基于篦冷机液压的料层厚度表征方法

摘要

本发明公开了一种基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，采集一段时间窗内篦冷机传动液压信号的最大值，来表征篦冷机料层厚度。本发明的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法将篦冷机液压作为被控变量和控制系统结合起来后，可以实现对篦冷机篦速的自动调节，并大幅提高料层厚度的稳定性。进一步地，料层厚度稳定性的提高，可以稳定并提高篦冷机热回收效率，得到可观的经济效益。

权利要求

1.一种基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：采集一段时间窗内篦冷机传动液压信号的最大值，来表征篦冷机料层厚度；所述时间窗宽度在10-50秒之间，满足下式：，

其中，F 为传动构件所施加的力；

μ 为熟料料层的摩擦系数；

ρ 为熟料的密度；

S 为熟料层的面积；

H 为熟料的料层厚度；

W 为熟料的重量；

V 为熟料的体积；

施加的力F 与传动液压P 的关系是线性的，传动液压P与熟料的料层厚度H 是线性相关，且成正比例关系，比例系数为μ*ρ*S的某一倍数。

2.如权利要求1所述的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：采用固定时间窗的方法来采集篦冷机传动液压信号的最大值。

3.如权利要求1所述的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：采用移动时间窗的方法来采集篦冷机传动液压信号的最大值。

4.如权利要求1所述的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：采集篦冷机传动液压信号的平均值来代替最大值。

5.如权利要求1所述的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：一段篦冷机液压信号可以作为被控变量，应用于PID控制、专家控制系统、模糊控制系统、模型预测控制系统中。

6.如权利要求1所述的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：采用篦冷机液压和篦下压力综合表征料层厚度。

7.如权利要求5所述的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，其特征在于：在模型预测控制系统中，将一段、二段、三段篦冷机液压信号作为被控变量，一段、二段、三段篦冷机篦速作为操纵变量，实现对一段、二段、三段篦冷机篦速的协同调节，同时提高一段、二段、三段篦冷机料层厚度的稳定性。

说明书

基于篦冷机液压的料层厚度表征方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水泥工业领域，具体涉及一种基于篦冷机液压的料层厚度表征方法。

背景技术

[0002] 水泥篦式冷却机是水泥生产线上的关键设备之一，其主要功能是对窑内煅烧后的高温熟料进行冷却、输送；同时为回转窑及分解炉等提供热空气，是水泥生产线热回收的主要设备。

[0003] 篦式冷却机是空气骤冷式冷却机，其工艺流程图如图1所示。热熟料从窑口卸落到篦床上，在往复推动的篦板推送下，沿篦床全床分布开，形成一定厚度的熟料层，鼓入的冷却风从篦床下方吹入，渗透扩散，垂直地穿过在篦床上移动的熟料使其骤冷，风和熟料充分换热，如图1所示。沿熟料运动方向，按温度不同，分为高温区、中温区和低温区。高温区换热后出来的风温度最高，分为二次风、三次风，分别进入回转窑和分解炉；中温区换热后出来的风温度次之，称为余热回收风，进入煤磨和余热发电等装置；低温区换热后出来的风温度很低，作为窑头废气抽出。换完热后的熟料经过熟料破碎机破碎后，通过斜拉链输送到熟料库中。

[0004] 篦冷机的热量回收效率是其最重要的工艺指标。篦冷机上热量的回收效率与料层厚度有关系，保持料层厚度的均匀非常重要。料层太薄，则冷却风通过料层的时间偏短，换热效率不高；料层太厚，会影响料床的透气性，进而出现局部喷发状的吹透，使冷风都从喷发吹透的位置吹走，换热效率也会下降。因此，篦冷机的控制，最重要的是要提高篦冷机的料层厚度的稳定性，使之处于尽量厚而又不至于出现喷发吹透的范围内。

[0005] 因此，料层厚度对篦冷机的优化控制非常重要。料层厚度的表征分为直接法和间接法两大类。

[0006] 根据文献报导，可以用基于雷达或者红外的方法来直接测量篦层厚度。但这些技术尚不成熟，实际应用效果都不理想，没有进一步推广。

[0007] 因此，在工厂实际操作中，都是以间接法为主。其中最主流的方法是测量篦床下方风室的压力（简称篦下压力）。风机的出口压力一般都是固定的，但在风通过篦床时，熟料料层的厚度会造成风阻的不同，进而使篦下压力不同。在熟料颗粒均匀，鼓风量不变的条件下，篦下压力和料层厚度成正比。因此，依据篦下压力的变化，可以大致判断出料层厚度的变化。

[0008] 但当窑况不正常时，熟料颗粒粒度会发生变化，进而影响料层的通风阻力，使篦下压力不能准确反映床层厚度。这是篦下压力表征法所固有的缺陷。在文献中，有众多的研究试图解决此问题，提出以篦下压力结合一室风机电流、或篦冷机主机电流，来综合表征料层厚度的方法，但均停留在实验研究阶段，尚难进行推广。

发明内容

[0009] 针对现有技术的不足，利用篦冷机传动液压信号和料层厚度的相关性，本发明提出了一种新的篦冷机料层厚度表征方法。其具体技术方案如下：一种基于篦冷机液压的料层厚度表征方法，采集一段时间窗内篦冷机传动液压信号的最大值，来表征篦冷机料层厚度。

[0010] 进一步的，所述时间窗宽度在10-50秒之间。

[0011] 进一步的，采用固定时间窗的方法来采集篦冷机传动液压信号的最大值。

[0012] 进一步的，采用移动时间窗的方法来采集篦冷机传动液压信号的最大值。

[0013] 进一步的，采集篦冷机传动液压信号的平均值来代替最大值。

[0014] 进一步的，一段篦冷机液压信号可以作为被控变量，应用于PID控制、专家控制系统、模糊控制系统、模型预测控制系统等各类控制系统中。

[0015] 进一步的，采用篦冷机液压和篦下压力综合表征料层厚度。

[0016] 进一步的，在模型预测控制系统中，将一段、二段、三段篦冷机液压信号作为被控变量，一段、二段、三段篦冷机篦速作为操纵变量，实现对一段、二段、三段篦冷机篦速的协同调节，同时提高一段、二段、三段篦冷机料层厚度的稳定性。

[0017] 本发明的基于篦冷机液压的料层厚度表征方法将篦冷机液压作为被控变量和控制系统结合起来后，可以实现对篦冷机篦速的自动调节，并大幅提高料层厚度的稳定性。进一步地，料层厚度稳定性的提高，可以稳定并提高篦冷机热回收效率，得到可观的经济效益。

附图说明

[0018] 图1 是篦冷机工艺流程示意图；

[0019] 图2 是篦冷机热交换示意图；

[0020] 图3 是篦冷机传统液压测量信号示意图；

[0021] 图4 篦冷机传动构件推动熟料前进的示意图；

[0022] 图5 移动时间窗示意图；

[0023] 图6 固定时间窗示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图进一步对本发明内容进行阐述。

[0025] 篦冷机的熟料料层是靠篦床上传动构件（如活动篦板、十字棒等）的往复运动来往前推进的。传动构件是靠液压来驱动，由于传动构件不停在做往复运动，每个往复周期仅3～6s；对应地，篦冷机传动液压的测量信号也是往复的，从波峰到波谷的周期和传动构件的往复周期相同，如图3所示。

[0026] 从操作员的日常操作上来讲，这种快频率的往复信号给他们的观察带来了很大的难度。操作员并不能很好的确定信号的变化情况与趋势，在一定程度上，反而认为这种信号是杂乱无章的。因此，篦冷机传动液压这一信号并没有得到充分的重视。

[0027] 但实际上，篦冷机传动构件推动熟料前进的过程，在某种意义上来讲，可以理解为一种特殊的称重过程。图4是这一过程的示意图，传动构件给熟料施加一个力F，使熟料向前移动距离S。传动构件做往复运行的行程是确定的，因此熟料的移动距离S也是确定的，而熟料的摩擦系数μ也是确定的。因此传动构件使施加的力F，也就和熟料的重量W成正比，如下式所示，

[0028]

[0029] 其中，F为传动构件所施加的力；

[0030] μ为熟料料层的摩擦系数；

[0031] ρ为熟料的密度；

[0032] S为熟料层的面积；

[0033] H为熟料的料层厚度。

[0034] 对于熟料而言，其摩擦系数μ和密度ρ可以近似认为是不变的，篦冷机的尺寸固定，因此熟料层的面积S也是不变的。因此施加的力F和熟料的料层厚度H是线性的。而对于传动构件而言，其液压缸的尺寸也是固定的，因此施加的力F与传动液压P的关系也是线性的。

[0035] 综上，传动液压P与熟料的料层厚度H是线性相关。因此，采用篦冷机传动液压，来表征熟料的料层厚度，是有理论依据支撑的。

[0036] 由于液压是往复信号，不便于观察，因此，我们需要将其信号用一定的方式提取出来，使之易于观察。由于液压信号的最大值最具有代表性，可以提取一段时间内的最大值，来作为熟料料层的表征。这段“时间”称之为“时间窗”，如图3所示。

[0037] 时间窗如果太短，则信号的噪音很大；时间窗如果太长，则信号的代表性不足。因此，时间窗的选择非常关键。根据我们的实验结果，时间窗的长度应在10-50秒之间。

[0038] 时间窗可以采用移动时间窗，也可以采用固定时间窗。

[0039] 图5是移动时间窗示意图。对于在时间域上的数据序列X1、X2、…Xn、Xn+1、Xn+2、…，假设时间窗长度为n，则第一次取X1到Xn这一段的最大值，第二次取X2到Xn+1这一段的最大值，如此类推。

[0040] 图6是固定时间窗示意图。对于在时间域上的数据序列X1、X2、…Xn、Xn+1、Xn+2、…，假设时间窗长度为n，则第一次取X1到Xn这一段的最大值，第二次取Xn到Xn+n这一段的最大值，如此类推。

[0041] 采用两种方法都可以得到传动液压信号的最大值，但移动时间窗的方法更优。

[0042] 作为另一种选择，也可以采用一段时间窗内液压信号的平均值，来表征篦冷机料层厚度，也是一种可以接受的方法。

[0043] 在提取到篦冷机液压信号之后，最简单的应用是显示给操作人员作为参考，但更有价值的应用是将其和各类控制系统结合起来，将其作为被控变量，来实现篦冷机篦速的自动调节。下面为两个实施案例：

[0044] 实施例1. PID控制

[0045] 一段篦冷机液压信号作为被控变量，一段篦冷机篦速作为操纵变量，构建PID回路，实现对一段篦冷机篦速的自动调节，从而提高篦冷机料层厚度的稳定性。

[0046] 实施例2.模型预测控制

[0047] 将一段、二段、三段篦冷机液压信号作为被控变量，一段、二段、三段篦冷机篦速作为操纵变量，构建模型预测控制器，实现对一段、二段、三段篦冷机篦速的协同调节，同时提高一段、二段、三段篦冷机料层厚度的稳定性，使整个篦冷机的工况趋于稳定，热回收效率大幅提高。

[0048] 以上仅为部分实施案例，还有很多不同的方案可以和自动控制系统结合起来。

[0049] 在自动化系统的实施过程中，进一步发现，与传统的基于篦下压力的料层厚度表征方法相比较，篦冷机液压的稳定性更好，但篦下压力的响应速度更快。因此，作为一种最优的选择，因此将这两种方法结合起来，采用加权等方法来综合表征料层厚度，可以取得更满意的控制效果。

[0050] 以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。