一种水泥生料配料控制系统及方法

摘要

一种水泥生料配料控制系统及方法，系统包括粉磨控制系统、生料自动取样器、在线分析仪和生料质量控制系统，生料自动取样器设置在磨机生料出口处进行磨粉采样并将磨粉样品输送给在线分析仪进行成分分析，在线分析仪将磨粉样品的分析结果发送给生料质量控制系统，生料质量控制系统根据磨粉样品的分析结果和生料目标率值进行自适应调节原料配比，并将调节后的原料配比值发送给粉磨控制系统。本发明通过在线分析仪对生料进行成分分析，并采用矩阵半张量积理论与模糊控制理论根据生料目标率值进行自适应调节原料配比，从而进行实时地、自适应地调节原料配比，降低了生料率值波动性，保证了生料的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水泥生料配料系统及方法，具体地说是一种水 泥生料配料控制系统及方法，属于水泥生产工艺技术领域。

背景技术

水泥生产过程可简要地概括为“两磨一烧”，其中“两磨”指的 是原料粉磨成生料和熟料粉磨成水泥，“一烧”指的是将生料煅烧形 成熟料。整个过程是一个典型的连续过程，前一阶段的质量对后一 环节的质量都有重要影响，而原料粉末成生料是整个水泥生产的首 要环节，生料成分决定了三率值指标是否合格，是保证整个水泥生 产线稳定生产的前提，因此，生料质量控制问题是水泥生产质量得 到保障所亟需解决的问题。目前，国内大部分水泥企业生料质量控 制主要采用传统的离线式分析与调整方法，即化验室人员每间隔一 小时到生料库取样，然后采用荧光分析仪进行成分分析，计算三率 值，中控制操作人员根据化验室的计算结果凭经验进行原料配比的 调整。其缺点是：由于人易疲劳，化验室人员正点取样其时间的准 确度及化验操作的准确度不能保证；其次，中控室操作员凭经验调 整而不是严格计算，其主观性比较大，调整的效果难以保证；另外， 在实际生产过程中，一般情况下原料成分会有波动，有时波动比较 大，根据每小时取样所化验的结果进行调整，生料率值波动会比较 大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种水泥生料配料控制系 统及方法，其能够根据在线分析仪分析的结果实时地、自适应地调 节原料配比，以保证生料的质量。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种水泥生料配料控制系统， 包括粉磨控制系统，其特征是，还包括生料自动取样器、在线分析仪和生料 质量控制系统，所述生料自动取样器设置在磨机生料出口处进行磨粉采样， 并将采样的磨粉样品输送给在线分析仪进行成分分析，所述在线分析仪将磨 粉样品的分析结果发送给生料质量控制系统，所述生料质量控制系统根据磨 粉样品的分析结果和生料目标率值进行自适应调节原料配比，并将调节后的 原料配比值发送给粉磨控制系统。

通过在线分析仪对生料进行成分分析，并利用生料质量控制系统根据生 料目标率值进行自适应调节原料配比，从而进行实时地、自适应地调节原料 配比，降低了生料率值波动性，保证了生料的质量。

优选地，所述生料质量控制系统包括模糊控制器和模糊控制规则库，所 述模糊控制规则库用以根据原材料特点及各个成分对三率值的影响采用相应 的控制规则，所述模糊控制器根据在线分析仪分析的结果选择模糊控制规则 库中相应控制规则来自适应调节原料配比。通过模糊控制器根据在线分析仪 分析的结果选择相应控制规则实时调节原料配比，保证了生料质量的连续稳 定。

优选地，所述粉磨控制系统包括皮带输送机、喂料机、磨机和粉磨控制 主机，所述的皮带输送机、喂料机和磨机顺序连接，所述粉磨控制主机分别 与皮带输送机、喂料机和磨机的控制端相连，所述生料质量控制系统与粉磨 控制主机的控制端相连。生料质量控制系统将调节后原料配比发送给粉磨控 制主机然后由粉磨控制主机按照调节后原料配比控制喂料机进行喂料，在粉 磨控制系统现有功能的基础上实现了原料配比的实时调节，保证了生料的质 量。

本发明还提供了一种水泥生料配料控制方法，利用上述所述的水泥生料 配料控制系统对泥生料的配料进行控制，其特征是，所述方法包括以下步骤：

建立生料质量控制系统的模糊控制规则库，所述模糊控制规则的输入为 目标给定值，输出为输入经过相应的结构矩阵计算得到的配比调节行为；

生料目标率值输入生料质量控制系统；

生料自动取样器进行磨粉采样，并将采样的磨粉样品输送给在线分析仪；

在线分析仪磨粉样品进行化验分析；

将分析结果发送给生料质量控制系统；

生料质量控制系统基于生料目标率值和分析结果采用模糊控制规则计算 新的原料配比值，并将新的原料配比值发送给粉磨控制系统。

首先通过在线分析仪对生料进行成分分析，然后生料质量控制系统根据 生料目标率值采用模糊控制规则进行自适应调节原料配比，并将计算出的新 的原料配比值发送给粉磨控制系统，最后粉磨控制系统按照调节后的原料配 比控制喂料机进行喂料，实现了原料配比的实时调节，降低了生料率值波动 性，保证了生料的质量。

进一步地，所述的模糊控制规则为：

假设有n个输入x₁,…,x_n，m个输出y₁,…,y_m，则其控制规则如下：

R^q:${\mathrm{IF><mn>1</mn>}}_{}={A_1}^q,...,x_n=A_n^q,{\mathrm{THEN><mn>1</mn>}}_{}={B_1}^q,...,y_m=B_m^q$

其中，q＝1,…Q，Q是总的控制规则条数，x_i、y_j分别表示模糊控制器 的输入和输出的语言变量，其取值分别为x_i和y_j的语言值数分别是k_i和s_j，i＝1,…,n、j＝1,…,m。采用模糊控制 规则进行实时调节原料配比，保证了生料质量的连续稳定。

进一步地，所述生料质量控制系统计算新的原料配比值的过程为：首先 利用矩阵半张量积理论将模糊控制规则转化结构矩阵；然后根据分析结果与 生料目标率值确定其差值的语言变量，以半张量积代数形式表达作为模糊控 制规则的输入，最后根据转化后结构矩阵进行计算出新的原料配比值。

进一步地，所述将模糊控制规则转化结构矩阵的过程为：

定义输入变量为：

$x_i={\delta }_{k_i}[1...k_i]$

其中，表示k_i×k_i大小单位矩阵的第一列，i＝1,…,n，依次类推；

定义输出变量为：

$y_j={\delta }_{s_j}[1...s_j]$

其中，表示s_j×s_j大小单位矩阵的第一列，j＝1,…,m，依次类推；

则控制规则为：

R^q:${\mathrm{IF><mn>1</mn>}}_{}={\delta }_{k_1}^{i_1},...,x_n={\delta }_{k_n}^{i_n},{\mathrm{THEN><mn>1</mn>}}_{}={\delta }_{s_1}^{j_1},...,y_m={\delta }_{s_m}^{j_m}$

模糊规则的代数表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=M{}_1\propto x\\ y_2=M{}_2\propto x\\ ·\\ ·\\ ·\\ y_m=M{}_m\propto x\end{array}\right)$

其中，∝表示矩阵半张量积运算；

省略∝后则模糊规则的代数形式可表达为

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=M{}_{1}x\\ y_2=M{}_{2}x\\ ·\\ ·\\ ·\\ y_m=M{}_{m}x\end{array}\right)$

其中，$x={\propto }_{i=1}^n{x}_i={\delta }_{k_1}^{i_1}\propto ...\propto {\delta }_{k_n}^{i_n}={\delta }_k^i,y_j=y_{s_j}^{j_j},$表示k×k单位矩阵的 第i列，n为输入变量的个数，m为输出 变量的个数。

进一步地，当所述生料目标率值为三率值:石灰饱和系数、为硅酸率和 铝氧率时，所述计算新的原料配比值的过程为：首先根据在线分析仪给出的 分析结果利用三率值计算公式计算出三率值实际大小，然后将实际三率值与 目标三率值进行比较确定其差值的语言变量，以半张量积代数形式表达作为 模糊控制规则的输入，最后根据转化后的结构矩阵进行计算得出新的原料配 比值。

本发明采用了基于实际人工调节配比经验的模糊控制规则，并对模糊规 则进行代数化，通过融合矩阵半张量积理论与模糊控制理论并采用多种调整 模式及控制策略来对水泥生料的配料进行仿人控制规则智能化优化控制，保 证了出磨生料成分的稳定性，满足了不同工艺条件下的配料要求，实现了原 料配比的实时调节，降低了生料率值波动性，保证了生料的质量。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的水泥生料配料控制系统通过在线分析仪对生料进行成分分 析，并通过生料质量控制系统根据在线分析仪分析的结果选择相应控制规则 进行自适应调节原料配比，生料质量控制系统将调节后原料配比发送给粉磨 控制主机然后由粉磨控制主机按照调节后原料配比控制喂料机进行喂料，在 粉磨控制系统现有功能的基础上实现了原料配比的实时调节，从而进行实时 地、自适应地调节原料配比，降低了生料率值波动性，保证了生料的质量。

(2)本发明的水泥生料配料控制方法首先通过在线分析仪对生料进行成 分分析，然后生料质量控制系统根据生料目标率值采用模糊控制规则进行自 适应调节原料配比，并将计算出的新的原料配比值发送给粉磨控制系统，最 后粉磨控制系统按照调节后的原料配比控制喂料机进行喂料，实现了原料配 比的实时调节，降低了生料率值波动性，保证了生料质量的连续稳定。并在 计算新的原料配比值的过程中融合了矩阵半张量积理论与模糊控制理论，采 用多种调整模式及控制策略，可以满足不同工艺条件下的配料要求。

(3)本发明的水泥生料配料控制方法采用了基于实际人工调节配比经验 的模糊控制规则，并对模糊规则进行代数化，通过融合矩阵半张量积理论与 模糊控制理论并采用多种调整模式及控制策略来对水泥生料的配料进行仿人 控制规则智能化优化控制，保证了出磨生料成分的稳定性，满足了不同工艺 条件下的配料要求，实现了原料配比的实时调节，降低了生料率值波动性， 保证了生料的质量。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的一种工艺流程示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并 结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同 的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公 开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以 在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚 的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应 当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了 对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种水泥生料配料控制系统，包括粉磨控制系 统、生料自动取样器、在线分析仪和生料质量控制系统，所述生料自动取样 器设置在磨机生料出口处进行磨粉采样，并将采样的磨粉样品输送给在线分 析仪进行成分分析，所述在线分析仪将磨粉样品的分析结果发送给生料质量 控制系统，所述生料质量控制系统根据磨粉样品的分析结果和生料目标率值 进行自适应调节原料配比，并将调节后的原料配比值发送给粉磨控制系统。 通过在线分析仪对生料进行成分分析，并利用生料质量控制系统根据生料目 标率值进行自适应调节原料配比，从而进行实时地、自适应地调节原料配比， 降低了生料率值波动性，保证了生料的质量。

优选地，所述生料质量控制系统包括模糊控制器和模糊控制规则库，所 述模糊控制规则库用以根据原材料特点及各个成分对三率值的影响采用相应 的控制规则，所述模糊控制器根据在线分析仪分析的结果选择模糊控制规则 库中相应控制规则来自适应调节原料配比。通过模糊控制器根据在线分析仪 分析的结果选择相应控制规则实时调节原料配比，保证了生料质量的连续稳 定。

优选地，所述粉磨控制系统包括皮带输送机、喂料机、磨机和粉磨控制 主机，所述的皮带输送机、喂料机和磨机顺序连接，所述粉磨控制主机分别 与皮带输送机、喂料机和磨机的控制端相连，所述生料质量控制系统与粉磨 控制主机的控制端相连。生料质量控制系统将调节后原料配比发送给粉磨控 制主机然后由粉磨控制主机按照调节后原料配比控制喂料机进行喂料，在粉 磨控制系统现有功能的基础上实现了原料配比的实时调节，保证了生料的质 量。

如图2所示，本发明的一种利用上述所述的水泥生料配料控制系统对泥 生料的配料进行控制的水泥生料配料控制方法，它包括以下步骤：

建立生料质量控制系统的模糊控制规则库，所述模糊控制规则的输入为 目标给定值，输出为输入经过相应的结构矩阵计算得到的配比调节行为；

生料目标率值输入生料质量控制系统；

生料自动取样器进行磨粉采样，并将采样的磨粉样品输送给在线分析仪；

在线分析仪磨粉样品进行化验分析；

将分析结果发送给生料质量控制系统；

生料质量控制系统基于生料目标率值和分析结果采用模糊控制规则计算 新的原料配比值，并将新的原料配比值发送给粉磨控制系统。

首先通过在线分析仪对生料进行成分分析，然后生料质量控制系统根据 生料目标率值采用模糊控制规则进行自适应调节原料配比，并将计算出的新 的原料配比值发送给粉磨控制系统，最后粉磨控制系统按照调节后的原料配 比控制喂料机进行喂料，实现了原料配比的实时调节，降低了生料率值波动 性，保证了生料的质量。

进一步地，所述的模糊控制规则为：

假设有n个输入x₁,…,x_n，m个输出y₁,…,y_m，则其控制规则如下：

R^q:${\mathrm{IF><mn>1</mn>}}_{}={A_1}^q,...,x_n=A_n^q,{\mathrm{THEN><mn>1</mn>}}_{}={B_1}^q,...,y_m=B_m^q$

其中，q＝1,…Q，Q是总的控制规则条数，x_i、y_j分别表示模糊控制器 的输入和输出的语言变量，其取值分别为x_i和y_j 的语言值数分别是k_i和s_j，i＝1,…,n、j＝1,…,m。采用模糊控制 规则进行实时调节原料配比，保证了生料质量的连续稳定。

进一步地，所述生料质量控制系统计算新的原料配比值的过程为：首先 利用矩阵半张量积理论将模糊控制规则转化结构矩阵；然后根据分析结果与 生料目标率值确定其差值的语言变量，以半张量积代数形式表达作为模糊控 制规则的输入，最后根据转化后结构矩阵进行计算出新的原料配比值。在计 算新的原料配比值的过程中融合了矩阵半张量积理论与模糊控制理论，采用 多种调整模式及控制策略，可以满足不同工艺条件下的配料要求。

进一步地，所述将模糊控制规则转化结构矩阵的过程为：

定义输入变量为：

$x_i={\delta }_{k_i}[1...k_i]$

其中，表示k_i×k_i大小单位矩阵的第一列，i＝1,…,n，依次类推；

定义输出变量为：

$y_j={\delta }_{s_j}[1...s_j]$

其中，表示s_j×s_j大小单位矩阵的第一列，j＝1,…,m，依次类推；

则控制规则为：

R^q:${\mathrm{IF><mn>1</mn>}}_{}={\delta }_{k_1}^{i_1},...,x_n={\delta }_{k_n}^{i_n},{\mathrm{THEN><mn>1</mn>}}_{}={\delta }_{s_1}^{j_1},...,y_m={\delta }_{s_m}^{j_m}$

模糊规则的代数表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=M{}_1\propto x\\ y_2=M{}_2\propto x\\ ·\\ ·\\ ·\\ y_m=M{}_m\propto x\end{array}\right)$

其中，∝表示矩阵半张量积运算；

省略∝后则模糊规则的代数形式可表达为

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=M{}_{1}x\\ y_2=M{}_{2}x\\ ·\\ ·\\ ·\\ y_m=M{}_{m}x\end{array}\right)$

其中，$x={\propto }_{i=1}^n{x}_i={\delta }_{k_1}^i\propto ...\propto {\delta }_{k_n}^{i_n}={\delta }_k^i,y_j=y_{s_j}^{j_j},$表示k×k单位矩阵的 第i列，n为输入变量的个数，m为输出 变量的个数。

进一步地，当所述生料目标率值为三率值:石灰饱和系数、为硅酸率和 铝氧率时，所述计算新的原料配比值的过程为：首先根据在线分析仪给出的 分析结果利用三率值计算公式计算出三率值实际大小，然后将实际三率值与 目标三率值进行比较确定其差值的语言变量，以半张量积代数形式表达作为 模糊控制规则的输入，最后根据转化后的结构矩阵进行计算得出新的原料配 比值。

本发明采用了基于实际人工调节配比经验的模糊控制规则，并对模糊规 则进行代数化，通过融合矩阵半张量积理论与模糊控制理论并采用多种调整 模式及控制策略来对水泥生料的配料进行仿人控制规则智能化优化控制，保 证了出磨生料成分的稳定性，满足了不同工艺条件下的配料要求，实现了原 料配比的实时调节，降低了生料率值波动性，保证了生料的质量。

如图3所示，下面以模糊控制规则的输入为三率值给定值与通过在线分 析仪分析的四种成份CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃计算得到的实际三率值差值， 输出为相应的调节行为为例，对本发明的水泥生料配料控制方法中几个关键 步骤作进一步阐述。

一、建立生料质量控制系统的模糊控制规则库

所述模糊控制规则的输入为三率值给定值与通过在线分析仪分析的四种 成份CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃计算得到的实际三率值差值，输出为输入经过 相应的结构矩阵计算得到的相应调节行为；

1)三率值的计算公式为

$KH=\frac{C-1.65A-0.35F}{2.8S}$

$SM=\frac{S}{A+F}$

$IM=\frac{A}{F}$

其中，C、S、A、F分别为CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃，KH为石灰饱和 系数、SM为硅酸率、IM为铝氧率。

2)控制规则

根据原材料的特点可知，石灰石对CaO的影响比较大，对其他成分影响 较小，铁尾渣对Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃都有影响，砂岩中SiO₂含量比较多，同 时分析三率值公式发现，Al₂O₃、Fe₂O₃对KH为石灰饱和系数、SM为硅酸率 SM、IM为铝氧率均有影响，控制配比时需将此影响降低，一般此时调节含 Al₂O₃、Fe₂O₃较少的原材料，对不需要控制的率值可通过其他成分的含量增减 来进行补偿；改变石灰石所占配比可对KH实施控制；SM与Fe₂O₃、SiO₂、 Al₂O₃都有关，改变砂岩对SiO₂进行调节，同时适当改变石灰石的配比对KH 进行补偿等。

根据原材料特点及各个成分对三率值的影响给出了基于矩阵半张量积的 模糊控制系统的控制规则，即知识库，如表1所示。

表1生料质量控制系统的控制规则

二、利用矩阵半张量积理论将模糊控制规则转化结构矩阵

根据第一步建立的控制规则，利用矩阵半张量积理论确定该控制系统控 制器的结构矩阵，通过结构矩阵将复杂的模糊推理转化为简单的代数表达式。

1)控制规则的矩阵半张量积代数表达

定义输入变量为：

KH～x₁,SM～x₂,IM～x₃

x₁:

x₂:

x₃:

输出变量为：

石灰石～y₁,硅石～y₂,粘土～y₃,铁尾渣～y₄

y₁:

y₂:

y₃:

y₄:

控制规则如表2所示；

表2生料质量控制系统的控制规则的代数表达形式

输入-输出的矩阵半张量积表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=M_{1}x\\ y_2=M_{2}x\\ y_3=M_{3}x\\ y_4=M_{4}x\end{array}\right)$

其中，M₁、M₂、M₃、M₄分别为相应的结构矩阵。

2)由生料质量控制系统的控制规则表可以计算出四个结构矩阵分别为：

M₁＝d₃[3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1]

M₂＝d₃[2 2 2 1 1 1 1 1 1 3 3 3 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 3 3 2 2 2]

M₃＝d₃[2 1 1 2 1 2 3 2 1 2 1 1 3 2 1 3 3 2 3 2 1 2 3 2 3 3 2]

M₄＝d₃[1 3 2 1 1 3 1 2 2 1 1 2 1 2 3 2 3 3 2 2 3 1 3 3 2 3 3]

三、根据分析结果与生料目标率值计算出新的原料配比值

根据在线分析仪分析的结果自适应调节原料配比，以保证出磨生料成分 的稳定性，确保生料率值(即石灰饱和系数KH、硅酸率SM和铝氧率IM)稳 定在给定范围内。即由在线分析仪实时分析的四种成分利用三率值计算公式 计算出实际三率值，与给定三率值比较，确定是大、小或者适中，作为控制 器的输入，根据第二部确定的结构矩阵可计算得到相应的四种原材料的调节 行为。

采用的三率值分别是石灰饱和系数KH、硅酸率SM和铝氧率IM，对于 某些厂家铝氧率不看重而是看重Fe₂O₃的变化，根据不同的水泥生产需求及要 求的指标建立相应的控制规则库，利用半张量积理论确定相应的结构矩阵。 在实际应用中，只需要要将利用结构矩阵对在线分析仪分析的成分进行分析， 给出相应的调节行为。

假设根据在线分析仪的成分结果计算三率值与给定目标值偏差分表表示 为：KH偏大、SM偏小、IM偏小(即)，利用结 构矩阵可确定相应的调节行为分别为

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=M_{1}x\\ ={\delta }_3\left[333333333222222222111111111\right]{\delta }_3^1{\delta }_3^{\text{3}}{\delta }_3^{\text{3}}\\ \text{=}{\delta }_3^{\text{3}}\end{array}\right)$

即石灰石减小、硅石增加、粘土增加、铁尾渣保持不变，与控制规则表 相对应。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改 进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。