基于模糊控制和机器学习的水泥磨机专家控制系统的开发与应用

水泥粉磨工艺具有非线性、大时滞和时变特征，建立精确的水泥磨模型比较困难，因此难以通过简单的性能指标和参数控制来精确控制粉磨生产线的运行；受生产过程物料因素和设备因素影响较大，如储料仓下料不畅、辊压机物料离析、电网电压变动等，同时国内水泥生产普遍具有错峰生产和产品类型较多的特点。水泥磨机智能专家控制系统（以下简称水泥专家系统）可使水泥生产过程实现智能化控制，是实现水泥生产智能制造的一个核心控制环节，可以降低粉磨工艺的能源消耗，稳定生产过程的台时产量，保证设备的平稳安全运行，对产品的质量指标也起到重要的保障作用。同时降低操作人员的劳动强度，实现以人为本，促进了水泥行业智能制造的发展。

1、水泥粉磨工艺控制方案我公司水泥粉磨系统是由辊压机和球磨机组成的联合粉磨工艺系统，将辊压机挤压后的粉状物料经V型选粉机打散和动态选粉机预分级，较粗颗粒返回辊压机重新挤压，经动态选粉机分选出的一定细度的细粉经收尘器收集后，喂入球磨机内进一步粉磨。经过分析，水泥粉磨控制系统包括辊压机总产量控制、辊压机下料闸板控制、循环风机转速和选粉机转速等共四个控制单元，其中辊压机系统由喂料秤、喂料皮带、入磨斗提、V型选粉机、辊压机小仓、辊压机等设备组成，形成闭环控制；磨机系统由动态选粉机、磨机、出磨斗提等主要设备形成闭环回路；两个系统之间通过V型选粉机、袋收尘器、循环风机闭环回路进行耦合。其流程如图1所示。图1水泥粉磨工艺控制系统流程示意通过系统的分析和对各种控制方案的对比，最后采用基于LabVIEW平台的模糊控制和机器学习的控制方案来实现。LabVIEW是一种程序开发环境，使用图形化编辑语言G编写程序，其所编写的程序是框图形式的，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块LabVIEWDSC，具有丰富的工业通讯接口。另外新版LabVIEW具备Python接口，方便利用Python语言在机器学习领域的各种库模块。

2、水泥磨机智能模糊控制系统的控制方案根据生产工艺特性，我们将生产过程分为四个控制模块，按照模糊控制理论分析方法，对生产工艺参数进行分类划分，确定各参数的论域，并进行模糊化处理，确定量化因子和比例因子。以下为各子控制模块分析。1）辊压机总产量控制模块根据辊压机称重仓仓重增减磨机总产量，实现对总产量的控制，同时兼顾系统风机转速，系统风机转速的改变，会带动产能的改变，系统会相应修改磨机总产量，以确保辊压机系统物料平衡和合理的循环料量。2）辊压机下料闸板控制模块通过调节辊压机下料闸板开度稳定辊压机负荷，且保证辊压机均匀稳定过饱和喂料，保证辊压机高效做功。并应对原料易磨性的变化，提高辊压机的工作效率，保证磨机出料品质稳定。3）冷风阀模块该模块配合辊压机小仓仓重、出磨提升机电流、辊压机功率的变化量、出磨斗提电流的变化量等状态指标协调操作，保证系统稳定。4）选粉机转速控制模块该模块根据粉料细度（折算比表），调节动态选粉机转速，实现产品质量的合格和稳定。

3、项目的设计与实施3.1数据的预处理本项目中生产过程控制系统采用ABBFreelance2000DCS控制系统，通过OPCDA与LabVIEW进行通讯，获得实时的生产数据。数据的预处理是本项目的关键，通过采用队列的方式，对电流、压力、温度等重要数据进行清洗、滤波和均值化处理等，以实现系统工况的精准辨识。特别是对于辊压机这种负载，其电流的波动相对较大，瞬时电流不能代表辊压机的运行工况，因此通过滚动平均值的方式可以有效反映辊压机工况变化的趋势。本例中我们将相关联的电流信号、辊压机压力等关联参数组合成数组，并通过队列和移位寄存器等算法计算，实现了数据的统一预处理，如图2所示。图2数据预处理程序框图3.2模糊控制器的设计本例中以辊压机喂料挡板为例说明模糊控制器的设计，选定辊压机电流平均值偏差和出辊压机斗提电流偏差为输入变量，将其分别量化为负大（NB）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正大（PB）五个语言变量值，挡板开度调整为输出变量，负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）七个语言变量值，本项目中选取“隶属函数”的形状为三角形，辊压机电流平均值偏差隶属函数图设置如图3所示。出辊压机斗提电流偏差的隶属函数设置类似。图3辊压机电流平均值偏差隶属函数图示意输入、输出变量的隶属函数生成后，建立模糊控制规则表，本控制器产生25条模糊控制规则，如图4所示。图4模糊控制规则模糊控制器生成后，通过可视化3D模型可以直观观测输入与输出变量的关系，模糊控制测试系统设计如图5所示。图5模糊控制器系统设计3.3模糊控制器在控制程序中的应用在模糊控制器设计完成后，通过模糊系统模块加载控制策略；在模糊控制器运行前，需要对生产过程数据进行卡边处理，以保障模糊控制器在有效范围内运算。模糊控制器的开发应用如图6所示。图6模糊控制模块的开发应用3.4水泥磨品种切换控制出磨水泥比表面积控制器根据目标值自动调整选粉机转速。排风机转速也可以调整出磨水泥比表面积，但一般情况下，主要通过选粉机转速控制，当系统拉风过大或过小时，需要调节排风机转速以调整出磨水泥比表面积。因此不同品种水泥在工艺操作中各个设备的控制参数也不同，本项目中为了方便操作，设置了一键切换功能。利用LabVIEW中簇的概念，将需要设置的参数打包成簇，每个品种都独立设置（如图7中的32.5簇和42.5簇分别代表P·O32.5水泥和P·O42.5水泥），以方便一键选择。图7簇的设置3.5基于机器学习的数据分析在生产水泥过程中会产生大量的工艺数据，如水泥的细度、比表面积、流动度、需水量等指标，工艺生产过程中的温度、压力等参数，同时也会产生大量的设备运行数据，如磨机电流、辊压机电流，轴承的温度和振动值等信息。本项目中利用LabVIEW与Python的集成功能，通过用Python所编写的脚本将LabVIEW采集到的数据信息以数组的形式写入开源的数据库PostgreSQL，再利用Numpy、Scipy、Scikit-LearnPython等常用的机器学习的类库对数据进行分析，可以帮助我们实现数据的分类、回归、聚类、降维，及模型选择和数据预处理。本项目通过回归算法对辊压机历史电流、压力、辊缝、挡板开度等参数进行处理，寻找辊压机最佳工作点和最优化的控制参数。3.6系统预判断与语音报警为了保障系统运行的可靠性，对于异常工况下，通过对关键控制参数的监控，包括电流、温度、压力等工艺参数，对系统出现的特殊情况，如定量给料机断料、电流偏差过大、升温过快等情况，系统将及时语音报警，提醒相关人员及时处理，有效地减少事故发生，实现了良好的人机交互。本项目通过LabVIEW对Speech库的调用，利用文本转语音技术（TTS）实现这一功能。操作人员可以对信息进行阈值的设置，并可直观地看到信号的状态，见图8。图8报警系统阈值设定

4、项目使用效果该项目充分利用LabVIEW平台可视化编程的特点，具有开发速度快、适合企业工程技术人员开发与应用、工艺工程技术人员可根据操作经验实时修改模糊控制器参数等优点。系统投运后，稳定了生产工艺