从图1中可以看出，水泥磨的入料有两个来源：一是经辊压机、打散分级机、双管螺旋输送机和恒速皮带秤送入水泥磨的细粉混合料；另一来源是经调速皮带秤送入水泥磨的粉煤灰。该辊压机联合粉磨系统的运行存在以下问题：

    1)水泥磨负荷缺乏有效的检测手段，人工凭经验判断,偏差较大。

    2)打散分级机的转速以及粉煤灰和细粉混合料的配比直接决定水泥磨的入料量，而打散分级机一直处于手动控制，无法保证水泥磨运行在最佳负荷。

    3)由于人工调整的随意性和盲目性，出磨水泥的细度不稳定，合格率偏低。

    4)粉煤灰和混合细料的配比采取按比例设定这两种物料的设定值的方法，当因故障某一物料无法下料时，不能保证合适的配比。

    针对以上问题，我们提出并实施以下的水泥磨负荷控制系统方案，圆满解决了以上问题。

2 磨机的运行特性

    水泥厂球磨机具有以下特点： 

    1）球磨机是一个具有很强非线性特征的大惯性、纯滞后系统；2）动态特性复杂，难以建立精确的数学模型；3）具有较强的时变性。运行过程中物料的特性，如湿度、粒度，磨机本身的特性，如衬板厚度的变化、研磨介质的磨损等都会对磨机的运行特性产生较大的影

响。

因此要对其进行控制就必须深入了解其运行特性，这样才能够有针对性地制定磨机负荷控制策略。水泥磨机的运行规律可以通过其工作特性曲线（如图2所示）直观地反映出来。

  磨机的产量是一个与磨机类型、衬板、磨机转速、物料粒度、研磨介质装载量等参数有关的多变量非线性函数。在其它参数不变的情况下，磨机产量与机内存料量如曲线2所示。从曲线2的极值特性可以看出，水泥磨机的运行存在一个最大产量料位：。这是因为当磨机内的存料较少时，磨机较空，其研磨能力尚有剩余，因而产量会随着存料量的增大而随之增大；当磨机内的料位继续增加超过某一限度时，随着物料层的增厚，研磨介质的有效下落距离减小，对物料的冲击和研磨作用不足，造成产量下降，细度上升。

    与曲线2相似，磨机的功率也并不是随着存料量的增大而单调增大。从功率曲线1可以看出，功率曲线也存在一个极值点t₁。一般来说，t₁通常位于最大产量点t₂的左边。

    由图2可以看出，磨机最大功率对应的料位t₁和磨机最大产量对应的料位t₂将水泥磨机分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个运行区间。磨机在Ⅰ区运行时，产量很低，效率也较低，磨机不适合在该区运行；在Ⅲ区间，磨机的产量也较小，同时由于机内的存料量较大，容易发生睹磨事故，也不适合球磨机的运行；在Ⅱ区间，磨机的产量最大，运行效率最高，最适合磨机的运行，负荷控制系统的控制目标就是保证磨机在Ⅱ区间内稳定运行，以达到最大的产量和最小的能耗。

3  磨机负荷控制策略

    研制的水泥磨自寻优负荷控制系统控制策略为：

    自寻优模块对磨机的最佳料位进行在线自动寻优，给出磨机最佳料位设定；Fuzzy-PID控制器根据磨音传感变送器测得的磨机实际料位信号和最佳料位给定给出打散分级机的转速设定；根据恒速秤实际测得的混合细料流量，以及粉煤灰和混合细料的配比得到输送粉煤灰的调速皮带秤的设定。

    根据以上控制策略可知，由于粉煤灰量按配比跟踪实际的混合细料量，因而影响水泥磨机负荷的关键是混合细料量。混合细料量的大小由打散分级机的转速决定，故最佳料位的在线寻优和打散分级机的转速控制是水泥磨负荷控制的关键。

3．1  最佳料位的自寻优设定

    由于磨机的时变特性，其最佳运行区间并不是固定不变的。环境的温度、湿度、物料成分和细度的变化，磨机衬板和研磨介质的磨损等因素都会使磨机的最佳料位和最佳运行区间产生一定的漂移，造成磨机偏离最佳工况。针对磨机的这种特性，有必要采用自寻优算法自动搜索最优的料位和运行区间。

    虽然图2中磨机的产量曲线2存在着极值特性，但是由于产量很难测量，因而只能用其他曲线的非线性特性来间接找到最佳料位值。从经过反相处理后磨音特性曲线4可以看出，在磨机产量达到最大产量点t₂前，曲线4呈明显的上升趋势；在越过最大产量点t₂后，曲线4趋于平稳。因而可以将磨音信号的变化率作为寻找最佳料位的依据。

    在自寻优过程中，首先应给出磨音信号变化量范围的整定值△уmin和△уmax。以及寻优步长λ。自寻优模块每隔λ周期计算磨音信号的变化量△у。如果△у大于△уmax ，说明当前料位低于最佳运行料位，应适当增加料位设定；如果△у小于△уmin  ，则说明磨机当前料位已超过最大产量料位，有满磨的危险，应及时减小当前的料位设定；如果△уmin≤△у≤△уmax则说明当前在磨机运行的Ⅱ区间内，已处于最佳状态，不需要对料位设定进行调整。这样，每经过一个周期，系统进行一次自寻优过程，经过若干个周期后，磨机可以进入Ⅱ区间稳定地运行。

3．2  打散分级机转速控制

    打散分级机的转速决定了进入水泥磨的混合细料量：打散机的转速越高，分选粒径越大，则其台时产量越高，混合细料的入磨量也就越大。

    经过实验，改变打散分级机的转速调节混合细料的入磨量能够满足对磨机负荷调整的要求，同时从改变打散机的转速到磨机负荷发生明显变化有20～30s的延迟。针对打散分级机的以上特性，为保证实际料位对自寻优模块给出的最佳料位有很好的跟踪性能，同时具有较好的稳态特性，我们采用了分段控制的思想，对打散分级机采用了模糊-采样PI的控制算法。当料位偏差较大时，采用模糊控制算法调节打散分级机的转速，使实际料位迅速接近给定；当偏差较小时，考虑到打散分级机-水泥磨系统的时滞，采用采样PI控制打散分级机的转速，使料位稳定在最佳料位。打散分级机转速控制框图如图3所示。

3．3  粉煤灰调速皮带秤控制

    由于粉煤灰调速秤具有接受设定、自动调节皮带转速、将粉煤灰量控制在设定值的功能，因此对粉煤灰量的调节就是给出调速皮带秤的流量设定。按混合细料实际流量的一定比例设定粉煤灰量，既保证了2种物料的配比，也使得人磨物料比较均匀。

4  磨机负荷控制系统硬件实现

4．1  磨机负荷控制系统硬件框图

    考虑到金龙水泥集团该生产线已选用北京和利时公司MACS集散控制系统进行了自动化改造，因此我们从充分利用现有资源出发，提出如图4所示的负荷控制系统硬件框图，将水泥磨机负荷控制系统融入到该厂现有的DCS中。这种硬件配置既节省了投资，又充分考虑了可扩展性。

    由于系统中打散分级机变频器控制信号、粉煤灰调速皮带秤流量设定信号均已引入到MACS系统中，故只需安装磨音传感变送器并将磨音信号通过模拟量输入模块引入MACS系统中即可。

4．2  磨音传感变送器

    长期的运行实践表明，磨机内的存料量与磨机噪音信号之间存在一定的对应关系。当磨机内的存料量较小时，磨音较大且频率较高；当磨机内的存料量逐渐增多时，磨音较小且频率较低。因而通过对磨机噪音的检测，可以间接确定磨机的负荷。

本系统采用的磨音传感变送器由西安交通大学工业自动化系研制，它通过对噪音传感器送来的信号进行滤波放大、带通滤波，求取有效值和倒相后，输出正比于磨机料位的、符合DDZⅢ型仪表标准的直流电流信号送人计算机的数据采集／输出卡。该磨音传感变送器简单可靠，灵敏度高，维护也很方便。磨音传感变送器的原理框图如图5所示。

4．3  磨机负荷控制系统软件编程

    磨机负荷控制系统的软件编程及人机界面利用MACS系统的算法和画面组态工具实现。在实现水泥磨负荷自寻优控制的基础上，为方便操作监控而在软件上新增的功能包括：磨机负荷实时趋势图；磨机负荷历史趋势图；配料失调校正功能；饱磨报警功能；手动、自动切换功能。

5  运行效果及经济效益

    辊压机联合粉磨系统中的水泥磨负荷控制系统自2002年5月中旬在该生产线投产以来运行正常、平稳，产质量提高效果明显。以2002年6～11月运行效果与同年1～4月比较：产量提高12.41％；细度合格率提高14％；粉煤灰掺加量由原来的32％提高到35％以上，使生产成本大幅下降。同时以增产降耗和提高粉煤灰掺加量计算，该系统每年将产生近300多万元的经济效益，大大增强了该厂的竞争力。具体统计数据如表1所示。

表1  使用前后数据统计

时间		S03合格／％	粉煤灰合格率／％	细度合格率／％	台时产量／(t／h)
使 用 前	2002一01	76．85	60．63	70．55	52．1
	2002一02	79．OO	57．68	71．33	53．6
	2002—03	81．35	60．53	69．81	52．8
	2002一04	80．50	63．24	80．29	54．4
	平均值	79．43	60．52	73．OO	53．2
使 用 后	2002一06	85．48	65．24	79．84	61．5
	2002一07	81．43	65．10	88．86	59．4
	2002—08	88．21	76．75	93．04	59．7
	2002一09	78．57	75．11	90．32	60．3
	2002—10	78．02	73．73	90．29	58．8
	2000-11	75．90	75．81	85．75	58．9
	平均值	81．30	72．OO	88．00	59．8

单位：

西安交通大学  郑州金龙水泥股份有限公司