本文介绍了先进的DCS系统在湿磨干烧水泥生产线中的应用及实现生产过程实时监控的软硬件总体方案，并提出了一种具有自学习、前馈功能的智能控制算法在DCS系统中的具体实现。
［关键词］DCS；湿磨干烧；水泥回转窑；多值逻辑；分解炉
1 引言
目前，我国水泥工业多数工厂采用传统湿法水泥生产线，设备落后，生产效率不高，自动化程度低，能耗大，环保问题严重；全干法水泥生产线，一次性投资过大，难以符合我国国情。湿磨干烧水泥生产线吸取湿法、干法二者的优点，在传统的水泥行业改造方面有很好的发展前景。
我们采用Honeywell C200型DCSPlantScape系统研制开发了浙江某水泥厂湿磨干烧水泥生产线自动控制系统，并在此基础上利用底层具有运算功能的控制器，实现了具有自学习、前馈功能的智能控制算法，并成功用于实际生产过程中，取得显著的经济效益。
2 湿磨干烧生产线自动控制系统
2．1 DCSPlantScape系统简介
PlactScape C200型DCS系统是美国Honeywell公司新推出的一套功能完备、技术先进DCS系统。它的软件开发系统由Display Build、Control Build和Quick Build构成。Display Build用于开发操作站控制界面；Control Build用于编制设备控制程序，下载到底层控制器对现场设备进行控制；Quick Build用于系统管理组态。
由于系统提供了较为丰富的图库，用DisplayBuild开发的用户界面简洁、实用美观、立体感强，并支持动态图象功能。与传统的梯形图相比，ControlBuild采用最先进的功能逻辑图形式，组态功能强大，操作与调试简便。该系统可靠性高，软件具有很强的自诊断、冗余、校验、互锁、纠错等功能，通讯设备检错、容错能力强；扩展性好，标准化的网络TCP／IP协议和ACCESS数据库利于系统高层互连；开放的网络Client／Server结构，支持系统远程工程、冗余服务器，网络动态数据交换（DDE），强大的报表功能和通用的数据格式，有利于办公自动化的实现；开放略。
2．2 系统硬件构成与冗余
整个控制系统分为中央控制室和窑头、窑尾两个现场控制站。如图2—1所示。 
其中窑头现场控制站用于控制窑头设备，包括窑头电收尘、蓖冷机、喷煤装置、一次风机等；窑尾控制站用于控制窑尾设备，包括料浆过滤、烘干破碎机、回转窑主传、辅传电机、高温风机、窑尾电收尘、烘干破喷水降温系统等。整个控制系统的规模为714点。
2．3 系统软件设计
在Windows NT4．0平台上，根据工艺、设备的控制要求，我们利用控制组态软件Control Builder开发了窑头，窑尾各设备的CM（Control Module）和SCM（Sequence Control Module）控制模块，包括单机启停、设备组连锁启停、设备互锁、闭环回路控制、重要AI／AO参数监控、设备运行状态监视等。利用Dis－play Builder开发了一系列操作站界面，包括系统总图、窑头工艺流程图、窑尾工艺流程图、烧成窑中、料浆过滤、喂煤系统、窑头窑尾电收尘、辅助翻窑、回路控制等。每幅页面除含有必需的信息之外，还设有快捷按钮，以便实现页面之间的快速切换。
另外，基于PlantScape提供的基本功能，我们还开发了报表打印、历史曲线显示、交接班日记、紧急事件报警、对设备操作或其它操作触发的事件记录等功能。
3 先进控制策略的软件实现
整条生产线有窑头罩负压、窑头喷水、回转窑转速、蓖冷机冲程、分解炉温度等控制回路。通过现场调试，我们发现除分解炉温度外，其它控制回路利用系统提供的常规PID模块即可满足工艺要求。分解炉是一个具有时变、滞后，且严重非线性特点的控制对象，温度要求控制在870±30℃内，温度过高，分解炉出口易出现烧结堵塞现象；温度过低，生料分解不充分，影响水泥质量。采用PID的控制效果很不理想，控制误差有870±50℃，而且经常出现失控现象。实际上，分解炉的温度受诸多因素的影响，其中生料流量、煤粉流量和风量影响最为显著。在产量一定时，风量一般变化不大，但由于在湿磨干烧水泥生产工艺中，生料是以料饼的形式非连续的进入烘干破碎机，从而造成生料流量的波动，成为分解炉温度失控的主要因素。
针对分解炉受控对象的特点，我们采用了多控制器集成的智能控制策略：在分解炉设定值附近用自学习PID控制器；若因大的扰动使温度偏离设定值较大，用多值逻辑控制器；由于分解炉炉中温度能够反映分解炉出口温度变化的趋势，因此取分解炉炉中温度为前馈控制变量，具体实现算法如下：
3．1 自学习PID控制器
取误差e（k）＝Tsp（k）－T1（k）；误差变化量Δe（k）＝e（k）－e（k－1）；二次误差变化量Δ2e（k）＝e（k）－2e（k－1）＋e（k－2）。其中Tsp（k）为分解炉出口温度设定值，T1（k）为分解炉出口温度测量值。有：
w1、w2、w3为归一化权值。利用Hebb－Delta学习规则进行权值修正，
由于PID控制器主要用于进入平稳态后的阶段，取Δu1（k）＝α·u1（k），α为调节速率。
3．2 多值逻辑控制器
将误差e（k）量化为MVLe，多值逻辑控制器的增量算式为： 
3．3 前馈控制器
因炉中温度测点靠近生料入口和煤粉入口，其图3—1 F（t1，t2）和F1（t1）的时序图
图4—1 分解炉出口温度实际控制曲线 图3—2 分解炉温度控制图
温度变化明显超前于出口温度变化，超前时间在1～2min范围内变化。因此，取分解炉炉中温度的变化量对出口温度进行前馈控制。
其中，K3为前馈比例系数，ΔT（k）为分解炉炉中温度变化率。
3．4 集成综合控制器
综合控制器增量输出公式为：
其中F（t1，t2）为大误差标志位，F1（t1）为脉冲标志位，F（t1，t2）、F1（t1）时序如图3—1所示。 
当｜e（k）｜＞3％并持续时间t＞t1后，F（t1，t2）置位为1；t＞t2后，F（t1，t2）复位为0。取F（t1，t2）的上升沿作为标志F1（t1）＝δ（t1）。在F（t1，t2）为0时，自学习PID控制器起作用。Δu1（k）累加到综合控制器输出；在F（t1，t2）为1时，自学习PID控制器不起作用，Δu1（k）＝0。F1（t1）为脉冲，每个脉冲Δu2（k）累加到综合控制器输出一次。喷煤计量装置和分解炉一起作为综合控制器的控制对象。因前馈控制对分解炉炉中温度变化具有抑制作用，故Δu3（k）无论F（t1，t2）和F1（t1）的状态如何，都累加到综合控制器输出。综合控制器框图见图3—2，其中喷煤计量装置为成套设备，其执行机构为一阶惯性环节，带有常规PID控制器。用Control Build编程实现上述算法，利用CM模块形成采样周期和大误差标志等，利用SCM模块进行算法运算。
4 应用效果与结论
在某水泥厂分解炉出口温度控制回路中的实际运行结果表明，采用常规PID控制，温度波动±50℃；采用本文方案，温度波动不超过±30℃。如图4—1所示，设定值Tsp＝870℃，T1为分解炉出口温度实测值，T2为炉中温度，u为控制量。与利用API函数编制用户算法在主服务器上运行相比，该方案克服了采样和控制周期受计算机负荷影响而变化的缺陷，而且不受通讯影响，工作稳定可靠，安全性好。综合控制器手动／自动切换时无扰动。
由于我们开发的湿磨干烧水泥生产线自动控制系统运行可靠，各回路控制精度很好的满足生产工艺的要求，尤其是我们利用系统控制组态软件实现了高级的控制策略，解决了生产实际问题。
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