉废气混合后的热气流。其温度的高低，一则反应着C5旋风筒入窑物料的分解率，二则也反应着出分解炉内的燃烧状况，是一个非常重要的特征参数。

  随着窑尾气体的变化及物料量的波动，出C5旋风筒气体的温度势必会波动。通过调整分解炉的喂煤量，调整分解炉的废气温度，便可保持其相对稳定，继而减少入窑物料分解率的波动，为窑的热工制度的稳定创造良好条件。

  其建立的调整数学模型为：

  “分解炉的喂煤量”＝＞“C5旋风筒出口气体温度”。（注：A=>B为逻辑学符号，表示命题A与B的蕴涵关系，后同）

  实践证明，这个回路在烧成系统正常时有一定的作用，但在烧成系统出现较大波动时，几乎是没有作用，甚至起副作用。问题出在哪儿了呢？仔细分析便会发现，这个调节模型建立得过于简单。

  影响“C5旋风筒出口气体温度”的因素，并不只是一个“分解炉的喂煤量”，还有诸如系统的喂料量、物料的易烧性、系统的通风量、分解炉的燃烧情况、煤质的变化、窑内的喂煤量、窑内的燃烧情况、窑的转速、篦冷机的冷却情况，甚至系统的漏风、环境温度变化对系统散热的影响等因素有关。如果无法确立“分解炉的喂煤量”与“C5旋风筒出口气体温度”相对应的数学模型，也就不可能有正确的调节。

  三、自控调节回路的智能化

  我们之所以在“智能”后面加了一个“化”字，这个“化”是一个动词，就是变化，表示向“智能”的趋近，并不一定要求全部实现前面表述的所有“智能”特征。事实上，由于“自动化”远远不能满足提高水泥生产效率的需要，我们已不自主的对一些“自动化”考虑了一些“智能”措施，而且取得了一定的效果。

  比如，我们考虑到依赖自动化的预均化堆场和生料均化库在物料均化上的局限性，引入了“先检验后配用”的终极思路，采用每种物料配置一台在线分析仪的措施，并将其集合成一个智能的配料系统，这就是稳定物料质量的智能化。

  或许有人会说这套系统的投资比荧光仪配料大得太多了，但是，它比预均化堆场和生料均化库便宜得太多了，这就是智能化的优势。

  就某一个具体调节回路来讲，我们仍然以“预热器C5旋风筒出口温度自控调节回路”为例展开讨论。

  我们可以建立一个新的调整模型：

  分解炉的喂煤量＝＞∑

  （C5旋风筒出口气体温度，系统生料喂料量，生料KH、SM、细度，窑灰喂入量，C1出口的温度、压力、O2、CO，分解炉出口的温度、压力、O2、CO，煤粉的热值、挥发份、细度、水分，后窑口的温度、压力、O2、CO，三次风温度、闸板开度……）

  总之，只要你能想到的因素，就只管往蕴含变量里加，然后进行相关性统计分析。根据不同的相关系数，给予各蕴含变量不同的调节权重，各蕴含变量对于喂煤调节量的代数和，便是分解炉喂煤量的调节量。

  相关性分析并不复杂，但如此大量而且频繁的统计工作也太麻烦了点儿，这也没关系，把它交给计算机，用计算机程序来做相关性分析是小菜一碟。计算机来做相关性分析是非常简单有效的，不仅可以从初始的统计分析开始，设定初始的调节权重，而且能每时、每天、每月、每年的一直做下去。

  为了适应各种因素的新情况、新变化，设定按照“先入先出的原则”滚动记录最近10天的数据、并进行相关性分析（可根据实际情况的异变速度和频次，确定和调整滚动天数）。根据最新的分析结果，及时地调整调节权重的分配，使其在不断地循环调整中趋于合理化，自动调节回路的效果就会越来越好（已经是智能调节回路了）。

  粗略总结一下， 将目前的“单变量、设定参数、线性调节”的PID自控调节回路，改为“多变量、相关性滚动优化参数、非线性权重组合调节”的计算机程序自控调节回路。在整个生产系统运行基本稳定的情况下，用相关性分析模拟人类的经验过程和经验积累，这已经具备了前面所述智能化的特性，不妨就叫做“多变量智能调节回路”。

  推而广之，在水泥生产过程中，还有很多环节上可以按照这一思路实现智能化。

  比如：生料磨系统产量的智能控制、煤磨系统产量的智能控制、烧成系统喂料量的智能控制、窑头喂煤量的智能控制、窑尾高温风机转速的智能控制、冷却机篦速的智能控制、水泥磨系统的智能控制、水泥包装机的智能控制、循环水水泵的智能控制、压缩空气设备运行的智能控制等。

  四、局部智能化在水泥厂的应用

  对于上述的“多变量智能调节回路”，事实上并不是空想，目前国内已有几家自动化公司在做这个事情。虽然几家公司的方案不尽相同，但都取得了一定的效果。

  例如，河南某公司的5000t/d线尾煤系统，在采用“多变量智能调节回路”控制后，一致认为智能控制与手动控制相比：

  （1）预热器系统，快速建立和维持动态平衡的能力提高，系统工况稳定；

  （2）能依据原燃材料的特性变化，协调系统各个环节的运行工作点，实施整体优化运行；

  （3）大大降低了操作员的劳动强度，操作员得以将更多的时间和精力用于关注系统整体运行品质和排查事故隐患。