1 概述

　　水泥行業在我國國民經濟中占據重要地位，就行業平均水平而言，雖然生產工藝與裝備已大為改觀，但整體表現仍大而不強。

　　大表現為：產量高（年產19億噸，占世界50%以上）；耗能大（年消耗標煤占全國總量約7%）；碳排放多（二氧化碳排放占全國總量10%以上 ）。

　　不強表現為：管理、自動化水平低（信息孤島、自動化孤島現象大量存在）；能效低（行業平均每噸水泥熟料燒成耗標煤比國際先進水平高約15%）。

　　近年來，政府對水泥行業宏觀調控措施頻出。工信部近期發布的《水泥行業準入條件》中，要求嚴格控制新增產能,加快淘汰落后產能。同時政府方面明確提出,到"十二五"末,全國水泥生產綜合能耗應小于93千克標準煤/噸，氮氧化物排放在2009年基礎上進一步降低25%,二氧化碳排放強度也需進一步下降。企業基于自身生存需求及經濟效益需求，必須繼工藝改造（新型干法生產、預熱發電）、設備改造（中高壓變頻、第四代篦冷機）后，在綜合自動化系統及先進控制應用方面尋求支持，以達到減員增效目的。

　　本系統旨在提高水泥企業的自動化水平，降低單產能耗使其達到國際先進水平。

　　針對以上需求，濟南大學自動化研究所會同山東恒拓科技發展有限公司進行了項目研發，并先后獲得國家發改委資助；國家863資助；山東省科技攻關資助；山東省自然基金資助；在此期間，還與中科院沈陽自動化研究所、山水集團、寶山生態建材、德州中聯等單位進行了橫向合作；最終研發成功貫穿整個水泥生產設備、單元、車間以及企業運營的面向節能降耗的水泥生產優化控制與能效管理系統，實現了先進的可擴展解決方案。

　　水泥生產工藝流程中存在著復雜的串并聯關系。從總的工藝流程看，物料是依次通過生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨三個串聯階段，最終得到水泥產品。但在這單一的生產流程中，局部環節上又同時存在著物料流和能流的循環、返流現象。水泥企業既有流程工業的共性，又有自身的個性。

　　本課題在深入分析水泥企業和水泥生產運營特點基礎上，借鑒已有成果，采用三層（ERP/MES/PCS)結構，構建了整套的新型干法水泥生產過程全流程優化方法體系與系統總體架構，實現了水泥生產運營的綜合信息化，提高了水泥企業的核心競爭力。其重點在PCS和MES層次上

　　技術難點：

　　管理扁平化

　　生產運營環節多，功能訴求多，信息子系統異型、異構網多

　　我國水泥行業相對粗放，人員計算機水平不高，且存在"酒瓶裝新酒"現象

　　解決方案：

　　構建整套信息化系統解決方案，用三層（ERP/MES/PCS) 結構代替傳統五層結構。

　　完善子系統功能，完成設計規范

　　開放性數據接口：OPC，DDE，ODBC

　　流程再造

　　實現了水泥生產運營的綜合信息化，提高了水泥企業的核心競爭力。

　　在深入調查并分析用戶需求基礎上，我們完成了水泥行業控制系統設計規范 ，包括測點和控制回路的設置、控制系統結構、全流程優化調度與協調控制、設備選型和設備清單。

　　由于本課題的重點是研究水泥行業的優化調度與先進控制，因此，我們重點完成了MES的五個模塊和PCS 。左圖為MES系統架構示意，右圖為PCS的基礎自動化系統架構示意，由先進DCS集成而得，而PCS的過程優化部分，已在前面部分，不再贅述。

　　計劃分解：以單產能耗最低為目標分解生產計劃

　　質量管理：建立生料制備、熟料燒成、水泥粉磨過程的雙向質量模型

　　能源管理：監測主要設備的能耗數據，建立能源消耗模型并進行統計分析

　　設備運轉狀況管理：監測設備運行狀態，給出故障原因和操作指導

　　作業調度：根據工況和生產計劃任務，下達具體的控制指標

　　節能降耗的重點在于PCS的優化控制系統和MES的能效管理系統（能源監控中心）的建設。

　　整體系統投運后，各運營環節內部及彼此之間的信息流動更合理，更流暢，實現了水泥企業整個生產運營的綜合信息化，提高了核心競爭力。

　　水泥生產運營優化需要解決以下幾個關鍵問題:

　　關鍵問題一：進行良好優化控制的前提是需要對生產線現場信息及時準確的把握，而水泥生產過程中部分關鍵參數難以獲取完備信息.(1、部分關鍵參數（燒成帶溫度、分解爐分解率磨機負荷等）無法直接或在線測量。2、我國水泥企業測控點普遍配置少，比國外同類規模企業少25%-50%。)

　　關鍵問題二：水泥生產過程的復雜特性為自動控制與過程優化帶來極大難度。（1、水泥生產過程具有多變量、非線性、大時滯的特性，對過程控制與優化帶來極大困難。2、與國外同行業相比，我國水泥企業原材料、燃料波動較大，設備穩定性較差，同樣對過程控制與優化帶來不利因素。）

　　關鍵問題三：水泥企業用能水平仍然主要人工定期抄表進行統計，這種方式存在數據滯后、時效性差、數據單一等問題，不能為企業管理與調度人員及時、準確的提供生產實時用能信息，同時不能提供科學的決策支持。

　　為了打破國外技術壟斷，同時為了能更好服務通過在自動控制及綜合優化方面的技術創新進而實現水泥企業進一步的增產、節能、降耗、減排，我們對項目進行了整體設計。

　　首先通過對燒成帶溫度、磨機負荷等水泥生產過程關鍵參數的軟測量研究，并基于此進行信息融合，對水泥生產過程現場的實時工況進行識別，解決了水泥生產過程控制信息不完備的問題。其次，通過基于工況識別的智能控制及其他先進控制算法的綜合利用，消除了水泥生產過程復雜特性，及我國水泥企業原、燃料成分波動帶給過程控制的不利影響。再次，我們給出了綜合優化的方法體系與系統架構，有效整合了水泥企業生產運營各環節，實現全流程優化。另外，提出水泥企業能效管理系統解決方案，解決目前用能管理系統（人工抄表）的落后，不能及時而科學地為節能降耗指明方向的關鍵問題。 基于此，構建了具有自主知識產權的適合我國國情的水泥生產運營優化技術體系及運行平臺。

　　2 水泥生產優化控制系統

　　水泥生產優化控制系統按過程特性的不同分為兩大部分：燒成系統、粉磨過程

　　2.1水泥生產全流程優化控制技術

　　新型干法水泥生產線優化控制系統解決方案：

　　基于現場信息反饋（DCS信息、化驗室數據等）

　　采用面向綜合能耗最小指標的生產計劃優化分解方法

　　實現了各主要生產單元（粉磨過程及燒成過程）生產任務和設備運行的合理安排，達到水泥生產全流程優化的目的。

　　技術難題：

　　水泥生產過程要求物料的成份穩定和熱力系統平衡；而粉磨系統和燒成系統內部，及彼此之間又存在復雜串并聯關系。

　　解決方案：

　　根據能源消耗模型和操作經驗構建的專家系統，對生產過程進行優化調度，在滿足生產工藝指標要求的前題下實現能耗最小。

　　生料磨噸產電耗模型：

　　生料噸產電耗=-0.091 x 生料磨臺時產量 - 0.031 x 出磨生料細度 + 37.984

　　燒成噸產電耗模型：

　　燒成噸產電耗=-0.223 x 燒成系統每小時產量 +53.449

　　2.2  水泥生產過程關鍵工藝參數軟測量技術

　　創新點一：新型干法水泥生產過程關鍵工藝參數軟測量技術

　　技術難點：燒成帶溫度、分解爐分解率、磨機負荷等參數無法直接或在線測量。（其中，燒成帶溫度以及生料分解率直接關系熟料燒成的質量、產量及能耗；磨機負荷則對磨機的優化控制至關重要。）

　　采用最小二乘支持向量機及人工神經網，在水泥行業首先提出并研發了水泥生產過程關鍵工藝參數軟測量技術，實現了上述參數的等無法直接或在線測量參數的在線估計，并基于此進行信息融合，對水泥生產過程現場的實時工況進行識別，提高了水泥生產過程控制的信息完備性。

　　以燒成帶溫度軟測量為例：其是監控水泥熟料燒成情況的重要標志，其高低直接反映了熟料產品質量的好壞。其在高溫旋轉的水泥回轉窯內呈帶狀分布，且窯內密布粉塵，難以直接測量。

　　由于無法獲取燒成帶溫度的準確測量值來實施模型校準，采用f-CaO含量為中間變量進行兩階段建模，通過SVM實現在線軟測量。

　　（文獻證明：在1100℃～1400℃之間，燒成帶溫度與f-CaO含量近似成線性關系。）

　　2.3熟料燒成自動控制與過程優化

　　孰料燒成系統優化目標：使熟料燒成的綜合能耗達到最小 ；質好產高。

　　孰料燒成主要單元控制目標：分解爐溫度穩定；燒成帶溫度穩定（指導）；篦下壓力穩定；其他（小倉倉重、入窯生料、窯頭負壓）……；多過程協調控制。

　　控制難點：

　　關鍵參數不能直接測量；時變、非線性、強耦合、大滯后；人工操作時被控量波動大、工藝設定裕度大。

　　創新點二：燒成系統燃燒優化控制：熟料燒成系統是水泥生產的核心，也是消耗燃煤主要部分。

　　主要過程變量如圖所示：

　　基于工況識別技術，開發了水泥孰料燒成的智能控制系統，實現了燒成燃燒的優化控制，有效降低了水泥熟料燒成 能耗。

　　其中部分變量為軟測量量,不再贅述．該過程控制集成應用了多種算法：軟測量、神經網絡、預測控制、布爾邏輯、模糊算法、PID。

　　水泥熟料燒成過程的自動控制與過程優化采用先穩定后優化的方針。

　　基于工況識別的過程控制

　　系統綜合運用PID、模糊、及預測控制算法，主要對分解爐溫度、燒成帶溫度、篦下壓力實現了基于工況的智能控制。系統首先進行工況識別，實現對不同窯況的判斷，然后針對不同波動類型，采取相應控制方法進行控制。其中工況辨識包括幅值大小的判斷、趨勢類型的判斷以及綜合的判定。

　　熟料燒成過程控制以仿人辨識與控制為基礎，因此控制系統按遞階控制系統進行架構設計。在當前的理論及技術條件下，智能系統的組織級尚難以很完整的實現，尚需人工設定與干預。軟件的設計與開發現重點在基礎執行級與中間協調級。其中，執行級實現對具體單元回路進行辨識與控制。辨識時，各單元負責對各子環節影響因素進行實時值及趨勢辨識，并將初判的風、煤、料變化狀態上傳協調級；控制時，執行級各基本單元接受協調級傳來的工況號，確定各單元執行參數，對相應子環節的控制量輸出進行計算，并上傳協調級，根據協調級傳回指令進行控制（注：因各單元只在某一穩態工況下工作，原則上，在此工況下，該環節應處于單輸入單輸出狀態，可由基礎控制算法，如PID等實現）。協調級實現對基礎執行級單元信息進行綜合協調與沖突協調。辨識時，協調程序需對各基礎單元上報的風、煤、料狀態進行綜合，若各單元間預判狀態又沖突，則由仿人規則進行消解，得出工況狀態號，最后上傳組織級；控制時，協調程序根據組織級傳送的燒成工況，以及各基礎執行級單元上報的控制量計算值，生成控制量輸出值，并下發執行級，期間通過仿人規則，消解各執行單元計算值的沖突 。

　　熟料燒成自動控制與過程優化-工況識別界面

　　2.4生料、熟料粉磨自動控制與過程優化(立磨）

　　生料粉磨優化控制系統實質上是一個在專家系統監督指導下的多變量控制系統。

　　專家系統主要是根據實時參數和操作經驗識別磨況，并協調粗、細粉倉的負荷，實現負荷優化

　　生料、熟料粉磨自動控制與過程優化（球磨）

　　2.5水泥生產優化控制軟件介紹

　　熟料燒成過程控制軟件由三部分組成：數據采集；前臺操作界面；后臺控制程序

　　數據采集功能模塊，即通過數據采集功能模塊采集現場DCS的實時數據，并儲存于SQL數據庫中，水泥燒成優化軟件實時調用SQL數據庫的數據進行優化計算，并將優化控制量輸出到SQL數據庫，再通過數據采集功能模塊寫入到DCS現場，實現優化控制。

　　分解爐單元優化子系統具體實現如下：將水泥生產分解爐環節優化控制系統分為兩部分進行設計，即分解爐溫度優化設定系統和分解爐溫度自動控制系統：分解爐溫度優化設定系統根據由生料三率值KH、n、p和生料細度建立起的基于LS-SVM的分解爐溫度預設定模型得出分解爐出口溫度的預設定值，然后經基于專家系統的溫度設定補償模型和基于Fuzzy系統的溫度設定校正模型對分解爐溫度預設定值進行補償校正，得出當前工況下分解爐出口溫度的最優設定值。

　　熟料燒成過程控制程序：

　　水泥燒成過程控制程序，主要功能，煤熱值、分解率、燒成帶溫度的軟測量，分解爐、篦冷機、高溫風機、窯系統的工況識別，分解爐、篦冷機、高溫風機、生料下料、窯系統的優化控制。

　　生料、水泥粉磨過程控制軟件：

　　水泥燒成優化系統軟件總體可分為兩個子模塊組成，自動配料、磨機負荷控制。

　　生料粉磨優化控制系統實質上是一個在專家系統監督指導下的多變量控制系統。

　　專家系統主要是根據實時參數和操作經驗識別磨況，并協調粗、細粉倉的負荷，實現負荷優化

　　3 水泥企業能源監控中心

　　水泥企業能源監控中心：

　　水泥企業能效管理系統從整體看，相對復雜而龐大，針對國內多數水泥企業現狀，該系統的具體實施可分為兩步走，第一步可先實現"能耗數據采集與監控子系統"，包括："電量采集與管理系統"、"煤耗采集與管理系統"的應用，并進行初步的能效管理與分析。第二步則完整實現"能效管理與分析子系統"，實現水泥運營過程的能效科學管理。

　　3.1 水泥能源監控中心系統架構和分布

　　此圖為能效管理系統圖，在能效管理中，我們可以對水泥廠電耗和煤耗進行統計，使水泥廠的電耗和煤耗透明化，更好的指導生產。一般水泥廠的電耗可以分為幾下部分：原材料破碎電耗，原材料預均化電耗，生料粉磨電耗，生料均化電耗，燃料制備電耗，孰料燒成電耗，水泥粉磨電耗，水泥包裝電耗，水泥輸送電耗。孰料燒成電耗，在有的水泥廠分為，窯電耗，煤磨電耗；有的將生料磨電耗也包括其中。 煤耗一般分為以下幾部分：原料烘干煤耗，燃料烘干煤耗，孰料燒成煤耗，混合材料烘干煤耗。

　　3.2 水泥能源監控中心系統實施方案

　　（1）方案一：單獨組網，環網采用光纖收發器。系統架構圖如下所示：

　　對電量采集網絡進行單獨組網，通過光纖收發器和串口設備聯網服務器實現。對煤耗采集網絡還是使用原廠的工控環網。

　　（2）方案二：利用原有DCS環網,系統架構圖如下所示

　　電量采集、煤耗采集均沿用原廠工控環網。對于有光纖收發器的電力室可直接接到工控環網上，對于沒有光纖收發器的電力室要使用光電轉換器將該電力室的串口設備聯網服務器連接到最近的含有光纖收發器的電力室，這樣就可以連到工控環網上。

　　3.3 水泥能源監控中心系統-電效管理：

　　此圖顯示了水泥企業能效管理軟件的一部分功能。

　　此系統具備的功能有：第一，電耗采集功能：（1）各個電力室的電能和功率實時顯示。（2）水泥廠總電量的統計。（3）單個電機和系統的電量查詢。第二，電耗管理功能：（1）生料磨、窯、煤磨、礦山破碎、整條熟料線，噸電耗的統計和顯示。（2）水泥廠峰谷平電量、產量、噸電耗的查詢（3）各個電機實時功率和歷史功率曲線的查詢。（4）各個電機，各主要環節，整條熟料線月份電量的柱狀現實。（5）各主要環節能耗的實際曲線，與國標，省標，行業內部標準對比，進行分析。

　　3.3 水泥企業能效管理軟件-煤效管理：

　　煤效管理包括了煤耗的熱量收入和熱量支出的統計。

　　3.4 水泥能源監控中心系統-能效分析

　　上圖為各主要環節能耗的實際曲線，與國標，省標，行業內部標準對比。通過此圖我們可以很清楚的發現什么時間段內噸電耗超標，然后我們就可以針對這時的情況進行數據分析。從而有利于節能降耗。

　　當能耗高出國標，省標或者其公司內部能耗標志后，進行分析：

　　首先，可以根據電流或者功率，分析出電機是否出現大牛拉小車的現象。判斷回轉窯正常運行時，電流的平均值，進而根據功率計算公式，算出此時對應的功率。

　　其次，根據電流的影響因素，建立數學模型或者專家系統，分析出能耗高的原因，給出指導，進而有利于企業的節能降耗。

　　4 應用與推廣

　　已完成

　　山水集團世紀創新水泥有限公司2008

　　山水集團平陰水泥有限公司2009

　　棗莊中聯水泥有限公司2012

　　。。。。。。

　　正在進行中

　　山水集團微山山水水泥有限公司

　　大同冀東水泥有限公司

　　浙江金元

　　桐鄉南方水泥

　　日照中聯

　　。。。。。。

　　水泥生產線能耗指標對比

實際軟測量效果（燒成帶溫度）：

　　實踐證明，通過模糊聚類方法獲得樣本數據，并通過LS-SVM訓練的燒成帶溫度軟測量方法取得更好結果。完全達到指導自動控制與過程優化的目的。

　　實際控制效果（篦冷機篦壓）：

　　篦冷機篦速投入使用自動控制之前，手動控制的篦下壓力正常狀況下上下波動700Pa；用上篦速自動控制后，正常狀況下篦冷機篦下壓力上下波動小于400Pa。隨著篦速自動控制的穩定使用。穩定的篦冷機篦下壓力給窯系統的工藝穩定提供了保障。

　　左圖是自動控制前篦冷機篦下壓力變化，從上圖可以看出，手動操作時反應相對滯后，調整的步長較大，壓力的波動范圍較大。

　　右圖是是自動控制篦冷機篦速后篦冷機篦下壓力變化，由上圖可以看出，篦下壓力曲線波動范圍較小，篦壓較穩定。

　　實際控制效果（分解爐溫度）

　　通過60小時的試運行，控制效果能達到并超過人工，滿足工藝要求，基本不需要人工控制。

　　最后達到較好的優化效果，一天中80%時間都能控制在正負6度以內，而人工的話偏差在15度左右。

　　DCS程序中，對溫度的采集時間設定太長，造成進入優化軟件的數據不能實時跟蹤現場變化，使優化效果大打折扣，鑒于這種情況，聯系相關人員改變了其采樣時間

　　主要技術指標：

　　實現回轉窯、分解爐控制在線優化, 燒成系統能耗降低，最大可節煤1-5%

　　實現生料磨負荷優化控制，最大可節電5%

　　實現水泥企業綜合能效監控，最大可使企業綜合能耗降低1.5%

　　工藝和質量狀況

　　穩定的分解爐出口溫度，減少了系統溫度忽高忽低的波動，減緩了框架系統的結皮現象。穩定的篦冷機篦下壓力，減少了對二次風溫的影響。兩者均保證了工藝的順暢；工藝的順暢，窯況的穩定，防止了因窯況波動引起的掉窯皮等現象，提高了熟料質量的合格率。

　　煤耗

　　分解爐出口溫度的穩定控制，既降低了窯系統的煤耗，又穩定了窯系統的工藝狀況，使窯工藝狀況更加穩定。通過統計數據對比：投運前粉煤灰用量0.4%時的實物煤耗151.3Kg/t,窯尾喂煤自動控制后粉煤灰用量0.4%時的實物煤耗149.2Kg/t，實物煤耗降低2.1 Kg/t。

　　勞動強度

　　窯尾喂煤自動控制前，中控員需要時時調整分解爐出口溫度，中控員勞動強度大，并且其控制的分解爐出口溫度控制的波動范圍較大。窯尾喂煤自動控制后，分解爐出口溫度既不用中控員時時調整，而且自動控制的溫度波動變小，這樣不但保證了窯系統的穩定，又大大減輕了中控員和現場巡檢工的勞動強度。同時，中控員在寬松環境下，可進一步關注系統的整體工況與操作優化。

　　示范應用單位經濟效益：

　　濟南世紀創新水泥有限公司：直接節煤節電效益：362.37萬元

　　平陰山水水泥有限公司：直接節煤效益：1085萬元

　　項目部分成果推廣多家水泥企業

　　社會效益：

　　低碳減排

　　降低工人勞動強度

　　清潔生產

　　行業促進

　　提高水泥企業核心競爭力：不僅可以大幅提高我國水泥行業的自動化、信息化水平，實現節能降耗，使我國水泥單產能耗接近國際先進水平。

　　示范作用：而且研究成果可在其它行業推廣應用，對工業鍋爐、窯爐等行業也具有很強的示范帶動作用。

　　提高水泥行業經濟效益：

　　若在全國推廣應用，年可節約原煤： 718.2 萬噸。

　　年增加經濟效益44.5億元。

　　年減少二氧化碳排放1745.2萬噸。