當今工業生產的發展方向，美國提出了工業互聯、德國提出了工業4.0、中國提出了兩化深度融合。但無論提法有何不同，其本質是一樣的，自動化的范圍向上發展到智能化，向下擴展到整個工業生產的全方位、全過程。

　　基于《中國制造2025》規劃關于建設制造業強國的發展要求，實現我國水泥生產由大變強的轉變，面向智能化的發展已成為水泥行業不可回避的問題。早在2015年01月30日，工業和信息化部就發布了《原材料工業兩化深度融合推進計劃(2015-2018年）》（以下簡稱“推進計劃”），明確要求水泥行業要建立“智能水泥工廠”。

　　這里，僅局限在水泥生產的粉磨系統，探討一下智能化的發展。有兩個概念需要注意，“智能化工廠”并不完全等同于“智能工廠”，這要看你“化”到什么程度，智能工廠都是逐漸“化”過來的。

　　一，智能水泥廠的概念

　　什么是智能？我們先用現代語言探討一下“智能”概念。所謂的“人類智慧”，是從感知（信息的檢測與傳遞）到記憶（信息的儲存）再到思維（對信息的邏輯化處理、對已有邏輯的因果類比），這一過程被稱為“智慧”；智慧的結果（因果類比的導向作用）產生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”；將智慧和能力合在一起就是“智能”。應該說，人類的智能是最高的，智能化就是讓企業向人類趨近。

　　類比于人類，我們講一個人非?！奥斆鳌保疽馐钦f他的腦子好用，但“聰明”的具體指向是“耳聰目明”，可見及時、準確、甚至量化的信息對“大腦”的作用是多么重要；我們說這個人“心靈手巧”，又是在強調執行機構的重要性，沒有理想的執行機構，再好用的腦子又有什么用呢、而且沒有“巧手”的實踐又如何演化出“心靈”的大腦呢？

　　智能化并不簡單等同于自動化，這是智能化發展中必須突破的思維概念，也是目前國內智能化開發中存在的一個主要問題。智能化是自動化的高級發展，自動化是智能化的基礎部分；智能化是在自動化基礎上，通過引入“數字化、信息化、網絡化”，實現了一些智慧和能力的高級發展。

　　一般的自動化系統或裝置，只能根據預設的因果關系進行操作調整實現無人控制，但一般會出現對于不同情況作出相同反應的結果，就像所有的生物具有一定的遺傳本能一樣，多用于重復性的工作或工程中。

　　而智能化是在自動化基礎上又加入了類似于人類的智慧程序，具有一定的學習能力，能夠跟蹤變化了的情況自我總結新的因果關系，根據不同的變化作出不同的反應，就像高等動物除了本能以外還具有一定的自適應能力。

　　因此，如何建立一個智能水泥廠，應該是一個智能化與自動化的結合，在裝備的運行維護上實現高度自動化、在生產管理和工藝操作上實現高度智能化。我們再來看看“推進計劃”給出的“智能水泥廠”概念：

　?。?）基于自適應控制、模糊控制、專家控制等先進技術，利用智能儀器儀表、工業機器人、計算機仿真、移動應用等信息系統與專用裝備，進一步突出實時控制、運行優化和綜合集成，基本實現礦山開采、配料管控、窯爐燒成、水泥粉磨全系統全過程的智能優化；

　　（2）應用機器人等技術，在礦山爆破排險、窯爐運行維護、投料裝車作業、高溫高塵搶修等，危害、危險、重復作業的環節，基本實現無人值守或機器人替代人工作業；

　?。?）建設信息物理融合系統（CPS），實現企業生產運營的自動化、數字化、模型化、可視化、集成化，提高企業勞動生產率、安全運行能力、應急響應能力、風險防范能力和科學決策能力；

　?。?）在生產管控和經營決策中，通過大數據平臺建設，應用商業智能系統（BI）和產品生命周期管理（PLM），建立對采購、生產、倉儲、銷售、運輸、質量、資源、能源和財務等全方位的智能管控平臺，實現產品、市場和效益的動態監控、預測預警，提升各環節的資源優化配置能力和智能決策水平；

　?。?）建立與供應商和用戶的上下游協作管理系統，按照供應商提前介入（EVI）、準時生產技術（JIT）等模式，統一企業資源計劃（ERP）等企業業務系統間信息交換接口、標準和規范，通過信息共享和實時交互，實現物料協同、儲運協同、訂貨業務協同以及財務結算協同。

　　二，走向智能水泥廠的技術路線

　　對于大工業生產，各種原燃材料以及各工序的工況，其波動是難以避免的，各項生產控制參數的穩定、以及過程產品和成品性能指標的穩定，都需要通過及時地操作調整才能得以實現。這些操作調整，可以是人工手動的，也可以是儀表自控的，但最好是智能程控的。那么，如何對一條水泥生產線實施智控呢？

　　這里將范圍收縮回來，以水泥粉磨系統為例，談談智控的技術路線：

　　應該說，我們在水泥磨的操作控制上已經下了不少功夫，跟隨預分解燒成工藝的發展，水泥粉磨幾乎都采用了磨音自控系統，其建立的調節模型為：“水泥磨喂料量”＝＞“磨音信號”，（注：A=>B為邏輯學符號，表示命題A與B的蘊涵關系，后同）。實踐證明，這個回路在粉磨系統正常時有一定的作用，但在系統出現較大波動、正是需要它發揮作用的時候，它卻“掉鏈子”了，不但幾乎是沒有作用，有時甚至起副作用。

　　仔細分析便會發現，調節模型（單變量）建立的過于簡單。影響“磨音信號”的因素，并不只是一個“喂料量”，還與諸如“原料配比、原料水分、入磨粒度或細度、研磨體狀態、磨內通風、出磨細度”等有關。欲穩定“磨音信號（磨內填充率的特征信號）”，必須建立起符合現場實際的多變量控制模型；而且，水泥粉磨的最終目的并不是穩定磨內填充率，而是獲得理想細度的產品。

　　實際上，水泥粉磨過程的控制目的，在于保證水泥細度、溫度等指標的前提下，實現產量的最大化和電耗的最小化。在配料組分有效控制的情況下，水泥細度是控制系統調控的主要質量指標，調控細度的主要措施都影響到粉磨系統的產量，產量的高低又影響到電耗。

　　水泥細度是粉磨系統最重要的控制指標，既影響到水泥的質量（強度等）又影響到系統產量（電耗等），質量和產量是系統操作中需要平衡的主要矛盾，這個平衡點就是一個合適且穩定的細度。因此，水泥細度的穩定能減少產能和電耗的浪費，有效發揮粉磨系統的能力和降低粉磨電耗，“水泥細度”就成為自控系統的關鍵變量。

　　我們可以建立一個多變量調整模型：水泥細度＝＞∑（水泥磨喂料量、原料配比、原料水分、入磨粒度或細度、研磨體狀態、磨內通風、出磨細度、循環負荷……）?？傊灰隳芟氲降囊蛩鼐椭还芡N含變量里加，然后進行相關性統計分析。根據不同的相關系數給予各變量不同的調節權重，各變量對于水泥細度調節量的代數和，便是水泥細度的調節量。

　　相關性分析并不復雜，用計算機程序來做相關性分析更是小菜一碟。不僅可以從初始的統計分析開始，設定初始的調節權重，而且要每時、每天、每月、每年的一直做下去，以適應各種因素的變化。

　　為了適應各種因素的新情況、新變化，設定按照“先入先出的原則”滾動記錄最近7天（可根據實際情況的異變速度和頻次，確定和調整滾動天數）的數據、并進行相關性分析。根據最新的分析結果及時地調整調節權重的分配，使其在不斷地循環調整中趨于合理化，自動調節回路（已經是智能調節回路）的效果就會越來越好。

　　三，粉磨系統智能化的國際概覽

　　1，生料粉磨智能化

　　與熟料燒成和水泥粉磨相比，對生料粉磨智能控制的研究和應用明顯偏少，主要是其大部分控制參數可通過傳統的PID實現一對一控制，而基于生料細度、水分等復雜控制則由于重視程度不夠、測量過程滯后等原因進展緩慢。

　　對生料粉磨過程中較為簡單的控制系統，如磨的入口壓力與循環風門開度，系統風量與循環風機閥門開度等，均可通過基本的PID調節來實現；而針對自動喂料、自動調節研磨壓力等具有非線性、長時滯特性的過程，可基于新型PID控制、模糊預測等方法，建立相關控制模型實現智能控制。

　　所謂新型PID控制算法的控制，包括磨內壓差、出口溫度、磨內通風和磨機入口負壓等。如基于模糊PID控制通過考察磨內壓差實際值與控制值的誤差和誤差變化率，在基于模糊控制規則的情況下，在線對PID控制參數進行修改，從而使磨內壓差的控制具有響應速度快、到達穩態時間短等優勢。

　　生料粉磨的主要智控目標是以最低的耗電量、最高的臺時產量，獲得需要的生料細度。生料粉磨的主要控制平衡是質量與電耗的平衡，進一步細化就是細度與臺時的平衡，要想比較精準的把握平衡點，獲得對整個粉磨系統的優化操作，就必須有適時的量化數據作支撐，特別是粉磨能力、粉磨電耗、粉磨細度三個主要指標。

　　實際上，就現有生料粉磨系統而言，粉磨能力（臺時產量）已有適時的配料秤給出，粉磨耗電（總耗電量）也有相關的電表隨時提供，而且都已經進入DCS系統，唯一缺乏的只是生料細度的適時數據。生料細度，雖然也有具體的抽檢指標，但不是全檢存在代表性問題，不夠適時一般要滯后1個小時左右，難以滿足智能控制的需求。

　　生料粉磨系統（以立磨為例）智能控制模型的建立，需要確立如喂料量與磨內壓差、磨機出口溫度與噴水量、選粉機轉速與生料細度等幾個主要因子的關聯性，需要一系列在線的適時數據。其中，喂料量、噴水量、振動值、壓力、溫度、轉速等參數，均可通過現有傳感器或計量裝置實時測得，唯有生料細度的測定具有嚴重的滯后性，生料細度的在線監測就成為實現粉磨系統智能控制的關鍵。實際上，生料細度的在線監測技術已經獲得突破，以下就此作一簡單介紹。

　　生料細度的在線檢測，目前已有軟測量與實測量兩種方法。前者指應用易測過程變量（輔助變量）和待測過程變量（主導變量）之間的數學關系，建立細度軟測量模型，實現細度在線檢測；后者指采用激光衍射儀等裝置，在線實測與細度相關的變量，繼而通過數學轉換實現細度的在線測量。

　　軟測量技術，是基于最小二乘支持向量機的實驗模型，利用DCS系統的歷史數據和相應時刻化驗室離線分析值，基于生料喂料量、研磨壓力、選粉機轉速和磨內壓差四個參數來預測生料細度，獲得生料細度軟測量模型，實現對生料粒度的在線檢測。當然，除了基于最小二乘支持向量機的模型外，還可通過神經網絡、模糊預測、專家規則等方式實現生料細度的在線軟檢測。

　　實測量技術，是應用激光衍射儀等裝置，直接對物料粒度進行在線檢測。其原理是激光在傳播過程中，遇到顆粒時會發生一定的衍射和散射，其光能的空間（角度）分布與顆粒粒徑有關，通過測量各特定角光能量即可反映顆粒粒徑分布情況。實際上，早在20世紀90年代，日本就已將激光衍射用于水泥粒度的在線檢測了，目前這一技術已經非常成熟，而且國內也有丹東百特、東方測控等在線粒度檢測儀推向市場。

　　激光衍射儀，目前用于水泥粒度在線檢測的業績比較多，而用于生料粒度在線檢測的業績尚未見報道，這有兩方面的原因。從技術角度上看，是因為生料中含有一定的黏土，給激光衍射儀的檢測增加了難度；而更主要的原因在于粒度的在線檢測還未上升為制約生料粉磨的主要矛盾。

　　無論是軟測量還是激光衍射儀，目前對生料細度的在線檢測相比水泥其應用并不廣泛，因為生料粉磨（立磨）系統的操作難點在于避免立磨振動過大發生跳停，對生料細度對粉磨電耗、煅燒能耗的影響認識還不到位，對該技術的需求尚缺乏緊迫性。

　　2，水泥粉磨智能化

　　水泥粉磨過程的控制目的，在于保證水泥細度、溫度等指標的前提下，實現產量的最大化和電耗的最小化。與生料粉磨系統已經普遍“無球化”不同，水泥粉磨系統仍然廣泛使用著球磨機，包括裸用球磨機系統、增設輥壓機或立磨的預粉磨系統、帶輥壓機或立磨的聯合粉磨等系統。其控制參數包括原料配比、入磨粒度或細度、磨內通風、循環負荷、磨機進出口壓差、出磨細度和成品細度等。水泥粉磨智能控制的前提與前述其他系統的過程控制相同，仍是識別相關控制參數及控制模型。

　　在配料組分有效控制的情況下，水泥細度是控制系統調控的主要質量指標，調控細度的主要措施都影響到粉磨系統的產量，產量的高低又影響到電耗。適時地對細度調節能有效發揮粉磨系統的能力和降低粉磨電耗，適時的調節需要適時的檢測結果，水泥粒度在線檢測就成為水泥粉磨智能控制系統的重要技術。

　　水泥細度在線檢測與生料細度在線檢測類似，已經有基于激光衍射儀的直接測量、基于神經網絡等先進算法的軟測量，兩種方法被廣泛采用。而且，由于水泥原料中基本不含生料中的黏土，給激光衍射儀的檢測打開了方便之門。

　　前述的熟料燒成智能控制系統，由于與水泥粉磨智能控制系統在控制方法上大同小異，一般也提供水泥粉磨的智能控制方案，這里僅對Lafarge LUCIE系統作一簡單介紹。

　　Lafarge的LUCIE系統,控制的基本原則是：穩定磨機物料總的通過量,優化水泥的細度,優化磨機物料總的通過量來提高磨機產量。該系統的控制方法為模糊控制，先將工藝操作經驗和規則加以總結，再運用語言變量和模糊邏輯，歸納出一系列控制算法和規則進行控制。

　　總的控制過程是：首先采集磨喂料量、回粉量、磨機功率、磨音、出磨斗式提升機功率、選粉機轉速、磨差壓或出口壓力等信號；繼而應用標準化參數表對這些信號進行處理，轉換成無量綱的數值；然后通過模糊控制的規則由輸入的信號對磨機總通過量、磨內物料量、水泥細度等進行評估；最后通過模糊化參數表做出模糊決策，進行自動控制。

　　四，搭建粉磨智能化的基礎平臺

　　我們可以捋一捋前面講過的內容，一個好的智能化系統應該具備三大特征，一是要多變量調控、二是不能拉掉關鍵變量的調控、三是調控程序應該不斷的滾動優化。下面就談談這三方面的實際案例：

　　1，POLYSIUS的多變量自動化控制

　　到目前為止，國內廠家對球磨機自控系統也做了大量的工作，系統主要以磨音（或磨震）信號反饋控制喂料量，有的還引入了循環提升機運行電流，雖取得了不可否定的效果，但始終不盡人意。

　　筆者在多年前使用過一個Polysius的球磨機自控系統，不論水泥磨還是生料磨（風掃式球磨機）都感覺非常好用，與我們現用的系統相比，主要是對喂料量的控制引用了多個因變量，而且各因變量的調節權重是向操作員開放的，操作員可以根據自己不斷的經驗累積進行不斷地優化調整。

　　雖然時過多年，但仍然值得我們借鑒。我們在第二部分已經給出了一個智能化路線，主要涵蓋了“多變量”和“滾動優化”兩個概念。按此定義，Polysius的這個系統雖然還談不上智能化，但已經采用了“多變量”控制，突破了現有自動化單變量控制的概念，只是將“滾動優化”交給了操作員而已，已經為我們進一步的智能化打下了基礎。

　　筆者有幸操作過polysius設計的球磨機自控系統，不論是生料磨還是水泥磨，都感覺非常順手。除開磨初期需要人工干預，防止較長時間的調節震蕩外，正常運行中幾乎不用操心，可以達到幾天之內不需要人工干預。

　　1.1 自控系統的構成

　　該球磨機的控制原理如圖04-01所示?，F場畫面顯示為白色的為瞬時參數（見圖中序號：1、2、4、6、9、10、12、14、16、17、19、20、），現場畫面顯示為藍色的為調節參數（見圖中序號：3、5、7、8、11、13、15、18、21、22、23），包括控制調節參數和工藝調節參數。

　　圖04-01  Polysius的水泥磨控制系統現場畫面

　　圖04-01中所標示設備為:

　　Feeder：是喂料設備。

　　PDM ：是脈寬調節器。該系統對喂料秤的控制輸出采用脈沖信號，即輸出一個信號后要維持一定的時間后再輸出下一個信號，這個維持的時間就是脈寬。

　　MAX ：是限幅調節器。對通過調節器的數值進行限幅處理，限幅值可根據需要設定，對超過限幅的數據，一律以限幅值輸出。

　　PD-CO ：是比例微分調節器。它不但能對輸出參數與給定值的偏差進行比例調節，而且能對該信號進行微分處理，即可根據輸出參數（被調參數）的變化速度進行“超前調節”，從而提高調節系統的穩定性。

　　PT1 ：是數字濾波器。它的功能是對采集的原始信號進行濾波處理，不但減少采集信號的外來干擾，而且能緩慢信號的變化速度。

　　P-CO：是比例調節器。根據被調節參數與給定值的偏差進行比例調節。

　　L(W)：是數字校正器。用于校正某一參數對采集信號的影響。

　　MAX、MIN：是雙向限幅調節器。即能限制最大的輸出，也能限制最小的輸出。

　　1.2 自控系統的參數

　　（1）S.FRESH M 表示喂料量

　　（2）F.MDEMAND

　　N1G08-OUT Cement mill feed demand   %

　　水泥磨要求喂料量

　　此值為喂料需求量（4）經限幅處理后，給出的喂料秤的百分比開度。比如此值60%時，表示喂料量為150×60%=90t/h。

　?。?）MAX

　　N1FM MAX       Fresh material maxlmum  %

　　喂料最大值

　　它的主要作用是對輸出的喂料參數進行限幅處理。此值根據需要進行人為設定，一般取60%～65%。避免由于過激調節引起反復震蕩。

　　其功能關系式如下：（2）= MIN [（3）,（4）]

　?。?）FMD

　　N1FMD          Fresh material demand   %

　　喂料需求量

　　此值為限幅處理前的實際需求值，是經過回粉、磨位調整后的設定喂料量，其功能關系式為：（4）= （5）+ （6）

　?。?）FMYD

　　N1FMYD   Fresh material  %

　　設定喂料量

　　此值由操作員根據磨機能力初步設定，然后再由計算機根據回粉及磨位與設定值的偏差進行調節，最終建立一個相對平衡。

　　此值設定較高時，平衡后回粉及磨位也較高，此值設定較低時，平衡后的回粉及磨位較低。

　　但此值如果設的過大，超出了系統的調節范圍，將引起回粉陡增，繼而滿磨；如果設的過小，又將引起回粉陡降，繼而磨空。因此，要求此值設定盡量適中，也就是說要盡量減小計算機的調節負荷（6），盡量使設定值（5）與輸出值（2）同一起來。

　　當此值設定較高時，由于其具有較高的回粉量，這可作為在不動選粉機的情況下提高比表面積的一個手段。

　　設定喂料量＝預調回粉量×0.3×（7）

　　對于一定的立軸轉速和循環風量，（5）與（2）的偏差越大，將使計算機系統對回粉的調節能力增強，從而強化了對回粉的調節，在這種平衡狀態下生產，可減小回粉的波動幅度。

　?。?）GRCO

　　N1 GRCO   Backflow controller output   %

　　回粉控制器輸出值

　　此值是在設定喂料量的基礎上，根據回粉及磨位與各自設定值的偏差而給出的調節量。當（8）= 0.000時，（6）= 0.3 ×（7）×（9）

　?。?）P-FACT

　　N1 GRCP   Backflow controller P-FACT

　　回粉控制器比例調節系數

　?。?）D-FACT

　　N1 GRCD   Backflow controller D-FACT

　　回粉控制器微分調節系數

　　（9）GRCXW

　　N1 GRCXW   Backflow controller deviation TP

　　回粉控制器輸入偏差值 噸/小時

　　（9）= （13）- （12）+ （14）

　?。?0）Back Flow

　　選粉機的回粉量

　　（11）F-FACT

　　N1 GRFF  Backflow filter factor

　　回粉過濾器系數

　　（12）B.F. Filtered

　　N1 GRF   Backflow filtered TP.

　　濾波后的回粉量 噸/時

　?。?3）GRYO

　　N1 GRYO   Backflow YO TP.

　　設定回粉量

　　存在回粉是閉路系統具有較高產質量的根本所在，因此就選粉系統而言，如果提升機、選粉機的能力允許，應該盡量選擇較高的回粉量，這樣能夠及時的將合格產品選出，減少過粉磨現象。

　　但從另一個角度來講，回粉太大勢必增高磨位。如果磨位太高，勢必影響研磨體對物料的沖擊與研磨，從而使粉磨效率降低。

　　鑒于上述兩點，當磨位不是太高時（≥60%）應盡量選擇較大的回粉，以充分體現閉路系統的功能。

　　就該廠而言，出磨物料一般控制在280t/h左右（計算和設計控制基準，實際中也可適當突破，在300t/h左右提升機仍能正常生產），還要考慮留出20t/h的波動能力，故回粉量的選擇式一般為：

　　回粉量= 280－20－臺時產量

　?。?4）LEVCO

　　N1 LEVCO   level controller output TP.

　　磨位控制器輸出值

　?。?4）= （15）× （16）

　?。?5）P-FACT

　　N1 LEVCP   level controller P-FACT

　　磨位控制器比例調節系數

　　磨位控制器比例調節系數，即磨位百分比調節量對回粉相當噸的轉換系數，它的大小在一定程度上反映著粉磨系統的穩定性。

　　如果此系數較小，磨系統以回粉調節為主，而回粉調節存在著滯后時間長且缺少穩定調節的弱點，易造成喂料、磨位、回粉三個參數的反復振蕩。既不利于提高臺時產量，又易造成水泥波動，影響斜槽輸送。

　　如能適當的提高此參數，比如控制在10或15，就可以增加磨位調節的比重。磨位調節不但滯后時間較短，而且具有穩定調節能力。雖然喂料調節頻率提高了，顯得操作不穩，但磨位卻被大大地穩定下來，從而使回粉也穩定了下來，這對粉磨系統是相當重要的。

　　但此參數也不可控制的過高，否則，由于調節幅度較大，不利于磨位的回粉調節，容易造成反復振蕩。

　　因此，當磨位處于回粉調節狀態時，應將此參數設的較小一點，比如5，或者干脆手控干預；而當磨位處在穩定調節狀態時，可將該參數設的大一些。

　　值得注意的是，當該參數設的較高時，由磨位調節比例的增加，同時降低了回粉調節比例，要求磨位上限設定值給與適當降低。提早進行回控調節，以免回粉過高引起振蕩或壓住提升機。

　?。?6）LEVCXW

　　N1 LEVCXW   level controller deviation %

　　磨位控制器輸入偏差值

　?。?6）= （20）- （19）

　　（17）LEVEL 磨位信號  %

　　此信號由磨音測量電耳測得。

　?。?8）W-FACT

　　N1 WATKF   water injection factor

　　磨內噴水校正系數

　?。?9）LEVEL CORRECTED

　　N1 LEVK LEVEL CORRECTED %

　　校正后的磨位信號。

　?。?0）LEV FIL

　　N1 LEVF   level filtered   %

　　濾波（限幅）后的磨位信號

　　當（19）＞（22）時，（20）= min [（21），（19）]；

　　當（19）＜（22）時，（20）=（22）

　?。?1）MAX  磨位限幅調節器的最大值 %

　　（22）MIN  磨位限幅調節器的最小值 %

　　此限幅調節器具有雙向限幅調節功能和范圍內的穩定調節功能。磨位最大最小值的設定，除與填充率、通風量、噴水、回粉、物料易磨性有關外，設定時還應考慮到它是一個相對信號，并不能指示真正的磨位，有時甚至相差很大（調整不當時）。只有在設定磨位最大最小值時，將此偏差考慮在內，才能更好的適應控制系統的需要，進行優化生產。

　　（23）F-FACT

　　N1 LEVFF   level filter factor

　　磨位濾波器系數

　　1.3 自控系統的功能

　　Polysius的水泥球磨機自控系統的特點是，在設定喂料量的基礎上，進行以回粉、磨位兩個參數的調節，再加以磨內噴水校正。

　　該系統以回粉調解為主，進行“回粉定量”調節，以磨位調節為輔。當磨位在上下限之間時，只進行穩定調節，延緩磨位的變化；只有在磨位超出上限或下限時，才進行磨位“回粉調節”。

　　磨位的調節是在比例調節器將磨位百分比轉換為“相當噸”后，與回粉調節量疊加輸出的，整個控制系統是以磨位穩定并達到合理的比表面積為目標的。

　　應該說明的是，該水泥粉磨系統的現場設置有比表面積在線檢測儀，遺憾的是筆者到現場時這個在線檢測儀已經停用了。何時停用的、什么原因停用的、為什么水泥球磨機自控系統沒有將“比表面積”這個重要的參數引進來？由于該廠已經投產多年、管理和生產人員幾經更換，這些問題的原因都難以說清了。

　　事實上，Polysius的球磨機自控系統仍然是用多變量糾偏，只是不帶滾動優化而已，各因變量的相關性由人工判斷調整。盡管不是前沿技術，但這正是多變量優化糾偏的前生或基礎，對完善現有的自控回路、進一步發展為“多變量優化糾偏的智控回路”都具有借鑒意義。

　　2，XOPTIX的關鍵變量自動化控制

　　我們知道，水泥的粉磨細度是粉磨系統最重要的控制指標，既影響到水泥的質量（強度等）又影響到系統產量（電耗等），而且質量和產量是系統操作中主要平衡的矛盾，這個平衡點就是一個合適的粉磨細度。所以，“粉磨細度”就是自控系統的關鍵變量。那么，如何控制這個關鍵變量呢？

　　早期主要是控制80um方孔篩篩余，逐漸進步到控制45μm方孔篩篩余，或者兩者互補監控，但篩余更多反應的是細度不合格部分的剔除量，而對水泥中的合格部分缺少細度的體現；后來又進步到采用比表面積控制水泥細度，較好地體現了對水泥中合格部分細度的反應，或者比表面積和篩余互補監控，獲得了對水泥中合格、不合格兩部分的同時監控，這是目前對水泥粉磨細度的主要監控措施，反應的仍然是水泥粉磨后的總體細度。

　　水泥技術發展到今天，我們已經知道不僅是總體細度，水泥性能還受到其顆粒級配和顆粒形狀的重大影響。同一種配料，即使在篩余和比表面積相同的情況下，如果顆粒級配不同，水泥的性能也會表現出較大的差異。因此，我們對水泥粉磨細度的控制又提出了更高的要求，不僅要控制其總體細度、而且要控制其顆粒級配。目前，有些公司已經配置了水泥顆粒級配檢測儀器。

　　盡管顆粒級配檢測儀已經成熟，但由于其仍然需要人工取樣，時效性差、代表性差，仍然不能滿足生產系統智控的需要；對“水泥顆粒級配的在線監控”就成為生產智控的必要，“在線粒度檢測儀”便應運而生。目前在國內可供選用的在線粒度儀如表04-01所示，已有上海傳偉引進技術的Xoptix、丹東百特的BT-Online1在線粒度監控系統、濟南微納的Winner7303在線激光粒度監測儀投入使用。

　　表04-01   國內可供選用的在線粒度儀

　　2.1 Xoptix在線粒度監控系統簡介

　　Xoptix是一套專門針對工業現場設計的在線粒度監控系統，直接在生產管線中對水泥的顆粒級配和變化趨勢，進行24小時連續、快速、及時、準確的檢測監控，并將監控結果及時傳送到中控室的DCS或PLC系統中，從而為水泥粉磨系統的自動化控制提供重要的信息支撐。

　　Xoptix在線激光粒度儀，不但解決了人工取樣和檢測的時效性和代表性問題，而且解決了其他在線產品鏡頭容易臟、經常需要激光對焦的問題，能夠較好地建立起粒度分布與強度的關系。Xoptix在線激光粒度儀在水泥粉磨系統中的應用位置如圖04-02所示。

　　Xoptix在線粒度監控系統的主要功能部件有：儀器主機（包括激光發送、信號接收），樣品流動池，取樣系統，回樣系統，信號控制箱。在線激光粒度儀的組成和工作原理如圖04-03所示。

圖04-02  Xoptix在線激光粒度儀在水泥粉磨系統中的應用

圖04-03  Xoptix在線激光粒度儀的工作原理

 　　在線粒度監控系統，為了確保系統的長期穩定、精準運行，必須對容易受樣品污染的光學鏡片等加以保護。該系統給分布于樣品池兩側的激光發射腔和接收腔充以高于取樣氣體壓力的保護氣體，分別在兩腔與樣品池之間形成隔離粉塵的氣幕（高壓氣體密封），較好的解決了光學鏡片的污染問題。Xoptix激光衍射裝置及氣封保護如圖04-04所示。

　　圖04-04  Xoptix激光衍射裝置及氣封保護

　　Xoptix是一套專門針對工業現場設計的在線粒度監控系統，可以減小人工取樣的勞動強度和人工檢測的誤差，能為水泥粉磨系統的精細化操作、智能控制提供重要及時的信息支撐。

　　在粉磨系統啟動的初期，適時的調整是不可避免的,使用Xoptix能使您隨時掌握您的調整結果，提高調整的準確性、加快進入穩定狀態的速度,從而減小開停機損失。

　　在粉磨系統穩定的狀態下，使用Xoptix能夠實時了解到運行狀況，作出及時、準確的微調，避免了滯后調節、盲目調節造成的被動局面，減少產量、質量、能耗損失，降低質量波動、減少為應付波動設定的超標率，這也正是我們所謂“新型干法”在操作上強調“預打小慢車、防止大變動”的體現。

　　2.2 Xoptix自控系統在中聯響水的使用案例

　　中聯水泥響水公司（粉磨站）2013年安裝了一套Xoptix在線粒度分析系統，將Xoptix安裝在選粉機后的成品輸料斜槽上，Xoptix通過螺旋輸送器將斜槽內一部分水泥取出，經Xoptix激光衍射檢測后再送回到成品輸料斜槽內。

　　在安裝Xoptix之前，質控處用80?m和45?m篩余控制水泥細度，不同人員的檢驗誤差和30分鐘的檢驗時長，影響到中控操作員穩定操作；使用Xoptix之后，嘗試對選粉機的轉速作細微調整，約3分鐘之后在中控室就可以看到水泥的粒度分布隨選粉機轉速的調整而變化的結果，就像把實驗室的儀器搬到了現場，既精準又方便還及時。

　　使用了Xoptix前，該公司一直采用45?m篩余和比表面積相結合控制出磨水泥的細度，在生產初期取得了不錯的效果，但對于水泥的顆粒分布卻沒有監控。使用Xoptix后，能夠實時獲得出磨水泥的顆粒級配，快速判斷是磨機研磨導致顆粒分布變化還是物料（熟料和混合材）活性變化導致水泥強度變化，并且能夠實時跟蹤調整結果，給中控操作員增添了一個控制水泥性能的先進手段。

　　儀器的穩定性也在長期的使用中得到印證，在系統工藝穩定的情況下，幾個特征粒度參數的趨勢非常穩定，波動范圍在±1.5%以內。使用Xoptix前后幾個水泥特征粒度參數（90μm、32μm、45μm）的波動情況如圖04-05所示。

　　圖04-05  Xoptix使用前后水泥特征粒度參數的波動情況

　　該公司是粉磨站企業，外購熟料質量存在較大波動，導致出磨水泥強度標準偏差較大。使用Xoptix之前出磨水泥28天抗壓強度標準偏差為1.633MPa，使用之后由于操作員根據粒度趨勢的及時調整，使出磨水泥28天抗壓強度標準偏差減小到0.459MPa，水泥產品均衡穩定，滿足了商品混凝土公司的需求，也成了該公司產品的主要賣點。

　　使用Xoptix前后的幾項指標比較見表04-02，按100萬噸的年產能初步估算，每年可以降低生產成本達600多萬元。

　　這里應該說明的是：1，Xoptix的應用業績，國內主要在水泥粉磨系統，同時在生料磨、煤磨上也已有案例；2，Xoptix的應用，盡管抓住了關鍵變量，但仍然處于自動化階段，首先它不是多變量控制，第二他還不具備自我滾動優化的自學習、自成長能力。

　　五，德國STEAG PiT在中國的實踐

　　PiT Navigator系統，通常在球磨機的進料端安裝兩個“磨音指示器”，其中一個裝于“有料側”、另一個裝于“無料側”，用以反應磨內物料的填充程度；在選粉機入口、回料和成品收集的相關部位，安裝有振動傳感器，用以反應相關的物料量，繼而求得循環負荷、選粉機效率等參數。

　　在上述硬件的基礎上，系統配置有所謂“水泥磨導航器”，對水泥磨機和選粉機等設備進行優化控制。該“導航器”可實現相關數據的自動采集與分析，并通過自適應、自學習的非線性模型預測控制，實現對水泥粉磨系統磨的智能控制，其控制測量流程如圖05-06所示。

　　圖05-06  PiT Navigator水泥磨控制系統

　　2017年03月30日，德國Steag公司聯合上海某公司，與中國的JL水泥公司簽署了在5000t/d熟料線上使用PiT的合同，經過安裝調試后，于2018年01月21日至01月30日進行了“5天在線、5天離線”的驗收對比。PiT對穩定燒成概況發揮了很好的作用，在生料水硬率HM提高了21.15%的情況下，熟料F-CaO卻降低了26.21%，為提產提質降耗減排打下了基礎。

　　在窯上取得初步結果的鼓勵下，他們又將PiT技術鎖定了水泥粉磨系統。德國Steag在水泥磨系統的PiT智控系統如圖05-07所示，由監測模塊、預測模塊、自尋優控制模塊構成，采用聚類分析、神經元網絡建模、模型預測等技術，具備全局優化和自學習功能，所有控制目標由系統自行探索、設定，適應性較強，可持續穩定在無人干預情況下運行。

　　圖05-07 德國Steag的水泥磨PiT智控系統

　　PIT系統根據生產過程數據，包括實際喂料量、物料配比與水泥強度、顆粒級配與水泥強度、磨頭磨尾壓差與磨內通風、磨尾溫度與磨內噴水、選粉機轉速與風量、回粉量大小、提升機電流、磨內填充率（磨音、磨震），綜合考慮實際工況和外部變量的影響，通過機理模型，實現對粉磨系統的自我實時優化。

　　PIT系統可基于系統的優化計算，自我設定系統喂料量、磨內填充率、系統風機轉速、選粉機轉數、循環風機轉速、物料配比、顆粒級配等被控變量的控制目標，并持續優化。從而在低電耗、低料耗（熟料）的情況下，實現較高的臺時產量、穩定的水泥質量。該系統基本符合我們前面講的智能水泥廠概念。

　　2018年05月25日該系統在JL公司的2#水泥磨上投入運行，本人專程前往參與并見證了調試情況。本人在05月29日調試尚未結束時離開，已經看到了對系統的穩定作用，圖05-08、圖05-09、圖05-10，顯示了PiT在線前后幾個關鍵參數的運行曲線。

圖05-08  PIT在線前后幾個主要參數曲線的對比

圖05-09  PIT在線前后喂料量和填充率的曲線對比

　　由圖05-08、圖05-09可見，在PIT系統投入運行以后，粉磨系統的幾個主要參數都趨于更加穩定；圖05-10是本人離開后接到的資料，可見PIT在線能使比表面積迅速穩定下來。雖然最終結果尚未出來，但穩定就可減少浪費、穩定就會產生效益。

　　2018年12月17日，2#水泥磨智能改造項目通過驗收，驗收報告（見圖05-08）顯示改造前后對比，噸水泥粉磨電耗降低了3.592%；在2#水泥磨改造見到效果之后又對1#水泥磨進行了智能改造，并于2019年04月25日通過驗收，噸水泥粉磨電耗降低了3.5%。

　　圖05-08  2#水泥磨智能改造驗收報告