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碳素厂阳极焙烧鲁棒多变量预估优化控制系统开发应用

【论文摘要】通过对瑞士R&D公司和法国SATROOM公司的燃烧系统进行了充分的研究，将两者的优势融合在了一起。结合公司的软件和工控技术人员多年的控制经验和东海铝业公司技术人员的共同努力，采用了先进的鲁棒、预估、优化、自适应(自学习)等原理，研制了一套新型阳极焙烧鲁棒多变量预估优化自动控制系统。系统对焙烧炉预热区和焙烧区各炉箱、火道的温度和负压进行了有效的协同控制，使其在工艺要求的升温曲线和负压范围内对料箱中的碳块进行预热、焙烧、冷却。焙烧炉燃气自动化控制的研制，全系统运行正常，该技术先进可靠，达国际先进水平。采用该技术生产的炭阳极产品质量稳定，理化指标合格，完全满足用户的要求，为企业创造了显著的经济效益，有着非常好的推广价值。

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1. 项目简介 　　山东龙口东海铝业碳素厂三期碳素环式焙烧炉两座，其中54室9火道8料箱一座，另一座为36室8火道7料箱。共有5个燃烧系统，燃料为天然气。项目界定范围为：54室阳极焙烧自控项目的检测设备（除热电偶）和控制设备，及相关控制设备安装架和控制柜，控制系统的集成，控制系统的开发，调试和投运。36室阳极焙烧自控项目的检测设备（除热电偶）和控制设备，及相关控制设备安装架和控制柜，控制系统的集成，控制系统的开发，调试和投运。 2. 控制原理 ☆ 根据工艺特点进行系统模型辨识，采用辨识出的控制模型满足产品生产的控制要求。 ☆ 按照温度的目标曲线进行控制，是阳极块的实际焙烧升温曲线在温差允许的范围内进行升温。 ☆ 温度升温曲线分为五个曲线段：排烟架温升曲线段、负压架温升曲线段、燃烧1架温升曲线段、燃烧2架温升曲线段和燃烧3架温升曲线段。 3. 控制目标 1) 能够安全可靠运行； 2）能够完成正常自动控制功能； 3）生产出合格率高的产品； 4）能够节约燃料 5） 性能超过国内开发同类控制系统； 6）能够达到R&D的控制技术水平； 7）性能最后争取超过R&D的控制系统； 4. 控制系统软硬件组成 ☆ 控制系统构成： 　　控制系统分为主机操作管理系统和现场就地控制站，系统分为三层网络，第一层为现场操作控制站，主要功能是温度监测、控制燃气电磁阀开关频率和排烟调节门开度、向主调节站传输全部数据和接受主调节站传输数据、处理现场数据对主要数据进行连锁控制等；还可以选择各种操作模式，人工式和自动式。第二层为主控室调节操作站，集中显示焙烧过程中所有可视化信息，包括操作模式、设定点值、报警值、火焰系统运行位置状态、变量和命令，可对报警、火焰移动、操作模式等进行管理；第三层为高级管理站和数据库管理站，可生成历史报表、存储历史记录、对系统突发事件进行处理等。见图1 ☆ 硬件：采用AB PLC 的SCL500系列 显示屏为AB公司 燃气烧嘴为R&D公司的产品 服务器为DELL品牌 负压插板阀为德国的 检测设备为国产 ☆ 软件： 操作系统采用windows2000 sever 监控软件自主开发 数学模型和控制器采用动态数据连接库 5. 控制方案确定 由于阳极焙烧炉的工艺和控制目标的要求，很难采用常规控制方案完成控制要求和控制目标。 •确定的控制算法 采用系统辨识方式确定控制模型，采用先进的多变量预估、优化、动态自适应算法，控制器具有鲁棒性。 每个设备（各个架体）的每个火道采用单独一套算法 •确定控制方案 采用恰当的约束搭建算法控制器结构满足控制性能要求在保证负压安全可靠前提下，尽量调整燃烧架、排烟架和负压测量架靠近其段的温升曲线解决移炉后正常控制问题 6. 控制算法开发 ☆ 系统辨识控制模型 • 数据来源：对二期阳极焙烧进行数据记录。（加上采用二期阳极焙烧数据回归模型作为经验编制为自学习控制方案） • 数据内容：负压历史数据，燃料阀开关时间和流量，火道温度，料箱温度 • 数据回归：对数据进行相关联非线性或线性回归，找出相关关系数学模型 ☆ 数学建模采用的方法 建模基本上采用系统辨识法： • 对于一种从输入、输出的数据出发建立对象数学模型的演算方法即系统辨识方法。 火道温度由燃料供应量、负压决定的。给定当前及过去各个时刻的温度、燃料供应量、目标温度、以及下一个时刻的目标温度，如何增加、减少燃料供应量，以便使下一时刻的温度与目标温度相同。 • 产品加工的目标温升曲线（28小时的加工周期）   ☆ 各个焙烧架的目标温度和实际温度、燃油脉冲阀门占空比、负压变量关联关系分析。 ☆ 排烟架、负压测量架的目标温度、实际温度，负压及阀门开度变量的关系。 ☆ 控制器算法数量 • 燃烧架：几个火道既有几套算法。 其中每个算法要求包含有：预估算法 控制算法 优化算法 自适应 • 排烟架和负压架：几个火道既有几套算法。 其中每个算法要求包含有：预估算法 控制算法 优化算法 自适应 ☆ 模型辨识是科学处理和艺术加工过程 • 模型辨识过程要科学的尊重工艺过程本身的特点和要求，完成控制目的为根本。 • 控制模型的艺术本身是修正和处理模型使之达到控制的最优化的目的，也就是说在遵从科学的基础上，使控制效果达到控制器所能实现控制功能相对极限。 7. 控制器结构 ☆ 排烟架和负压架的某个火道控制器结构示意图例   ☆ 燃烧架某个火道控制器结构示意图例。   ☆ 控制器的控制参数约束 1) 控制器的控制周期（运算输出周期）约束； 2） 控制器的输出改变周期, 即调整周期约束； 3） 控制器的优化因子约束； 4） 控制偏差约束； 5） 控制器输出限制； 6） 控制器具有防积分饱和功能 7） 控制器相关参数和系数的约束； 8） 控制器的相关系数的修正约束； 9） 输入数据限制值 10） 采样时间约束 8. 控制系统实现功能 8.1 控制器实现功能 ☆ 在温差允许的条件下，按照目标温度升温曲线自动完成各个火道的温度的控制，每个火道具有单独控制器。 ☆ 在线完成控制数学模型的辨识和修正。 ☆ 在线完成实际温度的预估，并参与控制策略。 ☆ 在线完成优化算法的辨识和修正。 ☆ 测试功能具有在线和离线测试功能，并能够绘制预估和实际温升曲线。 ☆ 控制器为智能控制器，具有数据有效性的识别、处理和信息通知功能。 ☆ 控制器的控制参数具有人工和自动在线修改功能。 ☆ 控制模式 AUTO：按照一定的条件自动投入每个火道控制器。 条件不具备时，手动确认某个火道控制器投入和停止。 MAN：手动投入和停止每个火道的控制器。 对于测试功能分为离线和在线两种状态，分别具有投入和停止功能。 ☆ 通讯故障控制器处理 通讯故障时：应能够停止控制器，同时停止所有的控制器的功能。此时保证控制器的最后一个好值。 通讯恢复时：应该先读取现场各个架的所有当时的数据，在投运各个火道的控制器。 ☆ 数据故障处理功能，错误数据处理。 控制器具有数据识别功能，保证模型的正确性，剔除无效或错误数据；同时要通知相关接口，不在线修改控制相关的控制参数和模型。 ☆ 数据限幅功能，溢出处理，梯度变化（变化率）限制 控制器应该对控制器所有输入、输出及相关联的变量进行限幅和故障处理。 ☆ 控制器对于各个架的移位进行确认和识别的功能，每个火道数学模型切换。 ☆ 控制器的界面应能够完成所有控制器参数的人工修改功能（除核心技术外）。 ☆ 能够完成不同温升曲线，适应性非常强大。 8.2上位机实现功能 ☆ 实现各个架体的棒图和数据的显示界面。 ☆ 实现各个燃烧架的脉冲阀的手动调节占空比的调节界面。 ☆ 实现排烟架的负压阀门的手动调节的界面。 ☆ 实现目标曲线的五段区，可随时更改五段曲线组合，并能够随时更改各个段的目标数据的界面。（制作成智能的可随时改变曲线的总时间和各个时刻的目标值。 ☆ 实现多变量预估优化控制器的界面的制作，完成控制器的控制周期的调整，完成控制参数的随时修改功能。 ☆ 具有显示控制器的预估和实际温度变化的趋势曲线的界面。 ☆ 具有历史数据的记录的功能和历史趋势功能。 ☆ 具有各个架体的所有数据显示的功能。 ☆ 具有移架和控制投入及停止等状态确认的功能界面。 ☆ 上位机、显示屏及PLC具有时钟同步功能，完成相同加工时间内的控制功能。 ☆ 具有负压、燃油压力低及正常生产时安全控制保障的界面，便于修改和完善控制安全。 9. 控制系统安全及控制策略 ☆ 焙烧炉各个火道的负压采用上下限的控制方式（阈值控制），在安全限内进行调节。 ☆ 在安全限内调节负压使排烟架和负压架按一定的权重满足温升曲线。 ☆ 是负压尽量靠近安全下限，是挥发份尽量完全燃烧，从而达到节省燃料的目的。 ☆ 要求对于天然气的燃料进行压力控制，使燃气压力尽量稳定，压力达到底限切断燃气防止回火。 ☆ 火道负压低于安全限时切断燃料。 ☆ 对温度输入进行输入处理，出现故障时（如热电偶或热阻断），底层程序保持输出，维持燃烧系统正常运行。 10. 控制系统投运和停止 ☆ 在控制系统调试过程中，在调试功能界面的每个火道控制器（燃烧架、负压架和排烟架）单独投运和停止。 ☆ 调试完成后，调试功能界面只有通过培训的工程师才能进入该界面即通过输入特定密码进行进入 ☆ 正常生产过程中系统地投运是控制器整体运行和停止。 ☆ 紧急停运控制器，在非安全条件出现后。只有消除非安全条件后，才能正常投运控制器。 11. 控制系统的模拟实验和测试的效果对比 ☆ 模拟实验与R&D的控制效果进行比较 表1 第1燃烧架   表2第2燃烧架   表（3.2）第3燃烧架   ☆ 与R&D控制曲线和控制算法模拟效果曲线比较       ☆ 算法测试数据效果对应表   6月5日15点30分算法测试结果曲线   6月4日8点41分测试结果曲线     12. 控制系统的优势 ☆ 具有鲁棒性，由于在线进行预估和数学模型的辨识，对于火道的干扰其它因素进行动态修正控制模型的相关系数，所以控制系统控制相对稳定，具有鲁棒性。 ☆ 具有预估功能，对于某室的火道温度基于燃料开度预测下一个时刻或几个时刻温度变化的趋势和幅度的能力。 ☆ 具有智能控制功能，对于每个不同的火道、不同时期、热量不同的损失率具有在线进行数学模型的系数的修正，满足控制系统的不同干扰情况下的自动控制的要求。 ☆ 具有优化控制功能，对于某个目标温度曲线，控制实际温度尽量靠近目标温度曲线，使其余差最小，而使用的燃料最小，而且不使控制系统振荡。 ☆ 具有网络智能识别功能，根据焙烧工艺的特点，排烟架、负压架和燃烧架在加工完成一个周期后，进行移架下一套炉室进行下一个周期的产品加工，能够识别某个架体，满足控制目的的需要。其中进行数学模型的切换和相应的变量和显示的识别。 ☆ 具有多种控制模式，为了保证系统长满优的控制使用，采用自动，手动和软手动等多种控制模式，每个火道具有单独成套控制模式。 ☆ 具有测试功能，能够完成在烘炉期间到正常的自动控制的功能，可以进行在线和离线的测试，完成模型的进一步的精确修正，在烘炉时，完成离线预估和控制效果的评估。同时进行控制参数的初始化。完成在线的参数的预估和预估曲线的绘制 13. 控制系统在技术突破点 ☆ 国内虽然有阳极焙烧的数学模型的理论研究论文，却没有采用模型辨识的方法确定控制算法。 ☆ 国内已经投用的系统没有采用预估方法实现控制的。 ☆ 控制模型能够在线自适应（自学习）完成回归，找到相应火道最佳控制器的参数及因子。 ☆ 控制方法优于国外同类技术。 ☆ 控制系统具有鲁棒性。 ☆ 具有“智能控制系统”的一些特性。 14. 控制系统性能特点 ☆ 采用集中分散式控制模式，可实现远程、离线、手动三种操作模式，在出现通讯故障时，系统仍然能够正常工作，提高了系统的运行可靠性。 ☆ 采用安全故障联锁，当出现故障时，能马上切断燃气供应，保证生产安全。 ☆ 沥青挥发份全部燃烧，大大减少了燃料的消耗和对大气的污染物。 ☆ 采用闸板式火道调节，准确调整火道负压。 ☆ 容错性：对复杂系统（如非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等）能进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。 ☆ 多模态性：定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制. ☆ 全局性：从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系统。 ☆ 混合模型和混合计算：对象是以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混 合控制过程，人的智能在控制中起着协调作用，系统在信息处理上既有数学运算，又有逻辑和知识推理。 ☆ 学习和联想记忆能力：对一个过程或未知环境所提供的信息，系统具有进行识别记忆、学习，并利用积累的经验进一步改善系统的性能和能力。 ☆ 动态自适应性：对外界环境变化及不确定性的出现，系统具有修正或重构自身结构和参数的能力。 ☆ 组织协调能力：对于复杂任务和分散的传感信息，系统具有自组织和协调能力，体现出系统的主动性和灵活性。 15. 结束语 　　系统采用鲁棒多变量预估优化自适应控制系统，对焙烧炉预热区和焙烧区各炉箱、火道的温度和负压进行了有效的协同控制，使其在工艺要求的升温曲线和负压范围内对料箱中的碳块进行预热、焙烧、冷却，对焙烧过程进行记录、存储、管理、优化控制；并具有全部程序数据输出，如动态工艺流程图、趋势图、棒图、报警及事故追忆画面，声觉提示等功能。该系统精度高、炉内温度、压力分布均匀，某些控制指标已超过国外同类产品。 参考文献： ［1］马学增等 & 非线性液位控制系统的应用& 石油化工自动化，2001，1：33-36 ［2］马学增等 & 先进控制在重油催化裂化装置的应用& 石油化工自动化，2001，5，：17-22

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