（动力机械及工程专业论文）基于cmac的球磨机测控系统研究与实现.pdf

摘蟹 摘要 题名：基于c m a c 的球磨机测控系统研究与实现 姓名：朱宏超 导师：于向军 学校：东南大学 正文； 钢球磨煤机足中储式制粉系统的重要环节，目前已广泛应用于火电厂中。但绝大部分中储式制 粉系统并未能达到经济工况运行，一个主要原因就是筒内料位难以测量控制。c m a c ( 小脑模型关 节控制器) 与一般神经网络相比具有收敛迅速、需要样本少等优点。本文首先总体设计球磨机测控 系统，之后通过现场试验将c m a c 用于料位的测控，并解决了工程实现中的若干问题。丰要内容如 下： 1 研究和分析了球磨机动态数学模型，明确球磨机各参数之间的函数关系，特别是料位与各 运行参数之间的关系，为料位软测量模型辅助变量的选择和料位样本值的获得提供了依据。 2 通过列球摩机的机理分析，总体没训球磨机测控系统。测控系统必须与上位机通讯，通过 比较确定了通讯方案。 3 通过大量现场试验，对钢球装载量和钢球配比的测量进行标定；找到了球磨机的最佳钢球 装载量以及试验条件f 最大出力点的运行j ：况；并给出运行过程中在线优化方案。 4 介绍c m a c 原理，针对基本c m a c 算法的不足，从多方面对其进行改进最终编程实现 了c m a c 算法。并将其应用于球磨机料位的软测量与负荷自动控制。 5 将本系统应用于某热电厂，介绍软硬件的具体实现，咀及工程实施中遇到的问题与解决办 法。硬什部分主要包括数据采集系统的选犁与轴振变送器的设计。软件部分主要包括上控 软件的选择、轴承振动信号的采集与处理、1 控软件巾复杂算法的实现、历史库功能的增 强等。 本文紧密结台工程实践，在测量方法、控制方案 l l t 程优化r 均提出了一些新的思想和技术实 现方法，并在丁程中加以验证取得了一些新的突破。 关键词：球磨机；c m a c ；软测量；料位；控制 摘璺 a b s t r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f b a l lm i l lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc m a c n a m e ：z h uh o n g c h a o s u p e r v i s o r ：p r o y ux i a n g j u n s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： a so n eo fi m p o r t a n tp a r t so fp u l v e r i z i n gs y s t e m , b a l lm i l li su s e dw i d e l yi nc o a l f i r e dp o w e rp l a n t s h o w e v e r , m o s tp u l v e r i z i n gs y s t e mc a bn o tb eo p e r a t e de c o n o m i c a l l y o n em a i nr e a s o ni st h a tf i l ll e v e li n b a l lm i l li sh a r d l ym e a s u r e dp r e c i s e l y d i f f e r e n tf r o mo t h e ra n n s ，t h el e a r n i n gv e l o c i t yo fc m a ci sf a r m o l er a p i d t h eb a l lm i l lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di n t h i sp a p e r c m a ci su s e dt o m e a s u r ea n dc o n t r o lf i l ll e v e li nt h i ss y s t e m a n ds o m ep r o b l e m sd u r i n gr e a l i z a t i o na r es o l v e d 1 s t u d i e da n da n a l y z e dd y n a m i cm o d e lo fb a l lm i l l ，a n ds u m m a r i z e df u n c t i o nr e l a t i o n s h i p s b e t w e e no p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n f i l ll e v e la n do t h e r p a r a m e t e r s t h e s el a yas o l i df o u n d a t i o no fi n d e p e n d e n tv a r i a b l e ss e l e c t i o n sa n df i l ll e v e ls a m p l e o b t a i n i n g 2 t h eb a l lm i l lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gm o d e lo fb a l lm i l l t h ec o m m u n i c a t i o np l a nd t t f i n gt h i ss y s t e ma n dd c si sm a d e 3 w i t hal o to fe x p e r i m e n t a t i o n s ，c a l i b r a t e dt h em e a s u r e m e n to fb a l lc o m p o s e m e n ta n dq u a n t i t y ； f o u n dt h eo p t i m i z e db a l lq u a n t i t y t h eo n - l i n eo p t i m i z a t i o np l a ni ss u b m i t t e d 4 i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fc m a c i m p r o v e di t sp e r f o r m a n c ei nv a r i o u sa s p e c t ，a n dr e a l i z e d c m a ca l g o r i t h mb yp r o g r a m m i n g t h ec m a c - p i dc o m b i n ec o n t r o lm e t h o di sa p p f i e di n s o f t - s e u s o r i n ga n dc o n t r o lo f f i l ll e v e l 5 a p p l yt h i ss y s t e mt oap o w e rp l a n t 1 1 1 ec h o o s eo fh a r d w a r ea n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei s i n t r o d u c e d t h et r a n s m i t t e ro f v i b r a t i o ns e n s o ri sd e s i g n e d s o m ep r o b l e m sd u r i n gr e a l i z a t i o na r e s o l v e d ，s u c ha st h ea c q u i r i n go fv i b r a t i o ns i g n a l ，t h er e a l i z a t i o no fc o m p l e xa l g o r i t h mi n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dt h ee n h a n c e m e n to f d a t a b a s e t h i sp a p e ra c h i e v et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ff i l ll e v e lu s i n gs o f t - s e n s o r i n gt e c h n o l o g yb a s e do n c m a c s o m en e wc o n c e p ta n dr e a l i z a t i o nm e t h o da r es u b m i ta n da p p l i e di np r o j e c t k e yw o r d ：b a l lm i l l ；c m a c ；s o f t s e n s o r i n g ；f i l ll e v e l ；c o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也升i 包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名 糖超 日期：2 。o 铲叶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电了文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期| j 的保密论文外，允许：论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的令部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日 期： 抛67 吨。t 呻 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 锅炉的制粉系统是火力发电厂的重要组成部分。其任务是根据锅炉燃烧的要求，磨制出合格的 煤粉，以保证锅炉安全、稳定、经济运行。其中，钢球磨煤机作为中储式制粉系统中的重要环节， 已广泛应用于火电厂中，具有运行可靠、维护简单、适应性强、检修费用低等优点。但同时它也是 耗能较大的设备之一用电量高达厂用电的2 0 左右。 早在1 9 6 3 年，电力部大抓火电厂自动化试点工作时，钢球磨煤机制粉系统自动化就被列为重点 课题。但由于主设备不完善( 即研磨出力、干燥出力、输送出力不相匹配) 、堵煤问题严重、信号和 控制系统维护工作量大、技术手段有限等原因使自动控制投入率不高。1 9 7 5 年，还处在全国大抓电 厂自动化投入率的环境下，虽然钢球磨煤机儿乎全部设计和安装了自动调节设备，其数量约占整个 机组的3 0 左右，但是自动投入率方面很低，以华北电网各厂统计来看，其中煤负荷调节器投入率 为6 4 ，出口温度调节器投入率为4 5 ，入口负压投入率为5 0 。因此。在全国电站中，该系统运 行的最佳自动化的实现成了老大难问题。直至微机在电厂中得到应用后，磨煤机自动化有了一定进 步，但投入率并没有明显提高，乃至于近些年来这部分控制设备不参加电厂自动设备的投入率统计。 总体来看，钢球磨煤机自动化问题仍因对象的复杂性和受到控制手段的限制而不能得到理想的解决。 目前，国内大部分球磨机制粉系统的控制仍然都是由运行人员手动操作完成。长期在手动控制 方式下，经常会导致球磨机满磨、出口温度超温或偏低等许多事故的发生，严重影响了制粉系统的 安全、稳定、环保运行。另外。球磨机制粉系统在手动操作方式下，经常运行于煤位偏低、通风量 偏大工况，致使制粉单耗长期偏高。因此，在保证球磨机制粉系统安全稳定运行的前提下，如何降 低制粉单耗，提高经济效益，就成为火电厂节能降耗的一个关键所在。 对于设各己定型并投运的制粉系统，要降低制粉电耗，必须使磨煤机尽量维持在最佳运行工况。 但是由于磨煤机是一个多变量、非线性、大延迟、大惯性的三入三出的被控对象，再加上原煤水份、 煤质( 挥发份、灰份、可磨性指数等) 的变化，以及钢球、衬板磨损等原因，球磨机不仅特性复杂， 而且缓慢时变，使得对其优化和控制难度很大。因而制粉系统长期处于手动控制状态，制粉单耗大， 经济效益低，工人劳动强度大。多变量耦合、多变量时滞和模型时变特性足钢球磨煤机实现自动控 制的主要困难。解决好制粉系统的自动控制问题，使制粉系统长期运行在最佳经济工况，可以大大 降低电厂的制粉单耗，提高电厂的经济效益；同时提升火电厂制粉系统的自动化水平，降低检修及 运行人员劳动强度，提高劳动效率。同时也为解决同类型的多变量强耦合大惯性的工业过程控制问 题提供一个好的思路。 1 2 球磨机制粉系统料位软测量的现状与发展 1 2 1 球磨机料位测量现状 钢球磨煤机作为中储式制粉系统的主要设备在电力行业广泛应用。球磨机的料位参数是制粉过 程中的一个重要参数之，但是球磨机的多变量、非线性和强耦合等特性使得实现料位参数的监测 难度大、精度低、性能不稳定，自动化程度不高。球磨机料位的控制往往是由操作人员凭经验进行， 控制效果不理想，控制过程不稳定，控制结果受人为冈素的影响较人，使得球磨机不能k 期稳定地 运行在优化区，造成大量能源的浪费。如果能够实时、稳定并且比较准确的监测到筒内的料位参数， 第一苹绪论 则可以根据料位测量结果直接去控制给煤量，把给煤量设计成单回路控制系统，从而使球磨机运行 在最佳工况。 现在，随着对电厂经济性要求的提高，球磨机料位的测量得到越来越多的学者和t 程技术人员 的重视。 1 2 1 1 差压法 到目前为止，差压法是很多厂家用来判定球磨机内料位( 或存煤量) 的方法。球磨机进出口差 压信号在一定程度上能间接反映筒内的存煤量情况，当球磨机正常运行且在其它条件不变的情况下， 磨进出口压差越大，说明筒内存煤量越多，反之磨进出u 压差越小，筒内存煤量越少。但是差压信 号易受其它因素，如通风量、煤质及钢球装载量等的影响，凶此用它来反映存煤量可靠性较差，难 以保证球磨机维持在最佳存煤量运行，导致自动控制系统难以长期投入运行。 1 2 1 2 音频法 音频法川的原理是通过音频传感器或传声器采集音频信号，根据不同的存煤量状态下工作时其 滚筒发出的噪音不同来判断存煤量。经验运行表明当球磨机内存煤量少时，钢球间及钢球与筒体的 撞击机会将增大，发出的声音频率高，声强大：而当存煤量多时，金属间由于有较软的煤屑起着缓 冲作用，发出的声音频率低，声强弱。利用音频信号反映料位的典型系统是陕西天安智能公司的 t c s 2 0 0 球磨机存煤量监控系统，其工作机理是提取能敏感反映煤位高低的声信号特征量( 经带通 滤波后音频信号的有效值) ，来表征存煤量。 浙江大学的吴志敏等经研究发现，对球磨机的声信号进行小波包分解后，随着煤位由高到低变 化，相应的各频道声信号幅度大致由小到大递增，且尤以( 2 5 0 0 3 7 5 0 ) h z 频道的信号变化最显著， 对存煤量变化的灵敏度最高。因此，利用小波变换技术和基于小波变换的多频道分解技术，将该频 道( 2 5 0 0 3 7 5 0 h z ) 的小波包分解信号的能量，用于表征球磨机的存煤量。 音频法从本质上看是振动法的演变，音频信号的起源还是设备的振动。由于音频信号容易受到 周围设各噪声的影响，并且高频振动信号通过空气传播极易衰减，因而从它的投用效果来看，只在 部分球磨机制粉系统上获得了成功的应用。 1 2 3 功率法 功率法即电流法”1 。球磨机电流和料位有一定的关系。如果启动一台空磨，然后缓慢向磨中加 煤，则球磨机工作电流将稳定增加直至最大；如果加煤过量，这时磨筒的重心将向磨筒中心转移， 转动力矩减少，球磨机所消耗功率下降，则工作电流会相应下降。 文献”1 中认为，球磨机从空磨到满磨，球磨机电流变化范围小，且受其它因素影响，故载煤量 难以准确表达。 实践运行证明，球磨机电流是一个非常重要的运行参数，例如南京下关电厂使用球磨机工作电 流作为筒内存煤量的参考，当球磨机工作在自平衡能力区域时，存煤量与电流信号之间基本存在线 性对应关系。此外，在实际运行过程中，还应当考虑钢球装载量的变化：在一定通风量下当球磨 机筒内装载的钢球量减小时，功率消耗将会f 降，球磨机电流随之降低，所以维持稳定合理的钢球 装载晕是十分必要的。在使用过程中，可以通过空磨时的电流变化或最大峰值电流的变化，米判断 是否需要添加钢球，以及人约需要添加多少钢球。 4 2 1 4 气动差压法 使用球磨机简内流动空气差压来反映球磨机存煤量，该方法直接与筒内恶劣的环境接触，并且 该方法不受磨煤机m 力的影响。如图所示，其测量简单说来可以将筒内煤位简化为液面，则球磨机 2 第一章绪论 系统简化为图中系统模型，根据差动测量原理就能 确定风煤比值，当风量一定时，风煤比的大小直接 与筒内存煤量成正比”。 该方法成功地应用在双式球磨机上，磨的两端 对称布置了传压管，连续稳定的低压空气流入传压 管并在管内建立压力，当煤粉部分地“淹没”传压 管探头时，管内压力升高。与基准管压力产生压差， 该压莠信号就可反映存煤量。 安徽省电力公司曾成功开发出气动差压式球磨 机料位测量装置，并应用于双进烈出球磨机制粉系 统上。 图1 1 气动差压法 但是，对于单式球磨机，由于磨的结构不同，传感器易被钢球磨损甚至砸坏、动静部分容易被 物料卡死，或者埋入料层无法测董气压等种种问题，导致不能保证气压差动法的长期准确稳定地检 测筒内存煤量。 1 2 1 5 轴承振动法 轴承振动测量法的原理是：根据球磨机主轴上轴承的振动与磨筒内存煤量之间的某种关系，提 取煤位的特征值，以反映磨筒中的实际煤位。 广东省电力试验研究所的李晓枫等开发了球磨机料位检测仪，其工作流程为：测取振动频率为 0 1 0 k h z 的振动信号，对其进行放大处理：然后滤除包括球磨机的固有振动在内的低频及无效的 高频振动，检测出有效频段内的振动能量；对该频段能量进行积分，将积分值作为表征球磨机存煤 量的特征量，并将该特征量转换为4 2 0 m a 的标准信号送至表头进行显示。对轴承振动法进行研究 的还有华北电力大学的张晓宏、苏杰、常太华等教授。珠海的亚洲仿真科技有限公司从2 0 0 0 年起也 对此方面做了一定的研究，并在不同型号的球磨机上做过一些测试试验。 1 2 1 。6 应变法 应变法“1 主要是将简体简化成分布载荷的简支梁。由于简体内的钢球和煤块的重量作用引起筒 体的变形，且这个变形量和简体内钢球和煤重量成比例关系，如磨煤机内钢球装载量一定，则此变 形量与料位成比例关系。当筒体旋转时，筒体的下表面将始终受拉应力，上表面将始终受压应力， 这个拉压应变量可以通过应变传感器进行直接测量。 但是由于传感器安装在简体上随其转动，因而容易受损，并h 给安装和测量都带来了不便。同时 应力的变化并不是和料位呈单值一一对应关系，还会受钢球装载量的影响。因此，该方法没有被广 泛采用。 1 2 1 7 神经网络软测量 由于单因素测量球磨机料位的局限性，一些学者开始尝试采用智能化的方法进行多传感器数据 融合，实现料位的软测量，其中大多采用了神经网络的方法”“1 ，把能够反映料位的因素联合起来 考虑，作为神经网络的输入。神经网络采用r “黑箱”式结构，在内部机理过于复杂时，可直接通 过输入和输出样本进行训练获得其中的非线性关系，从而获得料位的值。 但是，神经网络的学习需要大量的输入输出样本，大龟输出样本的获得始终是一个难点。文献 【6 基于r b f 神经网络的球磨机负荷的软测量的方法中，输出样本是直接通过振动信号来获得，这 是有局限性的，因为振动信号和料位之间在高负荷时有着强非线性关系，此时的振动信号甚至会反 映不出料位的变化。即使采用试验的方法获得输出样本的数据，其数量也是有限的，并不能满足神 3 第一章绪论 经网络学习的要求。 1 2 2 球磨机料位测量发展趋势 如前所述。料位的测量办法虽然很多，但各种方法的缺点造成其应用的局限性，单纯的采用一 种信号难以实现料位的精确测量。而且料位的测量模型并不是一成不交的，在实际的运行过程中， 煤质、煤种、钢球装载量的变化都会使测量模型参数发生漂移。因此，球磨机料伊监测技术的发展 趋势廊是多因素联合监测，数据融合，运用软测量技术的建立料位的数学模型，实现料位的准确测 量，并能够在运行过科中根据模型误差自动校正模型，实现自适麻。 1 3 球磨机制粉系统控制的现状 国内关于中储式制粉系统的研究主要集中在高校和研究所之间，华北电力大学、东南大学、西 安交通大学、中国电力科学研究院以及各电力中试所是其中比较典型的代表。国外中储式制粉系统 的应用主要集中在俄罗斯，欧美等国家的研究人员主要进行先进控制理论方面的研究1 9 j 【”】。 华北电力大学电科所李遵基教授从9 0 年代中期开始把模糊控制理论引入钢球磨煤机控制，在模 糊控制理论的基础上，以球磨机制粉系统为被控对象，提出了种新型的多变量模糊控制算法，它 由解耦补偿器和白组织模糊控制器组成，并对修正函数和控制规则进行了行之有效的改进，同时为 了更好地表征磨内存煤量，研制了安装在磨前轴承上的拾音式负荷变送器，并且_ 叶j 仿真实验结果验 证了这种方法的可行性和有效性；并且将理论成果应用于上程实际，研究了和某国产d c s 系统的接 l i 问题；随着研究的不断深入，华北电力大学的刘长良等人将模糊控制理论进一步发展，提出了自 适应模糊控制算法和递阶模糊控制算法。解决了模糊控制理论中的稳态控制精度和规则爆炸的问题， 进一步适应工业现场的实际应用”i j ：同时华北电力大学的王东风、宋之平等人对制粉系统的动态数 学模型、解耦算法进行了研究，发表了一系列的文章，井且将神经网络模型、逆系统等先进的控制 思想引入制粉系统的控制过程，取得了一定的成绩“。 东南大学的吕剑虹等人结合南京热电厂5 号机组制粉系统优化控制这一实际控制工程，对中储 式钢球磨煤机制粉系统的相关控制问题进行理论分析和控制策略研究，并根据各被控制过程的具体 特点，分别提出简单、实用的控制方法。对于磨煤机的负荷控制，提出带约束条件的自适应优化控 制方法。既保证了制粉系统的安全运行，又降低了制粉电耗。 两安交通大学的刘齐寿等人以磨煤机出力的数学模型为依据，对磨煤机常规控制的规则进行了 改进，提 f 了将常规控制和具有自学习功能的动态自寻优控制相结合的控制策略，设计了应用 s i e m e n s 可编程控制器( p l c ) 和工业微机相结合的控制系统，并编制了控制和仿真软件。并且通过 仿真实验，验证了所设计的系统及所编制软件的正确性【l “。 中国电力科学研究院的冯健等人以1 0 0 m w 机组中间储仓式铡球磨制粉系统为对象，提出了_ e j 节点流量平衡法来解决非线性模型的耦合问题，通过对制粉系统的流体网络的分析，把空预器及其 连接管道集总为一个动态容秘环节，降低了流体网络非线性模型的耦合度，片j 数值方法建立了制粉 系统的动态数学模型”。 南京工程学院的丁柯柯采用正交设计法制订_ r 中储式制粉系统特性试验方案，同时针对应用实 例论述了极差分析和方差分析两种不同的试验数据分析法对中储式制粉系统运行参数的优化策略 1 5 1 。 湖南省电力试验研究所的刘武林分析了中储式制粉系统磨煤机自动调节中存在的问题，在 3 0 0 m w 机组上用i n f i 9 0 分散控制系统实现了多变量模糊解藕、h d 型模糊控制算法”。湖南省电 力试验研究所的李晓枫通过对梅县电厂5 0 m w 机组2 台球磨机运行特性的分析，采用模糊自适应 控制算法，降低了制粉单耗，取得了明显的经济效益”。 4 第一章绪论 1 4c m a c 网络概述 人工神经网络具有的智能在于它们能够学习过去的经验，并且可以局部的存储新的信息，正是 这两个重要的因素，促使j s a l b u s ”胆0 】口”在1 9 7 5 年建立了小脑模型神经网络理论，c m a c 是小 脑模型关节控制器( c e r e b e l l am o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ) 的简称。该算法基于a l b u s 对小脑功能的 理解，模拟了人脑的操纵控制系统，但是并没有模仿神经基质的结构特征。从每个神经元来看，各 神经元之间是一种线性关系，但是从总体结构来看，c m a c 模型可以适合于种非线性的映射关系， 而且这种模型从输入开始就存在一种泛化能力，相近的输入有相近的输出，不同的输入有不同的输 出。其学习算法采用了简单的6 算法，它的收敛速度比b p 算法快得多，特别是它把一个多维状态 空间中的输入量，映射到一个比较小的有限区域上，只要对多维状态空问中的部分样本进行学习， 就可以达到轨迹学习和控制的目的。作为非线性逼近器，它还对学习数据出现的次序不敏感，更适 合于复杂动态环境f 的非线性实时控制。 c m a c 算法利用了联想记忆和先进的查表技术， ：具有神经网络感知器的特点，所以收敛速度 很快。c m a c 算法被证明可有效地应用于非线性函数逼近、动态系统建模、控制系统的设计等方面。 c m a c 最初用来求解机械手的运动1 2 2 1 ，后来进一步把它应用在机器人行走1 2 3 1 1 2 4 1 、视觉跟踪、 机器人控制运动学 2 6 1 1 2 7 1 、动力学1 2 。1 等中。例如，h u 2 9 增人把c m a c 引入双足行走的机器人控制中， 提高了它的抗十扰性。h w a n g l 3 0 1 等人利用了一个自组织的c m a c 来跟踪在平滑轨道上的三个连接的 机器人。k a r a t 3 q 等将多层的c m a c 应用在机器人的视觉跟踪中，神经控制器的敏感度和精度都得到 提高。c m a c 还可以应用于优化控制”“、模糊控制”等控制领域。 应用研究表明，c m a c 的学习快速性也特别适合在线建模与校正。c m a c 作为逼近器，常常可 以用于建立系统的输入输出模犁。g c i b o r l 3 4 等人通过改善c m a c 的泛化性能，提高了系统建模的 精度，于乃功p 1 等人也把c m a c 应用在c s t r 系统建模中，都取得了较好的应用效果。 球磨机测控系统具备的自学习特性，使得它在长期运行中会自动获取许多料位的样本点，而这 些样本点是无序、海量的。对于这样的系统，c m a c 将是一个很好的函数逼近器。因此本文将c m a c 应用丁：料位的在线自学习，并试图将c m a c 廊_ j 于球磨机的负荷控制。 1 5 论文的主要内容 本文在a l b u s 提出的c m a c 神经网络算法基础上，深入讨论了c m a c 结构及其学习算法，并 对其进行多项改进。本文将c m a c 应用于球磨机测控系统q ，的料位软测量与控制，并给出该球磨机 测控系统的实现方案。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 综述并比较目前国内球磨机料位所应用的测量技术和负荷控制方法深入研究和分析该课 题的背景和研究价值。 2 ) 通过分析球磨机机理，融合振动信号等参数测控球磨机，达到如下功能：指导增添钢球、 给出料位、优化控制。测控系统必须与上位机通讯，通过比较确定了通讯方案。 3 ) 通过空磨试验，对钢球装载量和钢球配比的测量进行标定，以便测控系统今后指导运行人 员增添钢球。通过不同钢球装载量r 的最大出力试验，找到球磨机的最佳钢球装载量。在 最佳钢球装载量下进行全负荷试验，找到摄大出力点的运行工况，为自动控制提供初始给 定值。并给出运行过程中在线优化方案。 4 ) 介绍c m a c ( 小脑模型关节控制器) 原理，针对基本c m a c 算法的不足。从多方面对其进 行改进，并将其应用于球磨机料位的软测量与负荷自动控制。 5 ) 将本系统应用于某热电厂，介绍软硬件的具体实现，以及t 程实施中遇到的问题与解决办 法。硬件部分主要包括数据采集系统的选型与轴振变送器的设计。软件部分主要包括工控 软件的选择、轴承振动信号的采集与处理、工控软件中复杂算法的实现、历史库功能的增 第一章绪论 强等。 以上内容，本文共分六章 第一章： 第二章： 第三章： 第四章： 第五章： 第六章： 绪论。选题背景，球磨机料位测量和控制进展。 球磨机测控系统的总体设计。 球磨机试验与优化。通过现场试验寻找球磨机优化工作区，以便自动控制。 基丁二c m a c 的球磨机料位软测量以及控制方案。 测控系统的工程实现。介绍软硬件的实现。 论文的总结与展望 本文紧密结合工程实践，在测量方法、控制方案和工程优化上均提出了一些新的思想和技术实 现方法，并在工程中加以验证，取得了一些新的突破。本系统经过在现场近半年的考验不论是系 统的稳定运行还是制粉系统的节能降耗，均取得r 较好的成绩。 6 笫一章球磨机测控系统的总体设计 第二章球磨机测控系统的总体设计 2 1 中储式球磨机制粉系统 2 1 1 制粉系统概述 制粉系统是火电厂的重要辅机设备，其任务就是将原煤磨制成符合要求的煤粉供锅炉燃烧。制 粉系统按照结构区别可分为直吹式和中间仓储式两种：直吹式系统是指煤经磨煤机磨成煤粉后直接 吹入炉膛燃烧：而仓储式制粉系统是将磨好的煤粉先储存到煤粉仓巾，然后再根据锅炉运行负荷的 需要从煤粉仓经给粉机送入炉膛中燃烧。 制粉系统选用的磨煤机又可分为以下三种：低速磨煤机，转速为1 5 2 5 r m i n ，如简式钢球磨 煤机；中速磨煤机，转速为5 0 3 0 0 r m i n ，如平盘磨煤机、环球式磨煤机、碗式磨煤机等；高速磨 煤机，转速为7 5 0 1 5 0 0 r m i n ，如风扇磨煤机。国内应用较多的是筒式钢球磨煤机、中速磨煤机和 风扇磨煤机。对于筒式钢球磨煤机，按照它的结构特点，又分为单进单出钢球磨煤机和双进双出钢 球磨煤机。单进单出球磨机国内应用较广泛，而双进双出钢球磨煤机在一些大容量锅炉机组中应用 较多。 本论文的研究对象是中间仓储式的单进单出钢球磨煤机制粉系统。 图2 1 某电厂制粉系统图 7 第二章球跨机测控系统的总体设计 图2 1 是典型的中储式单进单出钢球磨煤机制粉系统图。系统中，煤由原煤斗经过给煤机均匀 地送入磨煤机，经过空气预热器加热的一部分热空气作为干燥剂送入磨煤机对煤进行干燥，同时携 带着磨成的煤粉离开磨煤机进粗粉分离器，把不合格的过粗煤粉分离出来，经回粉管又返回到磨煤 机重新再磨。合格的煤粉被带入细粉分离器，在这里大部分煤粉从干燥剂中分离出米输送至煤仓。 由细粉分离器上部出来的为磨煤乏气，含有约1 0 的极细煤粉。 若将此磨煤乏气作为一次风输送煤粉进入炉膛，称为乏气送粉制粉系统，但当球磨机停用时需要 进行倒风操作，改为热风送粉，球磨机启用时又要切换为乏气送粉。为了稳定燃烧及便于运行管理， 常直接采用热一次风输送煤粉，称为热风送粉制粉系统，此时排粉风机出风部分作为再循环风输往球 磨机入口调节球磨机输送出力，部分作为三次风送往锅炉，中间仓储式系统中，目前以热风送粉居多。 中间仓储式钢球磨煤机制粉系统由于制粉与锅炉负荷没有直接的联系，因而制粉系统可以断续运行。 在系统设计中应首先根据煤质特性确定晟佳钢球装载量；同时易使碾磨出力、输送山力与干燥出力优 化匹配，保证球磨机具有最经济出力，在制粉单耗最小工况下稳定运行；测量与控制应保证系统不堵 磨，磨进口负压、山口温度、进出n 差压在安全范围内。 2 1 2 球磨机的结构与工作原理 图2 2 球磨机结构简图 1 一进料管；2 一主轴承；3 一传动齿轮；4 一转动筒体；5 一出料管；6 一减速器；7 一电动机 球磨机，结构如图2 2 所示， 丰要由进出料装置、主轴承部件、 传动部件、转动部件、减速部件和 电动机等组成。磨煤主体是一个直 径为2 4 ，长3 l o m 的圆筒，筒 内装有大量直径为2 5 6 0 m m 的钢 球滚筒内壁衬装波浪型锰钏衬板， 筒身两端是架在人轴承上的空心轴 颈，电动机经过联轴器减速机及大 齿轮减速传动而带动筒体旋转开始 磨煤，筒一端足热空气与原煤的进 口，另一端是气粉混合物出口。 图2 + 3 球赛机工作原理 l 聪力研磨。j 擎攘研磨、m 冲禹醯碎 第二章球磨机测摔系统的总体设计 近年来通过对球磨机运行的物理过程的研究和试验，我们知道球磨机运行时，钢球和煤块在离 心力和波浪型衬板带( 衬板) 摩擦力作用下被转动的滚筒带到一定高度，然后在自身重力作用下沿 抛物线落f ，磨煤过程包括了压力研磨、摩擦研磨以及冲击破碎的三个过程。冲击破碎作用在球磨 机磨煤过程中是主要的，同时煤还受到钢球间的挤压和研磨、钢球与衬板间的碾压。图2 3 为球磨 机工作原理图，反映运行中的三个过程。磨煤和干燥是同时进行的。一般采用从空预器出来的热空 气作为干燥剂，磨好的煤粉由干燥剂气流从筒内带出送入粗粉分离器进行分离。 2 2 球磨机机理模型 2 2 1 球磨机料位的定义 球磨机筒内存煤量是一个绝对的表述，为了更明确形象的反应在实际运行过程中球磨机筒内剩 余空间和存煤能力，本文在此中引入“料位”的概念：煤量占筒内有效空间的百分比。料位的数学 表达形式为：球磨机简内煤的体积与减去钢球所占容积后的球磨机筒内容积之比，即 三：络 ( 2 1 ) v m | p ?j 式( 2 1 ) 中，l 为筒内料位，；m 。为筒内存煤量，k g ；，) m 为球磨机中煤的密度，k g m 3 ：v 为 球磨机筒内容积，m 3 ；m 。为铡球装载量。蚝；乒k 为钢球本身的密度，k g m 3 。 由于球磨机筒内环境恶劣，筒内运行情况小允许直接进行观测，前苏联曾用数字探头进行筒内 拍照表明：磨煤机内没有明显的空气与煤粉的分界面，煤粉布满了球磨机滚筒的整个横截面，只不 过上淡下浓而已。 本文所说的料位，表征了煤料与空气的“分界面”，它将球磨机滚筒的内腔分隔成制粉系统主空 气流能够通过和不能够通过的两个区域。这个“分界面”实际上是一个带状区域是主空气流能够 通过和不能够通过的过渡区域。 分界区域上边，是煤粉气流的流动空问，空气流输送煤粉，风由磨的入口而来，煤粉的一部分 由运动的钢球从下部夹持到上部，一部分被空气流从_ 卜部吹入上部，同时有粗煤粉落入下部，能够 被风带动的细煤粉和风混合成煤粉气流从磨出口排出。分界的带状区域是流态化的结构流化床。 分界区域下边，是运动着的煤快、煤粉和钢球的混合物料。磨的入口处煤块较多，磨的出l ：= 1 处煤粉 较多，煤粉在轴向旱现出从磨的入 j 到出口细度逐渐变细的分布规律。 下部的煤粉有两个方向的运动，一个是周向的运动，邻近滚筒内壁的煤粉随滚筒旋转，当转动 到一定高度后，不能够被进一步带动而坍塌下来；另有一部分煤粉被钢球夹持进入分界面上部。在 滚筒的横截面上看，分界面r 部的煤粉有一个与磨旋转同方向的环流。另一个是轴向的运动，煤从 入口向出口运动。总体看来磨煤机好像一个旋转的输粉绞龙。 相对于存煤量，料位更能综合反映影响球磨机出力的磨筒内钢球装载量与存煤量的相对关系与 特性，在实际运行过程中可表征磨负荷的高低。 2 2 2 球磨机出力的计算 ( 1 ) 计算出力的计算 b o = 0 1 1 d 2 4 - ”o8 k m k 。y 0 6 s 2 k 品 ( 2 2 ) 9 第一章球磨机测控系统的总体设计 式( 2 2 ) 中，b o 为磨煤机计算出力，t h ；d 为磨筒直径，m ；l 为磨筒长度，m ：n 为磨筒转速 r r a i n ；磁为护甲修f 系数，通常对波形及梯形装甲取1 o ：k m 。为因护甲及钢球磨损使出力降低的 修正系数( 一般取o 9 ) ：妒为钢球装载系数；是为原煤质量换算系数。也就是把水分为矿( 筒 内燃料平均水分) 的磨煤换算成应刚基水分为w 的腺煤重量。k 南为工作燃料u j 腊性糸数。 ( 2 )磨煤出力的计算 b 。= b o k 。k 。，k ，k 咿 ( 2 3 ) 其叶 ，o 为磨出口温度对磨出力影响的修正系数，k ，。为筒内存煤量对磨出力影响的修正系 数，k 为通风量对磨出力影响的修正系数，k 旷为粗粉分离器折向门开度对磨出力影响的修正系 数。 b = z ( f 。) = 瓦e 熹嘉_ 1 。5 ( z 4 ) 1 + 一1 ” 式( 2 4 ) 中t 。为磨煤机出口( 风、粉) 温度，单位。 瑙忐喝( 恚 2 亿s ， 式( 2 5 ) 中k 。= 2 ，k 2 = 1 ，m 。为存煤量，单位k g ，m 。为球磨机最大容许存煤量。 m “= 2 v - m 脚p g q 一，五为修正系数，且o 丑 。j - v h 冷0 2 一 7 、一 i “v 、气 r ： i 。翩m 、- i i - 。“槲洲洲础舢 裂 r 。 h _ 州”f | n 1 f i 0 1 0 0 5 0 0 ；j 0 型 ：譬 2 5 0 羹 2 1 ) o 01 0 0 02 0 0 03 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 0 1 9 ：3 9 ：4 61 9 ：5 6 ：2 52 0 ：1 3 ：0 52 0 ：3 0 ：3 82 0 ：4 7 ：2 42 】：0 ，t ：0 52 1 ：2 0 ：5 72 1 ：3 7 ：4 l 沣：i 肝m 刚隔为ls 图3 73 4 5 吨钢球时的最大出力试验 3 5 最佳钢球装载量下的全负荷试验 接下来，在最佳钢球装载量下做全负荷试验，在每一个工况下稳定足够长的时间，以保证此时 给煤量等于制粉出力，使h j 这些样本点对c m a c 软测量神经网络进行初始训练。由于目前的钢球装 载量l i 经3 5 i t ，超过了最佳钢球装载量，因此让球磨机运行一段时间，待钢球装载量接近最佳值时 进行全负荷试验。根据每天大约6 0 地的磨损晕，于1 0 大后进行试验。试验得到的样本点见4 3 1 节。 3 0 裂籍 ：鹾毒嚣芝 ：譬一一懿戛 舞懋露强甚 册如m 鲫 两舳如烈此鸺m h 埘 o 0 o o o o 0 0 0 o 0 o 0 0 0 0 0 0 5 0 5 o s 2 4 3 2 2 l l 一 谢 翻一一 衢他错帅铺撕舯垢m 0 珊 舯 册娟蛐m 0 箍1 1 f i 磐 馐挈豁 撼豫辱辑溢 燕嚣：嚣霉嚣 第三章球磨机试验与优化 3 6 在线优化方案 由于煤水分与煤的可磨性等外部参数总在不断的变化，优化试验所得到的结果只是在当前工况 下的优化方案，井非一劳永逸地解决了问题。为r 保证球磨机始终工作在较优状态下，必须进行在 线优化。 在线优化采用基于历史的自寻优。在段比较长的时间内( 如数月) ，制粉系统必然会随机地经 历不同的运行j 二况( 包括在必要的时候由控制系统主动地改变运行工况) ，随机地收集数据，对工况 进行分类，从中“提炼”出制粉单耗较低的“工况类”，找到某工况的出现与存煤量之间的关系。当 系统接近某类t 况刚，将该工况下的晟佳存煤量“推荐”给存煤量控制回路作为该回路的设定值， 收集数据与“推荐”是同步进行的。倘若频繁地寻优会使制粉系统长期处于不稳定状态，也许能经 常找到最佳存煤量，但不稳定的运行所造成的制粉单耗的上升将部分抵消甚至超过由此带来的收益。 因此这个“推荐”值也许只是较优而非最优，但必然是较优的且不会造成系统不稳定。简而言之， 基丁历史的在线优化方法的基本思想是：如果在当前外部条什下系统的工况较优，那么当今后再次 h 现类似的外部条件时，应能找回这个曾经出现过的工况。 组成外部条件的因素应具备这样的特性：只有被控对象以外的环境变动才会引起其发生缓慢变 化，且任一因素的变化都会引起j 二况的改变，但组成1 二况的其它过程量的变化却不会引起这些外部 条件因素的波动。目前选择了如f 三个因素组成“外部条件”：煤水份、煤粉磨制能力、可磨系数。 这三个因素中，煤水份和可磨系数完全取决丁制粉系统以外的变化如：天气、煤种、配煤等：煤粉 磨制能力主要与钢球装载量、大小球比例、衬板新旧程度等缓变因素有关，可视作外部条什。 严格地说，工况应该由某一时刻所有能反映系统状态的过程量共同组成，但不可能以这样的要 求来复现“曾经出现过的工况”。我们目前最关注的j 个过程量是：磨内存煤量、磨入口负压、磨出 口温度，已有的执行机构也是围绕着这三个量的调节而设置，其它过程量的波动都会反映到这三个 量上，或者说：当这三个量稳定时，间接地反映了其它过程量也较稳定。因此，在制粉系统中可以 将这j 个量作为代表上况点的特征过程鼍，复现“曾经出现过的工况”只须复现磨内存煤量、磨入 口负压、磨出口温度这三个工程量便可基本复现当时的工况。 基于上述分析，“找回这个曾经出现过的工况”便是通过合适的控制算法将磨内存煤量、麝入口 负压、磨出口温度稳定在同样外部条什下曾经出现过的数值上。 要注意的是，应取工况稳定的时段内的值才是有意义的，但足如何判断一段时间内的工况是否 稳定? 一种可行的方法是：设定一段台理的统计间隔，再给三个特征过程量分别限定一个允许波动 范围和一个超范闱计数器，每当这三个过程量的瞬时值超过各自的允许波动范围时，其对应的计数 器加1 。如果在设定的统计间隔内超范围计数器的计数值超过预设的允许值，则认定该统计间隔内 的_ l 况是不稳定的，即使该统计间隔内的单耗比较低，其间的特征过程量也无保存的必要。 作为在线优化的最终解决办法，可以在工程的实施过程中进行基于神经元网络的“黑箱法”建 模尝试，当该神经元9 目络能在控制系统内同步运行且能随着对象的时变而不断调整自身，则可认为 我们己经最终解决了较复杂对象的自寻优问题。这些还有待课题组同学的进步研究。 3 7 本章小结 通过空磨试验，对钢球装载量和钢球配比的测