预分解窑系统的数字化，能准确的发现、判断预分解窑的工况是否合理、为及时解决问题奠定了基础。
图1 数字换预分解窑之参数
水泥回转窑生产过程是一个复杂的物理化学反应过程，通常具有大惯性、纯滞后、非线性、强藕合等特点，工况复杂多变，难以得到精确的数学模型，采用传统的控制策略难以获得满意的控制效果。
为了提高生产和控制水平, 其中一个有效的途径是采用水泥窑专家控制系统，有了预分解窑系统的数字化，为预分解窑的计算机控制打下了坚实的基础。
将先进的控制理论和人工智能技术相结合, 开发预分解窑自动化控制系统-专家系统。这种连续在线的专家系统, 无异于在生产线上安置了一个专家级的操作工,一年365 天, 一天24h 的工作, 为全线实现优质、高产、低耗能提供最直接的保障。
烧成带温度的高低与熟料强度的高低直接相关。而烧成带温度分布又是最难准确测定的参数，是整个预分解窑系统最重要的参数。需要通过建立一定的数学模型，经过与实际生产的各项参数的回归分析结果的对比验证，最终得到符合实际的专家控制系统。
一． 窑内煤粉燃烧模型建立
1. 煤粉燃烧模型；
2. 颗粒传输模型；
3. 辐射换热模型；
得到煤质不同、煤粒度不同、燃烧器结构参数、操作参数之间的关系。
二． 窑内传热模型的建立
回转窑内的传热既有传导传热、对流换热及辐射换热。燃料燃烧释放的热通过燃烧产物以辐射和对流的方式直接传给了外露的壁面和料层表面。其中一部分入射能量被这些表面吸收，其余的则被反射出去。部分反射能又重新被烟气吸收，剩下的又传到外露的表面，如此反复。外露壁面吸收的部分热量将通过环境散热，当它被物料覆盖时，部分热量又会传给物料。壁面的这种蓄热的功能有时又可反过来作用，即将热由料床传给被覆盖的壁面。壁面内的传热只能通过导热，但物料的传热既有导热、对流和辐射，同时还有由于料床的运动带来的热量平移。所以研究回转窑内传热，应包括所有这些传热途径和过程，并考虑它们间的相互影响。图3为回转窑内的传热路径。
图3 窑内传热的路径
1. 熟料窑各带的传热量及长度的经验计算
该方法是首先对各带内物料和含尘气流的运动、物料和气流之间的热交换、燃料燃烧、熟料烧成及冷却等诸多物理和化学过程进行热力学计算，再根据各带的热交换量、物料和气体温度等参数计算熟料窑中各带的长度。
一般预分解窑内分成三个反应带，过渡带、烧成带、冷却带。过渡带有碳酸盐分解带与 固相反应带构成。通过假定各反应带的起始温度，各带发生的物理化学反应、物料运动速度、燃料燃烧的理论温度（推导出实际燃烧温度）、各带传热量计算、最后得到气体与物料沿窑轴向的温度分布。图4 计算机模拟计算窑内温度。图5 窑内温度模拟计算结果
图4 计算机模拟计算窑内温度
图5 窑内温度模拟计算结果
2. 数学模型建立
从质量和能量守恒定律出发，针对熟料窑的实际建立一个包括气体、物料、窑壁的物理和化学反应及相互作用的诸多因素在内的窑内传热数学模型。当边界条件给定时，可通过计算机求得各种质量、气体温度、物料温度、窑内壁温度和窑外壁温度等沿窑长的分布规律。由于影响因素多，需要与实际生产过程参数进行综合分析判断才能得到较为符合实际的数学模型。
3. 专家系统的自适应、自学习功能
按传统控制理论, 控制系统动态模型的精确与否是影响控制优劣的关键。系统动态模型就是多个输入和输出信号间的关联关系, 模型内的信息越详细, 则越能达到精确控制的目的。传统的控制理论对于能明确定义输入- 输出关系的系统有理想的控制效果, 但对于像回转窑热工控制一类的复杂应用, 由于变量太多, 往往难以精确描述变量间的动态关系,此时传统的控制理论就显得无能为力了, 而采用人工智能技术作为窑专家控制软件的理论基础便成了合理的选择。
对于常见的水泥窑专家控制软件, 其核心控制原理早先的版本大多是基于模糊控制技术(FuzzyControl), 这种技术的运用最早出现在上世纪80年代。近年新推出的软件一般还会采用两项效率更高的技术, 一项是神经元网络技术NN(Neural Net),另一项是模型预测控制技术MPC(Model- basedPredictive Control)。
2009年中国水泥产量将达到15亿t, 已连续20多年稳坐全球水泥产销量第一的宝座,每年都有大量的新型水泥生产线投产, 为追求投资回报效率, 这些生产线在最初投资建设时一般不会考虑上专家控制软件。同时根据国外的统计数据, 大多数的专家控制软件是在新生产线投产的五年后才被安装的, 因为一般在投产后生产线需要几年的时间才能进入稳定运转周期,只有在这时工厂的管理人员才会更加迫切的寻求降低生产成本和稳定产品产质量的解决办法, 而采用专家控制系统软件就是解决水泥生产中困难问题的最有效途径之一。FLSA 公司是F.L.Smidth 集团旗下的专门从事自动化业务的公司,ECS/ProcessExpert专家系统就是针对要系统开发的。据国外用户调查, 使用效果普遍较好。
目前国内有部分水泥厂开始采用多个闭环回路控制，可以实现正常窑况的无人值守操作。但要求生料、煤计量精确、气体管道阀门灵活准确、热工一次仪表的安装位置、灵敏度、可靠性高，信号的采集系统精度、冗余度高，需要增大投资。据业内专业人士估计要增大20%左右。
笔者认为，采用多个闭环回路的自动控制方案，仅仅是要自动控制的第一步，采用具有自适应、自学习功能、具有中国自主知识产权的预分解窑专家控制系统才是实现优质、高产、低消耗的必由之路。
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