萌新求助，求一个水泥磨系统智能化控制解决方案

荣峰正见（北京）科技有限公司（以下简称荣峰正见）经过多年的技术积累，在流程行业的工业智能应用领域独树一帜，有独到的研究成果。公司的RIDIC system系统平台已经应用在国内20多条生产线，如水泥熟料烧成、污水处理、垃圾发电、锅炉热工等行业和领域。公司的工业智能化控制系统旨在运用最成熟稳定的工程控制逻辑，结合实际生产线优秀的工艺知识，构建实用、适用、稳定的生产控制模型。
RIDIC system系统工作在生产网络环境内，无需连接外部的办公网或互联网，从物理部署上保证生产网络的安全。在不增加设备改造投入的情况下，系统以秒级周期不断侦测工况变化，根据数据计算发出最优化的操作指令，如同一个永远在线的、不知疲惫的优秀操作员。
RIDIC system系统代表着面向流程制造业目前中国最高水平的智能化控制系统。从技术深度、实施周期、扩展能力、创造价值能力、企业应用方法论等多方面、多角度来看，已经在多个领域已经展现了非凡的创造特性，已经为很多企业创造了巨大的价值。
RIDIC system系统面向工艺全流程、全要素系统性优化、无限逼近最优工况的智能化控制系统。不同的行业，解决不同的问题。总体落地方向：稳产、高产、节能、降耗、减排。促进企业精细、精准化生产，创造巨大经济效益。
2 方案目标
用技术创新来提高生产效率、降低生产成本，极大提升企业经济效益。RIDIC system系统结合人工智能控制技术和工艺管理经验，协助企业稳产、节能、降耗、减排，以期达到帮助企业稳定生产工况，减少燃料投放，降低环保成本，提升生产数字化、智能化水平的目标。
本方案宗旨通过RIDIC system系统的实施，让企业在管理水平、利润水平、科技水平、工艺水平、环保水平上有质的飞越。





图2 促进流程生产企业综合实力提升
2.1 解决问题
RIDIC system系统从管理和效益层面提升企业综合实力，减少了水泥生产过程中的物料和能源消耗。智能控制系统提升操作理念，使控制方法更科学合理，使操作流程规范化统一化。同时能带来生产平稳性和效能改进，降低关键运行参数的波动，有效提升生产自动化管理水平，提升各环节产品质量稳定性，使企业生产技术达到国内领先水平。
在工艺技术层面，智能控制系统实时监视磨机、各仓仓位的状态，自动识别异常工况并且自动采取措施，最大程度保证智能控制系统可靠稳定运行。RIDIC system追求的最佳工艺实践，让产线一直处于逼近最优工艺环境。系统主要解决以下工艺问题：
A. 实现了对水泥磨的初磨、终磨两个子系统的闭环控制，同时智能调节循环风机两侧工作负荷平衡，充分发了挥辊压机和磨主机各自的能力和潜力，实现台时最大化；
B. 系统对水泥磨高选频率的智能化控制控制，实现了细度达标又不过度粉磨，调节准确而平稳；
C. 系统根据水泥配料配比变化智能分析粉磨难度，及时调整喂料，并时刻监视磨机振动、中间仓仓重、及各提升机电流、选粉机电流等关键参数实现进一步综合纠偏，起到及时调节稳定负荷的作用，从而使初、终磨子系统维持在高效工作状态；
D. 水泥磨智能控制明显改善了水泥磨系统的工况，使风量、料量、辊压机做功达到一个最佳的平衡状态，提高产品细度合格率。据系统投运后测算，水泥磨智能控制系统降低水泥细度的标准偏差下降10%，平均吨水泥电耗降低1.0 kwh/t以上；
E. 水泥磨智能控制明显地改善水泥质量，有效降低水泥45um筛余的标准偏差由0.97降低到0.75，比表合格率为100%；
F. 水泥磨智能控制能够很好地适应公司生产工况。测试期间，正常工况下系统连续不中断运行至少8小时以上，总体投用率在95%以上；
G. 原料磨智能控制系统将大块的石灰石、煤矸石、铁质原料等粉碎，和配料混合之后进入磨机，对生料磨喂料、循环风机拉风和入磨冷热风阀门进行精细控制。原料磨智能控制系统一方面稳定了粗粉内循环料流；另一方面根据配料配比精细调节研磨温度，使磨机效能充分发挥。原料磨智能控制系统根据实际情况计算和设置运行参数，使得这一大量消耗电能的过程平稳运转，并达到降低电耗2%的实际测试效果，工控人员只需要监控异常工况即可；
H. 原料磨智能控制系统实现了
a) 磨机喂料、选粉机、循环风门自动精细化自动调节
b) 磨机负荷、出口温度优化控制
c) 粉磨细度优化控制
d) 投运率≧95%，波动降低20-40%
I. 原料磨智能控制系统相对于手工控制稳定性提升60%；
J. 使用RIDIC智能控制系统后，显著降低了操作员的操作强度，消除了中控操作员忙乱现象，减少误操作。
2.2 助力企业全面升级





图3 促进流程生产企业技术进化
让企业从人工标准作业流程（SOP）向人工智能作业流程（AIOP）逐步转移，实现技术应用跨时代进步。




图4 提升自控率、有效率、优秀率和生产率
从最早的简单自控率概念，向有效率、优秀率、生产率深化发展，最终让产线产生巨大经济价值。
2.3 构建企业PDCA生产优化平台





图5 迭代提升不断改进
通过RIDIC system系统的实施，企业实现了稳产阶段后，自己本能的具备工艺不断优化技能，让企业经济效益不断更上一层楼！
3 技术
3.1 系统概述
对流程型生产行业来说，稳产即效益。
RIDIC system系统是公司自主设计开发的自适应综合智能控制系统，是一套完整的控制体系，在不改变现有设备的情况下，系统同时监控多个工艺目标的实时数据，同时经过后台持续进行全要素、系统性地优化操控，逐渐逼近各种磨机最佳运转工况。
RIDIC system系统可支持磨机的自动协调运行。在投入智能控制后，中控人员无需干预，只需监视系统时候按既定目标稳定运转即可。同时系统也支持中控人员在自动、手动控制模式之间实时平滑切换。同时系统会将关键指标以图表的形式反馈给中控人员，提供DCS所缺少的，且对生产控制有很大帮助的关键参考数据。
3.2 部署方式
RIDIC system系统在企业内部生产网络中运行，整个系统无需对现有设备进行改造。系统采用标准化的OPC协议与工厂DCS系统进行通讯，系统实时采集800多个生产控制相关点位数据，下达20多种控制指令到DCS，指挥相应的设备协同工作，实现生产工艺的控制目标。整个系统工作在封闭的生产网内，无需与外部网络交换数据。





图6 RIDIC SYSTEM系统部署结构
3.3 预测简介
RIDIC system系统采用线性回归和前馈神经网络技术（RBF）对控制指标进行趋势预测和拟合。典型的RBF（Radial Basis Function）网络由三层组成：一个输入层，一个或多个由RBF神经元组成的RBF层（隐含层），一个由线性神经元组成的输出层。





图7 前馈神经网络对目标进行预测
3.4 主要模型
我公司历经8年时间，运用超聚类、超抽象软件设计思想，逐步在不同的工业智能控制项目开发过程中构建了五个核心控制模型。组合使用这五个控制模型，以及服务于核心模型的各个辅助应用，实现了应用于工业智能控制的机器感知、机器预判、机器推理。解决了生产设备特性随运行时间逐渐变化，又因检修而突然改变，导致模型需要很长时间重新适应的控制难题。为稳定生产、逼近最优工况提供了技术保障。





图8 RIDIC SYSTEM系统组成结构
A. 稳控模型
产线稳控服务。产线每个关键测点，初始化控制边界上下线。在纳入可操控的范围内，针对产线执行机构，计算延迟反馈时间，发送操控指令，达到稳控的目的。稳控的方向、对冲的量值，由其他四个模型分别计算，或者组合后提供给稳控模型。
B. 量差斜率模型
系统服务。如温度、压力等测点值发生向上、向下偏离时，自动计算每分钟、每十分钟、每小时的方向、斜率。这些斜率用于计算系统对冲量值。
C. 补偿模型
系统服务。产线各个部分的生产状态一直动态发生变化，需要发送对冲补偿的基数也是动态的发展，实时计算对冲量的方向、基数，以及使用正在发生的斜率值，计算出实际某个时刻的具体对冲量。
D. 积分模型
系统服务。使用微积分数学算法，实时计算某个时刻当时、未来某个时刻应该对冲的量值趋势方向、对冲量值、权重变化比例关系。
E. 预动模型
系统服务。系统随时计算着可控执行机构范围即将发送的操作指令，只是计算、组织，不发送操作指令，发送操作指令由稳控模型发出。
3.5 控制构成
RIDIC system系统由多个基本控制单元构成，再由基本控制单元按照工艺目标组合成不同智能控制组。每个组可以单独启动、关闭。单元和单元组的划分，既可使模块灵活部署，独立运行，又尽可能地隔离相互之间的影响，优化控制效率。
各业务控制单元和单元组的详细介绍见附录A。
3.6 生产安全
对流程生产企业来说，安全生产在头等大事。RIDIC system系统系统从架构设计开始就注重考虑生产安全和系统高可靠性。

• RIDIC system系统独立在与外部网络物理隔离的企业生产网络内运行，无需与办公网、互联网等进行数据交换，不用担心外部网络故障影响内部生产，也不必担心受到网络攻击、计算机病毒侵入、生产数据泄露等问题；
  
• RIDIC system系统构建在DCS系统之上，所有的控制命令都是通过DCS系统下发，调整数量需要通过DCS系统的安全检查，符合调整范围限定要求；
  
• RIDIC system系统自身提供了丰富的参数，可以根据设备的物理特性和工艺要求，限制调节的许可范围、单次调节幅度和一定时间内的调节频率，与手工控制的规程保持一致，避免出现过度调节的状况；
  
• RIDIC system系统部署后会一直在后台对当前生产运行状况进行监控和计算，既能提供对生产控制有帮助的辅助信息，又能避免突然接手产线控制时对产线造成冲击；
  
• RIDIC system系统有独立的算法对极端工况进行预警，及时提醒中控人员；
  
• RIDIC system系统将各控制单元结合到DCS控制界面中，控制运行简单方便。中控人员可以根据运行状况，随时平滑地在智能控制和手工控制之间切换。
  
  

3.7 与DCS系统的关系
RIDIC system系统是构建在DCS系统之上的智能自控系统，相当于DCS系统的扩展和外挂。一方面，RIDIC system系统通过OPC协议，RIDIC system向DCS系统发设备操作指令。另一方面，RIDIC system 系统通过OPC协议，获取设备参数状态信息集合。
4 实施
4.1 工期安排
单磨机2-3周
4.2 相关人员
RIDIC system自适应综合控制系统的调试运行需要相关人员进行以下工作的配合
 工艺专家：了解工艺流程和工艺标准
 中控人员：学习操作手法以及控制规律
 DCS工程师：提供所需设备位号，在DCS控制界面实现系统的控制集成
4.3 设备要求
 数据分发服务器1台
a) 用于从DCS系统中采集生产相关的数据，并分发给指定的自控服务器
b) 从自控服务器接收控制指令，通过OPC协议发送到DCS系统
 智能控制服务器1台
通过向DCS系统发送控制指令和接受反馈数据。
 服务器接入生产网络所需的网线、交换机等。
4.4 交付周期
RIDIC system自适应综合控制系统总体交付周期为60天左右，视实际实施的控制单元内容有所调整。如涉及非常见设备，需订制开发，时间会相应延长。
实施交付按不同的控制单元进行，每个控制单元的周期和工作内容如下：
 方案设计： 工艺沟通，学习最优秀中控人员控制经验
 系统配置： 完成数据采集模块的部署和初始设置
 调试学习： 系统综合调试、优化和完善配置，系统需要不断学习
 上线调优： 系统试运行、培训中控人员、持续学习/优化/完善
需要持续与优秀操作人员交流，调整，这个阶段耗时一般比较长
 正式运行： 公司定期进行巡检，及时配合生产运营部门进行优化调整
包括：工艺设备调整、控制目标改变、控制策略优化、重大系统升级
4.5 实施方法
实施方式对保证项目试运行成功也非常关键，建议做到以下三点：1.需要各位领导大力支持，相关同事积极配合；2.根据需要，单点切入，稳中求胜；3.快速迭代，不断优化。
在项目具体实施过程中，计划采用PDCA四个步骤层层推进：
Plan: 计划阶段，准确的说是共创阶段，也是最重要的一个阶段。相关部门领导与调试工程师共同探讨智能控制使用场景，进行可行性评估、目标设定、验收标准以及协作流程。
Do: 实施阶段，是工作量最大的一个阶段。调试工程师与厂方工艺专家一起，合理选取垃圾焚烧发电过程中涉及到的生产数据，锁定关键参数。接下来通过数据建模，并将历史数据提供给模型进行模型训练，同时结合工艺专家经验，实现最优控制组合。
Check: 检验阶段，可能是耗时最长的阶段。根据智能控制模型发出的操作指令，观察对产线设备实际控制效果，检验算法，并根据结果对模型做反复迭代，进一步优化参数配置。
Action: 行动阶段，为下一个循环做准备。当智能化控制单元能够实时、准确处理各种工况，稳定控制燃烧过程后，在一线中控人员的监控下上线投入实际运行。再对长时间的自控运行结果与历史数据进行不断比对，检查能否达到经济性、稳定性等更高层面的目标，为下一个PDCA迭代做好准备。
6 控制说明
6.1 磨机系统控制单元简述
作为一个平台化产品工具体系，RIDIC system在工业自动控制领域要发挥重要作用,就必须和最先进的设备及工艺理念、操作手法相配合。实际生产情况是每条生产线或多或少均有其特殊性，不能简单根据历史经验进行定式思维。工艺理念一定要和理论专家学习，也要和生产一线的实操专家结合才能将一条具体的生产线的自控效果优化到极致。虽然我们的产品从架构设计思路上能够普适各种工艺理念和操作手法经验，但下面还是简单谈一下我们对水泥磨工艺的一点浅薄认知。
6.1.1 粒度控制器和初选选粉机控制器
目标要求：
使水泥的45μm筛余量和比表面积控制在一个合理的水平上，可限制3μm以下和45μm以上的颗粒，以此获得良好的水泥性能和较低的生产成本。45μm粒度控制器通过在线激光粒度仪<45μm颗粒占比例来控制选粉机，达到水泥粒度控制的最佳效果。
粒度控制器是水泥磨专家智能控制的核心控制器，主要依托在线粒度仪实时测量的粒度数据，实现对选粉机频率设置实时控制。
工艺理解：
可以把粒度达标有效率作为保障质量的核心依据，在粒度达标的前提下尽可能的放宽筛余量以实现电耗最优的目标。
在这个问题上，我们提倡的有效率概念可以衍化为实现<45μm（具体数值可以根据工艺情况变化而调整）并接近45μm的颗粒占比的统计结果作为实际有效率的计算依据，来评价自控效果的好坏。
此外高标号水泥的主要质量标准一般采用比表面积而非细度，比表面积的化验结果相比细度有可能需要更长的时间才能够得出。因此，从控制机制上本方案将提供手工输入或标准程序级接口来接收化验的比表面积数据，并针对比表面积数值和历史上的粒度数据（考虑到化验延时的问题）拟合一个数学模型。一方面根据比表面积的数据来确定合理的粒度控制标准，另一方面根据实时的粒度数据控制筛余，综合实现最优控制。
在上述目标达成并确保其持续稳定运行之后，未来还可以把熟料的易磨性、水泥配料和水泥电耗进行综合考虑形成更先进更全面的控制模型。
6.1.2 水泥磨负荷优化控制器
目标要求：
循环风机的转速决定了进入水泥磨物料的多少，而出磨提升机电流能够很好的反映磨机内的负荷状态。该控制器通过出磨提升机电流控制循环风机转速，实现对水泥磨磨内的负荷进行控制。
工艺理解：
水泥磨作为大型磨机设备，其工作负荷稳定在设计能力范围内，有助于延长设备使用寿命并减少故障发生。这个控制器工作原理就是通过控制循环风机频率的增减实现内循环风量及物料的稳定，水泥磨主机电流的稳定，最终实现其工作负荷的稳定。
在这个问题上我们有效率的概念可以衍化为出磨提升机电流中值曲线的波动范围在要求范围内的时间百分比。例如某班次的8小时内，电流中值曲线在正负15A范围内的时间为7小时，则有效率为7/8*100%=87.5%。

• 辊压机喂料仓仓位控制器
  目标要求：
  辊压机喂料仓仓位的控制在水泥联合粉磨系统的安全稳定运行中占着非常重要的作用。辊压机喂料仓仓位控制的主要目的是使进入称重仓的物料与进入辊压机的物料达到一个相对平衡的状态，以便辊压机能够工作在最佳状态并且不会对辊压机造成太大的影响。
  工艺理解：
  水泥生产中的固体物料流量计量秤的称重准确性非常依赖称重仓的仓重，计量称的提供商会在产品说明中详细描述其正常工况下，称重仓的合理仓重范围、以及适用的物料细度、水分等。换言之，称重仓的仓重越稳定，其计量称的测量结果也就越准确。生产中一般会设定计量称的出料量以满足生产所需，而通过控制总喂料量的增减来稳定称重仓的仓重。
  另一方面，当物料粉末较细且湿度较大时，容易在称重仓锥体部位形成陈旧物料堆积的斜坡，进而影响下料稳定。此时增加称重仓仓重控制目标有助于缓解此类特殊工况。
  在此问题上，有效率概念可以衍化为称重仓仓重符合控制预期的时间百分比。
  
  

6.1.3 三风量（出磨风、辊压机选粉机余风、磨尾选粉机余风）控制
目标要求：
依据管磨出口负压、辊压机选粉机出口负压、磨尾选粉机出口负压，系统自动调整出磨风挡板、辊压机选粉机余风挡板、磨尾选粉机余风挡板。系统要保证磨内用风量够的情况下，保证系统内的负压均衡。
工艺理解：
由于本水泥粉磨系统为全封闭式设计，内部负压均衡对内部物料循环量的稳定性也具有重要作用。我们首先要针对正常工况下的辊压机选粉机出口负压、管磨出口负压、磨尾选粉机出口负压等建立梯度递减的数学模型，并以此为依据实现对沿途各余风挡板开度的控制策略，确保系统内部物料循环量的稳定性，最终实现各个相关设备的负载均衡。
在此问题上，首先需要结合工艺确定负压梯度递减模型的合理性，然后评价负压符合模型的时间占比有效率。
6.1.4 辊压机喂料挡板控制器
目标要求：
喂料提升机电流反映辊压机碾压物料的多少，并且喂料提升机电流不能过高，该控制器通过辊压机喂料挡板自动控制可以稳定辊压机滚压物料量，从而稳定辊压质量和产量，并且保证喂料提升机电流不超过一定限制。
工艺理解：
提升机电流反映的提升机的负重和摩擦阻力情况，提升机电流过高对设备使用寿命不利。而稳定的提升机电流则表示提升机运送的物料量稳定，进而对物料后续处理过程的稳定性均有益处。此处的控制要点是通过控制喂料挡板的开度将提升机电流控制稳定在工艺要求边界内，并且要对提升机电流的变化趋势做出预测，在其电流过高的变化趋势发生时，提前控制及时减料彻底杜绝问题发生。
在此问题上，提升机电流符合预期的时间百分比作为有效率的主体，而电流超出预定上限的时间占比进行加倍扣分，综合评定一个有效率指标。
6.1.5 组合式选粉机入口负压控制器
目标要求：
合理的组合式选粉机入口负压控制对于选粉机正常的工作具有重要的意义，本控制器通过控制送风挡板实现将选粉机入口负压稳定在合理的范围内。并通过自动调整组合式选粉机出风口挡板和管磨机进口风挡板，自动调整磨系统内的风压平衡，并兼顾磨机出口温度处于合理范围。
工艺理解：
组合式选粉机入口负压的稳定性代表了入选粉机物料的均匀稳定，符合控制要求对于选粉机筛余的准确性意义重大。
在此问题上我们可以把选粉机入口负压中值在合理范围内的时间占比做为有效率的依据。
6.1.6 初选选粉机控制器
目标要求：
依托于安装在初选选粉机出口斜槽上的在线粒度分析仪，自动调整初选选粉机的转速，及时将辊压机辊压后的合格物料选出，避免过粉磨。
工艺理解：
此条与第一条需求为配合工作，此处就不另行说明了。
6.1.7 水泥磨系统目标值决策器
目标要求：
水泥粉磨整体系统的合理控制，对水泥的粒度精准选择、系统稳定、优化产能启动关键性作用。在生产不同产品时，需要系统自动完成对每个控制器目标值的自动决策和优化，使智能专家系统以最短的时间完成品种转换控制，进而缩短因品种转换带来的系统不稳定的时间。使水泥粒度达到合格成品的要求，最终达到稳定系统、降低能耗的目的。
工艺理解：
RIDIC system主要实现为工艺知识的接收者，操作行为的执行者。我们平台在工艺机器人部分支持各类工艺决策知识的灌输，通过各种定性、定量模型来推演最合理的控制目标，并跟踪实际控制效果不断进行目标的微调，最终实现逼近最优控制。
 
6.2 实施角色与分工
6.2.1 中控室操作人员
① 依照公司运行规程及其它相关规定，根据现场情况运行自适应综合控制系统。在自适应综合控制系统投入过程中，监视系统运行情况和相关工艺指标
② 在系统正常工况下，保持自适应综合控制系统运行状态
③ 在已出现或根据趋势判断即将出现异常情况时，联系调试工程师暂时自适应综合控制系统，改为手动调节，直至恢复正常工况
④ 记录停止运行原因
6.2.2 DCS工程师
① 协助确定获取生产数据的位号
② 增加智能控制指令写入位号
③ 确保在DCS系统内所做修改不影响产线的正常运转
④ 在DCS中实现手动/自动的切换逻辑
⑤ 在DCS控制界面内集成自适应综合控制系统的操作界面
6.2.3 调试工程师
① 将设备相关位号添加至自适应综合控制系统中，并验证采集数据的准确性
② 在系统中根据生产工艺要求和目标进行相应的参数配置
③ 跟踪采集数据以及控制指令，验证控制逻辑是否正常，反馈数据是否准确
④ 调试期间全程值守
⑤ 参与交接班会议，明确告知当值操作人员注意事项，详细讲解智能控制工作原理
⑥ 全程监控自适应综合控制系统实时运行数据，确保其保持在合理范围，并在需要时及时提醒中控室操作员并暂停运行自适应综合控制系统，及时进行异常原因分析和系统参数调整
⑦ 在中控室操作人员手动恢复正常工况，且自适应综合控制系统参数调整完成后，重新启动自适应综合控制系统，并填写智能控制系统启停记录表
6.2.4 注意事项
统筹规划生产与调试之间的矛盾，避免在调试过程中对生产的影响。如无特殊需要，尽量在生产工况稳定的情况下投入系统调试。
合理安排系统调试时间。调试前与中控当值小组充分沟通，调试中实时观察生产运行状态，调试完成后及时总结。