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摘要针对同一台立磨既可以磨矿渣，又可以磨水泥这种“一磨两用”的特殊应用场景，应用以多变量模型预测控制为核心、集成嵌入式编程语言Python模块并支持在线模型集切换的AVEVA APC先进控制平台开发应用了“矿渣-水泥立磨智能专家控制系统”。智能控制系统投用后，可以满足矿渣、水泥两种生产模式的优化控制，在提高生产过程稳定性和连续性的同时，还通过优化作用提高了立磨台时产量，降低了单位电耗。
立磨因为其效率高、噪音低、电耗低、单位投资小、占地少的优点，近年来广泛应用于水泥生产各个粉磨环节。但由于其粉磨过程具有多变量、强耦合和非线性的特性，若传统人工操作调整不及时，容易造成料层厚度、磨机负荷、磨进出口温度不稳定，导致立磨出现振动过大或者饱磨吐料等异常工况，最终影响粉磨工序的产量、电耗和产品质量。
近年来，众多学者对立磨粉磨过程的自动控制与优化系统做了大量的研究与应用工作，极大提高了立磨生产过程的自动化水平和平稳率。但对于同一台立磨既磨矿渣，又磨水泥这种“一磨两用”的特殊应用场景，目前尚未见到有智能控制方面的报道。国内某水泥厂的一台立磨就存在这样的控制难题，该立磨多数时间用于粉磨矿渣生产矿渣粉，作为成品水泥的混合材。但在销售旺季，已有的辊压机+球磨联合水泥粉磨系统的生产能力不足以满足市场需求，此时水泥厂会外购一部分矿渣粉，同时利用这台立磨生产水泥。
矿渣是钢厂的副产物，富含硅酸钙和硅铝酸钙等成分，长期以来被作为水泥混合材使用。但矿渣含水量高，易磨性差，尤其对系统磨内温度的控制要求很高。温度太高，物料不易在磨盘上形成稳定料层；温度太低，物料不能被充分干燥，容易造成堵磨；温度变化太快，也容易引起料层不稳定从而导致磨机剧烈振动。相比矿渣，水泥的配料含水量较低，因此对温度变化相对没那么敏感，且水泥配料综合易磨性略好，磨机运行相对平稳，磨机压差也可以控制的更高。以往操作员需要根据自己的经验频繁调整喂料、用风等运行参数，因此对操作员的水平要求很高，且劳动强度较大。
针对这种“一磨两用”特殊应用场景，笔者应用以多变量模型预测控制为核心、集成了嵌入式编程语言Python模块并支持模型集在线切换的AVEVA APC先进控制平台开发实施了“矿渣-水泥立磨智能专家控制系统”。该智能控制系统投用后，实现了矿渣、水泥两种生产模式的智能控制，不仅降低了操作员劳动强度，提高了生产过程稳定性，还在稳定控制的基础上通过优化策略提高了台时产量，降低了单位电耗。同时利用在线激光粒度仪稳定了出磨产品质量。
1 工艺流程简述和控制难点分析
1.1 矿渣粉磨工艺简介
立磨生产矿渣粉时的工艺流程见图1。原料仓中的矿渣定量进入立磨进行研磨，研磨后的细粉经选粉机筛选合格后由尾排风机带入收尘器，收集后经空气斜槽和入库斗式提升机进入成品矿渣粉库。磨内不能被热风带起的物料经排渣口排出，经循环斗式提升机返回立磨上部的中间仓，中间仓不定时由人工放料，随新料一起再入磨粉磨。烘干矿渣粉所需的热风来自一段篦冷机，由热风阀控制流量。此外还有循环风阀和冷风阀，用来协同调节系统温度和风量。
1.2 水泥粉磨工艺流程简介
立磨生产水泥时工艺流程见图2。与粉磨矿渣时不同，由配料站来的熟料、石灰石、混合材、石膏等和由矿渣原料仓来的矿渣一起，直接经传送皮带进入循环斗式提升机，先送入立磨上方的中间仓，然后在下方的皮带秤B控制下，以给定的喂料量入磨粉磨，其余流程则与矿渣粉磨相同，最后成品水泥进入水泥库。需要注意的是粉磨水泥时不需要热风，因此热风阀全关，只需要循环风和冷风。
图1 立磨粉磨矿渣时流程
图2 立磨粉磨水泥时流程
1.3 控制难点分析
（1）控制入磨喂料量的位置不同，矿渣粉磨是由矿渣秤A直接给定，而水泥粉磨是由中间仓下方的皮带秤B给定。而且粉磨水泥时，作为混合材，矿渣喂料秤A还需要与水泥配料总量保持固定配比。
（2）粉磨水泥时，需要通过调整水泥配料总量控制中间仓重的稳定，使进入中间仓的物料与进入立磨的物料达到平衡状态，从而保持喂料的稳定性；而粉磨矿渣时，中间仓作为排渣仓使用，不需要实时控制仓重。
（3）粉磨矿渣时磨机入口有烘干热风、循环风和冷风三种，此时循环风作为低温风具有降温的作用；而粉磨水泥时只需要循环风和冷风，且此时循环风只对系统风量有影响，对系统温度则几乎没有影响。
采用AVEVA APC先进控制平台开发的“矿渣-水泥立磨智能专家控制系统”可以很好地解决这些问题。
2 AVEVA APC先进控制平台核心技术
2.1 多变量模型预测控制算法
不同于基于单变量反馈控制的PID算法，AVEVA APC系统基于多变量模型预测控制，如图3所示，利用模型实时计算各种扰动因素对生产的影响，从而提前调节控制策略，稳定装置生产。动态模型将各变量之间的关系具体量化，而变量间所有的模型关系就构成了控制器的模型集（ModelSet）。
图3 多变量模型预测控制原理示意
2.2 在线模型切换功能
在AVEVA APC中，一个控制模型集（Control ModelSet）可以同时拥有多个针对不同工况的备用模型集，如图4所示。当工况发生改变时，如装置负荷大幅度变化、生产不同产品时，可以通过模型集在线切换，保证模型的适用性，从而提高控制效果。
图4 AVEVA APC不同工况下的控制模型集切换示意
2.3 嵌入式编程语言Python模块
通过嵌入式编程语言Python模块与APC软件功能的有机结合，可以使用户按自定义的条件，实现不同模型及其控制参数的在线切换，从而解决矿渣、水泥两种生产模式切换的控制问题。
3 智能专家系统控制方案的设计与实现
3.1 用户界面
智能专家系统部署在独立的服务器，通过OPC通讯协议与DCS通讯。其DCS操作画面如图5所示。DCS操作界面分为4个部分，分别用于操纵变量（MV）、被控变量（CV）、前馈变量（FV）、控制器的投切和上下限修改操作。由图5可见，不论是磨矿渣，还是磨水泥，操作员都可以在同一张画面上操作，只需按下图5红圈里的按钮选择对应的工况即可。
图5 矿渣-水泥立磨智能专家控制系统的DCS操作画面
3.2 生产矿渣粉时的主要控制策略
当磨机投料运行正常后，操作员点击选择“磨矿粉”按钮并投用智能控制系统。系统会自动切换至矿渣粉磨对应的模型子集，模型子集内的对应关系如图6所示。其中绿色“-”表示负向影响关系，绿色“+”表示正向影响关系。黄色FV表示前馈变量的影响，仅起预测作用，不参与控制。
图6 粉磨矿渣时对应的变量列表及控制矩阵
磨机负荷控制：通过调整矿渣喂料秤A控制磨机压差和磨主机电流，使之稳定在工艺要求的范围内，从而稳定料层厚度，保持高产的同时防止立磨振动。
磨机系统温度控制：通过调整热风阀、循环风阀、冷风阀控制矿渣磨出口温度、入口温度和入磨压力，使之稳定在要求的范围内，从而保证立磨内料层稳定和干燥效果。在保证出磨温度和入磨压力的前提下尽量开大冷风阀来补风，同时以矿渣秤A喂料量为出磨温度的前馈变量，发生变化时提前调整以稳定出口温度。
矿渣粉质量和系统风量的控制：通过在线激光粒度仪实时监控矿渣粉比表面积和45 μm筛筛余，调节选粉机转速和尾排风机频率，同时兼顾选粉机电流和收尘器压差。在控制比表面积合格的前提下控制选粉机转速，提高产量。
3.3 生产水泥时的主要控制策略
当磨机投料运行正常后，操作员点击选择“磨水泥”按钮并投用智能控制系统，系统会自动切换至水泥粉磨对应的模型子集，模型子集内的对应关系如图7所示。
图7 粉磨水泥时对应的变量列表及控制矩阵
磨机负荷控制：粉磨水泥时通过调整中间仓下方的下料秤B控制磨压差和磨机电流，使之稳定在工艺要求的范围内，保持高产的同时防止立磨振动。
中间仓仓重控制：调整水泥配料总量控制中间仓仓重，同时以皮带秤B喂料量作为前馈变量，矿渣喂料皮带秤A则以固定配比随水泥配料总量调整。
磨机系统温度控制：通过调节冷风阀控制磨出口温度和入口温度，调节循环风阀控制入口压力。
水泥质量和系统风量控制：与粉磨矿渣时控制方案一致。
3.4 参数控制范围快速切换
粉磨矿渣和粉磨水泥时，不仅控制关系、控制策略不同，关键参数（如磨机压差、入口温度、出口温度）的控制范围也不同。因此，为了进一步降低操作员劳动强度和使用难度，特意设计了参数快速切换功能，如图8所示。将常用的控制范围预设到关键参数上，点击“使用”按钮后即可将列表中的上下限赋给对应的被控变量或操纵变量，且赋值过程只一次有效，之后操作员仍可以在智能专家系统画面上按需调整。
图8 矿渣/水泥控制参数快速切换功能界面
4 应用效果
矿渣-水泥立磨智能专家控制系统投用后，实现了适应两种生产模式的智能控制，将操作员从繁重的手动操作中解放了出来。智能专家系统会根据磨机压差、磨机电流、进出口温度等关键信息及时调整喂料量、水泥配料总量、冷热风阀等，从而维持料层厚度和磨机负荷的稳定，大幅提高了生产过程稳定性，减少了磨机振动过大、饱磨吐料等异常情况。
图9是粉磨矿渣时手动和自动控制效果对比。与手动操作对比，自动控制时磨机压差、磨机电流和进出口温度波动明显降低，生产过程稳定性明显提高。图10是智能专家系统在粉磨水泥时手动和自动控制效果对比，可以看到自动控制时中间仓仓重、磨机压差、磨主机电流、出磨温度等关键参数的波动幅度明显小于手动操作。综合粉磨矿渣和水泥两种生产模式，智能专家系统可以将关键变量的标准偏差降低30%~70%。
图9 粉磨矿渣时立磨关键参数控制效果对比
图10 粉磨水泥时立磨关键参数控制效果对比
同时智能专家系统利用在线激光粒度仪的实时数据及时调整选粉机转速，稳定了出磨产品质量。图11是粉磨水泥手动与自动控制时在线比表面积和在线45 μm细度的对比，在线比表面积的标准偏差降低了46.4%。
图11 粉磨水泥时在线比表面积和粒度控制效果对比
在稳定控制的基础上，智能专家系统通过在线优化最大化磨机喂料量，在不影响产品比表面积合格率的情况下适当降低选粉机转速，增大粉磨效率的同时避免过粉磨现象，从而提高台时产量，降低单位电耗。经过分别对矿渣和水泥两种生产模式的48 h手动操作和智能操作的对比测试，智能专家控制系统的应用可以使粉磨矿渣的单位电耗降低2.06%，使粉磨水泥的单位电耗降低1.73%，优化效果明显。
5 结束语
针对同一台立磨既磨矿渣又磨水泥的特殊应用场景，利用具有多变量模型预测控制、嵌入式Python模块和模型在线切换等功能的AVEVA APC先进控制平台，实现了对两种生产模式的智能控制，进而降低了参数波动，提高了生产效益和产品质量稳定性。该矿渣-水泥立磨智能专家控制系统的成功应用表明，AVEVA APC针对水泥生产这种多变量耦合且工况复杂多变的过程，具有很高的适用性。
作者单位：剑维软件技术（上海）有限公司
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