基于模糊控制和機(jī)器學(xué)習(xí)的水泥磨機(jī)專家控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

水泥粉磨工藝具有非線性、大時(shí)滯和時(shí)變特征，建立精確的水泥磨模型比較困難，因此難以通過簡(jiǎn)單的性能指標(biāo)和參數(shù)控制來精確控制粉磨生產(chǎn)線的運(yùn)行；受生產(chǎn)過程物料因素和設(shè)備因素影響較大，如儲(chǔ)料倉(cāng)下料不暢、輥壓機(jī)物料離析、電網(wǎng)電壓變動(dòng)等，同時(shí)國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)普遍具有錯(cuò)峰生產(chǎn)和產(chǎn)品類型較多的特點(diǎn)。水泥磨機(jī)智能專家控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱水泥專家系統(tǒng)）可使水泥生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)智能化控制，是實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)智能制造的一個(gè)核心控制環(huán)節(jié)，可以降低粉磨工藝的能源消耗，穩(wěn)定生產(chǎn)過程的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，保證設(shè)備的平穩(wěn)安全運(yùn)行，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)也起到重要的保障作用。同時(shí)降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)以人為本，促進(jìn)了水泥行業(yè)智能制造的發(fā)展。

1、水泥粉磨工藝控制方案我公司水泥粉磨系統(tǒng)是由輥壓機(jī)和球磨機(jī)組成的聯(lián)合粉磨工藝系統(tǒng)，將輥壓機(jī)擠壓后的粉狀物料經(jīng)V型選粉機(jī)打散和動(dòng)態(tài)選粉機(jī)預(yù)分級(jí)，較粗顆粒返回輥壓機(jī)重新擠壓，經(jīng)動(dòng)態(tài)選粉機(jī)分選出的一定細(xì)度的細(xì)粉經(jīng)收塵器收集后，喂入球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)一步粉磨。經(jīng)過分析，水泥粉磨控制系統(tǒng)包括輥壓機(jī)總產(chǎn)量控制、輥壓機(jī)下料閘板控制、循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等共四個(gè)控制單元，其中輥壓機(jī)系統(tǒng)由喂料秤、喂料皮帶、入磨斗提、V型選粉機(jī)、輥壓機(jī)小倉(cāng)、輥壓機(jī)等設(shè)備組成，形成閉環(huán)控制；磨機(jī)系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)選粉機(jī)、磨機(jī)、出磨斗提等主要設(shè)備形成閉環(huán)回路；兩個(gè)系統(tǒng)之間通過V型選粉機(jī)、袋收塵器、循環(huán)風(fēng)機(jī)閉環(huán)回路進(jìn)行耦合。其流程如圖1所示。圖1水泥粉磨工藝控制系統(tǒng)流程示意通過系統(tǒng)的分析和對(duì)各種控制方案的對(duì)比，最后采用基于LabVIEW平臺(tái)的模糊控制和機(jī)器學(xué)習(xí)的控制方案來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，其所編寫的程序是框圖形式的，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。LabVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊LabVIEWDSC，具有豐富的工業(yè)通訊接口。另外新版LabVIEW具備Python接口，方便利用Python語(yǔ)言在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的各種庫(kù)模塊。

2、水泥磨機(jī)智能模糊控制系統(tǒng)的控制方案根據(jù)生產(chǎn)工藝特性，我們將生產(chǎn)過程分為四個(gè)控制模塊，按照模糊控制理論分析方法，對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行分類劃分，確定各參數(shù)的論域，并進(jìn)行模糊化處理，確定量化因子和比例因子。以下為各子控制模塊分析。1）輥壓機(jī)總產(chǎn)量控制模塊根據(jù)輥壓機(jī)稱重倉(cāng)倉(cāng)重增減磨機(jī)總產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)總產(chǎn)量的控制，同時(shí)兼顧系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，會(huì)帶動(dòng)產(chǎn)能的改變，系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)修改磨機(jī)總產(chǎn)量，以確保輥壓機(jī)系統(tǒng)物料平衡和合理的循環(huán)料量。2）輥壓機(jī)下料閘板控制模塊通過調(diào)節(jié)輥壓機(jī)下料閘板開度穩(wěn)定輥壓機(jī)負(fù)荷，且保證輥壓機(jī)均勻穩(wěn)定過飽和喂料，保證輥壓機(jī)高效做功。并應(yīng)對(duì)原料易磨性的變化，提高輥壓機(jī)的工作效率，保證磨機(jī)出料品質(zhì)穩(wěn)定。3）冷風(fēng)閥模塊該模塊配合輥壓機(jī)小倉(cāng)倉(cāng)重、出磨提升機(jī)電流、輥壓機(jī)功率的變化量、出磨斗提電流的變化量等狀態(tài)指標(biāo)協(xié)調(diào)操作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。4）選粉機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊該模塊根據(jù)粉料細(xì)度（折算比表），調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)選粉機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的合格和穩(wěn)定。

3、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施3.1數(shù)據(jù)的預(yù)處理本項(xiàng)目中生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)采用ABBFreelance2000DCS控制系統(tǒng)，通過OPCDA與LabVIEW進(jìn)行通訊，獲得實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的預(yù)處理是本項(xiàng)目的關(guān)鍵，通過采用隊(duì)列的方式，對(duì)電流、壓力、溫度等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、濾波和均值化處理等，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工況的精準(zhǔn)辨識(shí)。特別是對(duì)于輥壓機(jī)這種負(fù)載，其電流的波動(dòng)相對(duì)較大，瞬時(shí)電流不能代表輥壓機(jī)的運(yùn)行工況，因此通過滾動(dòng)平均值的方式可以有效反映輥壓機(jī)工況變化的趨勢(shì)。本例中我們將相關(guān)聯(lián)的電流信號(hào)、輥壓機(jī)壓力等關(guān)聯(lián)參數(shù)組合成數(shù)組，并通過隊(duì)列和移位寄存器等算法計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一預(yù)處理，如圖2所示。圖2數(shù)據(jù)預(yù)處理程序框圖3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)本例中以輥壓機(jī)喂料擋板為例說明模糊控制器的設(shè)計(jì)，選定輥壓機(jī)電流平均值偏差和出輥壓機(jī)斗提電流偏差為輸入變量，將其分別量化為負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正大（PB）五個(gè)語(yǔ)言變量值，擋板開度調(diào)整為輸出變量，負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）七個(gè)語(yǔ)言變量值，本項(xiàng)目中選取“隸屬函數(shù)”的形狀為三角形，輥壓機(jī)電流平均值偏差隸屬函數(shù)圖設(shè)置如圖3所示。出輥壓機(jī)斗提電流偏差的隸屬函數(shù)設(shè)置類似。圖3輥壓機(jī)電流平均值偏差隸屬函數(shù)圖示意輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)生成后，建立模糊控制規(guī)則表，本控制器產(chǎn)生25條模糊控制規(guī)則，如圖4所示。圖4模糊控制規(guī)則模糊控制器生成后，通過可視化3D模型可以直觀觀測(cè)輸入與輸出變量的關(guān)系，模糊控制測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5模糊控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3模糊控制器在控制程序中的應(yīng)用在模糊控制器設(shè)計(jì)完成后，通過模糊系統(tǒng)模塊加載控制策略；在模糊控制器運(yùn)行前，需要對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行卡邊處理，以保障模糊控制器在有效范圍內(nèi)運(yùn)算。模糊控制器的開發(fā)應(yīng)用如圖6所示。圖6模糊控制模塊的開發(fā)應(yīng)用3.4水泥磨品種切換控制出磨水泥比表面積控制器根據(jù)目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)整選粉機(jī)轉(zhuǎn)速。排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也可以調(diào)整出磨水泥比表面積，但一般情況下，主要通過選粉機(jī)轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)系統(tǒng)拉風(fēng)過大或過小時(shí)，需要調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)整出磨水泥比表面積。因此不同品種水泥在工藝操作中各個(gè)設(shè)備的控制參數(shù)也不同，本項(xiàng)目中為了方便操作，設(shè)置了一鍵切換功能。利用LabVIEW中簇的概念，將需要設(shè)置的參數(shù)打包成簇，每個(gè)品種都獨(dú)立設(shè)置（如圖7中的32.5簇和42.5簇分別代表P·O32.5水泥和P·O42.5水泥），以方便一鍵選擇。圖7簇的設(shè)置3.5基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析在生產(chǎn)水泥過程中會(huì)產(chǎn)生大量的工藝數(shù)據(jù)，如水泥的細(xì)度、比表面積、流動(dòng)度、需水量等指標(biāo)，工藝生產(chǎn)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如磨機(jī)電流、輥壓機(jī)電流，軸承的溫度和振動(dòng)值等信息。本項(xiàng)目中利用LabVIEW與Python的集成功能，通過用Python所編寫的腳本將LabVIEW采集到的數(shù)據(jù)信息以數(shù)組的形式寫入開源的數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL，再利用Numpy、Scipy、Scikit-LearnPython等常用的機(jī)器學(xué)習(xí)的類庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以幫助我們實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類、回歸、聚類、降維，及模型選擇和數(shù)據(jù)預(yù)處理。本項(xiàng)目通過回歸算法對(duì)輥壓機(jī)歷史電流、壓力、輥縫、擋板開度等參數(shù)進(jìn)行處理，尋找輥壓機(jī)最佳工作點(diǎn)和最優(yōu)化的控制參數(shù)。3.6系統(tǒng)預(yù)判斷與語(yǔ)音報(bào)警為了保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對(duì)于異常工況下，通過對(duì)關(guān)鍵控制參數(shù)的監(jiān)控，包括電流、溫度、壓力等工藝參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的特殊情況，如定量給料機(jī)斷料、電流偏差過大、升溫過快等情況，系統(tǒng)將及時(shí)語(yǔ)音報(bào)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)處理，有效地減少事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。本項(xiàng)目通過LabVIEW對(duì)Speech庫(kù)的調(diào)用，利用文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音技術(shù)（TTS）實(shí)現(xiàn)這一功能。操作人員可以對(duì)信息進(jìn)行閾值的設(shè)置，并可直觀地看到信號(hào)的狀態(tài)，見圖8。圖8報(bào)警系統(tǒng)閾值設(shè)定

4、項(xiàng)目使用效果該項(xiàng)目充分利用LabVIEW平臺(tái)可視化編程的特點(diǎn)，具有開發(fā)速度快、適合企業(yè)工程技術(shù)人員開發(fā)與應(yīng)用、工藝工程技術(shù)人員可根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)修改模糊控制器參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)投運(yùn)后，穩(wěn)定了生產(chǎn)工藝