水泥生料配料係統具有多變量、多回路、 大滯後、 非線性和分布複雜的特征, 在缺乏係統有關先驗知識的情況下, 采用傳統的配料調優方法和手段是很難見效的。本文根據生料配料係統的特點和工作原理, 提出將基於知識的專家係統應用於生料配料控製當中。 將基於人的知識和經驗的專家係統應用於配料控製當中, 可以增加整個係統的自動化程度, 減小因人為因素造成的誤差和操作失誤。通過專家係統的規則控製, 自動調整原料的配比, 使出磨生料的率值控製在要求的範圍之內。 在嵌入專家係統工具 CLIPS 的VC++ 和 MATLAB 環境下, 對配料控製係統進行了仿真。

1 水泥廠生料配料係統簡介

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。 根據水泥產品的要求, 包括原料的化學成分、 濕度, 不同品種水泥產品的差異, 以及生產工藝及設備的不同確定出各種原料之間的比例關係, 以製備出成分適當、 均勻的生料產品。生料生產中的配料過程對水泥的煆燒、 熟料的質量、原料及燃料的消耗都有著重要的影響。 配料係統的生產過程如圖 1 所示。圖 1 中的配料係統可以分為多路不同的給料單元, 分別負責不同種原料的配製。物料下到皮帶上後, 由傳送皮帶將其送入研磨機構內, 並最終完成研磨過程。

2 應用專家係統的控製方法

2.1 生料率值的計算

衡量生料質量的標準是水泥的三個率值, 即石灰石飽和係數 KH 、 矽酸率 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 應用專家係統的生料配料控製

通過調整配比對出磨生料的率值進行控製, 依靠計算的方法是無法實現的。 在實際的生產過程中, 操作員往往通過自己的經驗來判斷率值的狀況, 手動調整配比。 我們可以總結和利用這些經驗, 應用基於知識的專家係統對出磨生料的狀態進行判斷,並通過推理獲得新的配比調整方案。

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, 為專家係統中經驗知識的總結和規則的設計提供參考。

從表中可以看出以下幾個特點和規律:

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製出磨生料的 CaO 含量, 而且並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; 但鐵粉中 SiO 2 和 Al 2 O 3 的含量也較多, 控製時需要對此補償。

3 ) 砂岩( 校正原料) 中 SiO 2成分占絕大多數, 其他化學成分較少。可以通過改變砂岩的比率來控製出磨生料中 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係, 以及初步的控製規律。

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, 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生影響, 控製配比時需要將這種影響降低,一是調節 Fe 2O 3 和 Al 2O 3含量較少的原料組分; 二是對不需要控製的率值通過其他成分含量的增減來進行補償。

2 ) 石灰石飽和係數 KH 與 4 種化學成分含量均有關, 從上麵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製出磨生料的 CaO 含量, 不會對其他成分造成太大的影響。因此可以僅通過調整石灰石比率來對 KH 實施控製。

3 ) 矽酸率 n 與 SiO 2 、 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 有關, 從式( 1 ) 中分析可知, 對 Fe 2 O 3 和 Al 2 O 3 調節影響較大, 所以對 n 的控製需要通過調整 SiO 2 的含量來實現。顯然, 通過改變砂岩的比率來對SiO 2的含量進行調整最為合適。但應適當改變石灰石比率對 KH 值進行補償。

4 ) 對於鋁氧率 P , 由於 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 進行調整。改變鐵粉比率, 調整 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, 可以通過適當的補償來降低影響, 所以通過改變鐵粉比率來調整鋁氧率 P 是可行的。

2.2.3專家係統中配比調整規則的設計

對於出磨生料率值的控製, 其目標是將三個率值分別控製在一定範圍內, 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, 在每個率值的控製值域範圍內,定義以下變量: N 、 P 、 N1 、 P1 、 NB 、 PB 、 0 。分別代表小於目標值、 大於目標值、 略小於目標值、 略大於目標值、 很小於目標值、 很大於目標值、 等於目標值。分別記石灰石、 粘土、 鐵粉、 校正原料的配比為sh 、 nt 、 tf 、 jz , 其調整幅度量為:

Little , Middle, Much( 簡單記作 L , m ,M)

根據上麵對率值公式的分析和討論, 部分產生式規則設計如下:

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) ;

⋯⋯⋯

以上為第一部分規則, 在 KH 處於被要求的控製範圍邊緣時, 及時對配比進行調整, 以保證 KH 的合格率。當第一部分的規則未被匹配執行時, 開始搜索第二部分的規則:

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) ;

⋯⋯

在經過上麵的兩組規則對石灰石、鐵粉、 校正原料的配比進行調整之後, 根據調整結果修改粘土的配比,並保證總的配比之和為 1 。

通過以上的規則控製, 基本上可以將三個率值控製在要求範圍之內。另外, 可以通過對率值值域和配比調整幅度的修正,改進控製的性能。

3 控製方法的仿真

生料配比控製的仿真, 首先應該模擬出原料的成分含量變化, 對於因原料成分含量的波動而引起的率值變化, 通過專家係統的控製規則對原料的配比進行調整, 來使率值穩定的處於要求的範圍之內。本文中, 將專家係統工具 CLIPS 嵌入到 VisualC++6.0 當中, 在 VC++ 環境下對配比的控製係統進行仿真, 並利用 MATLAB 的圖形窗口顯示仿真結果。

3.1 原料成分的仿真

實際生產中, 原料的成分隨時間隨機而又緩慢的變化, 無法預測在某一時間點後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後相關, 在較短的時間間隔內, 含量不可能有非常大的波動。在實際情況中, 對於原料的某一種成分, 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, 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為基點的較小的區間 [a1, b1] 之內, 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, 通過編程實現配料係統各個原料中的 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範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, 其餘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 含量都是在一定區間範圍內隨機變化的, 它們的含量總和也接近於 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製中的仿真模型。

3.2 專家係統配料控製的仿真

在原料成分仿真的基礎上, 對整個生料配料控製係統進行仿真實現。在 Visual C++ 環境下, 利用專家係統對因原料成分波動引起的出磨生料率值的變化進行控製。

仿真程序中, 首先初始化各個參數, 即讀取表 1 中的各原料的化學成分含量, 設置采樣控製時間並計算初始的配比; 在初始化 CLIPS 環境並讀取推理程序後, 開始進入仿真控製。在采樣時間間隔內, 調用原料成分隨機變化子程序仿真原料的成分變化情況, 並根據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, 調用專家係統判斷率值的情況, 並根據上一節中所設計的控製規則推理, 對配比進行調整; 直到仿真結束, 重複以上步驟, 實現生料配料係統的仿真。

在仿真過程中, 不經過專家係統對配比進行調整,KH 、 n 和P 三個率值的變化圖如圖 3 所示; 在專家係統控製下, 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果, 如圖 4 所示。

從仿真結果中可以明顯看到, 在不經控製的情況下, 三個率值是沒有規律隨機變化的, 這樣出產的生料產品是不合格的; 而在專家係統的控製下, 原料配比在不斷地自動調整, KH 、 n 和 P三個率值能夠穩定地被控製在要求的範圍之內 ( KH± 0.02 , n±0.1 , P± 0.1 ) 。

4 結束語

仿真結果表明, 采用專家係統不僅適合於應用在生料配料控製當中, 而且可以完全替代過去人工對配比手動調整方法並能夠獲得更好的控製效果。與此同時, 由於專家係統是基於知識的係統, 所以應用相關的專業知識和經驗可以很好的解決實際中難以建立準確數學模型的、不確定性的和非結構化的問題。 此外, 針對配料係統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實際生產當中的控製規律和經驗, 進一步完善專家係統的知識庫,設計出更為合理和高效的控製規則, 從而提高控製的適應性和品質。

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