炭素回轉(zhuǎn)窯是煅燒石油焦的設(shè)備，煅燒石油焦是為了提高炭質(zhì)原料的密度和機(jī)械強(qiáng)度,提高原料的導(dǎo)電性能和化學(xué)穩(wěn)定性,為生產(chǎn)鋁電解用陽極提供合格的原材料。

在炭素回轉(zhuǎn)窯中，冷卻窯排料溫度是炭素回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，但冷卻窯的排料冷卻過程是一個(gè)大慣性、純滯后、非線性、時(shí)變性和多干擾的生產(chǎn)過程，這就給控制設(shè)計(jì)人員提出了一個(gè)難題。目前炭素回轉(zhuǎn)窯的排料溫度均屬于手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度低，沒有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，排料溫度波動(dòng)范圍很大，嚴(yán)重影響煅后焦的質(zhì)量，同時(shí)也加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

因此，本文是以國內(nèi)某大型電解鋁廠炭素回轉(zhuǎn)窯控制技術(shù)改造為背景，結(jié)合現(xiàn)場工人操作經(jīng)驗(yàn)，采用串級PID控制算法進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了冷卻窯的自動(dòng)控制，并使得排料溫度控制在合理的溫度區(qū)間內(nèi)，達(dá)到提高煅后焦質(zhì)量的最終目標(biāo)。

炭素回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程分析

炭素回轉(zhuǎn)窯分為煅燒窯和冷卻窯兩部分，即我們通常說的大窯和冷卻窯，石油焦經(jīng)由大窯窯尾進(jìn)料口進(jìn)入大窯進(jìn)行高溫煅燒，煅燒后的成品從窯頭進(jìn)入冷卻窯進(jìn)行冷卻，冷卻后的成品經(jīng)皮帶運(yùn)送到倉庫，再經(jīng)過壓縮，成型，為鋁電解提供陽極原材料[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)示意圖

從大窯窯頭進(jìn)入冷卻窯的料溫一般在800-1100℃之間，因此，我們必須在冷卻窯內(nèi)進(jìn)行煅后焦的冷卻，來達(dá)到正常生產(chǎn)的目的。冷卻窯的冷卻主要依靠冷卻窯直接冷卻水和間接冷卻水進(jìn)行控制，但間接冷卻水量是固定的，因此，我們只有控制直接冷卻水來達(dá)到控制排料溫度的目的，而直接冷卻水流量是通過進(jìn)水閥門開度進(jìn)行控制的，因此我們只需要控制直接冷卻水閥門開度，即可達(dá)到排料溫度穩(wěn)定的目的。

控制策略及實(shí)現(xiàn)

1、控制目標(biāo)

正常生產(chǎn)時(shí)要求排料溫度控制在60±10℃，其原因?yàn)椋?/p>

(1) 如果排料溫度過高，如經(jīng)常在80℃以上，高溫排料將損壞煅后焦運(yùn)輸皮帶，造成煅后皮帶更換次數(shù)增加，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，同時(shí)也有發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來隱患；

(2) 如果溫度過低，則會(huì)造成濕料情況發(fā)生，導(dǎo)致排料進(jìn)倉時(shí)發(fā)生堵料情況，需要工人人工淘出濕料，同樣影響正常生產(chǎn)。

因此，通過調(diào)節(jié)直接冷卻水流量，控制煅后焦溫度穩(wěn)定在60±10℃，達(dá)到提高煅后焦質(zhì)量和安全、高效生產(chǎn)的最終目標(biāo)。

2、排料溫度的控制方案

冷卻窯的排料冷卻過程是一個(gè)大慣性、純滯后、非線性、時(shí)變性和多干擾的生產(chǎn)過程，煅后焦從進(jìn)入冷卻窯到出料大約需要20分鐘，煅后焦溫度的測量在冷卻窯窯尾，而直接冷卻水冷卻高溫物料卻在冷卻窯窯頭，這樣就造成了排料溫度的測量和水流量調(diào)節(jié)控制之間的大滯后，從而給控制帶來了難度。

圖2是現(xiàn)場采集的蒸汽溫度和排料溫度曲線,反映了兩者之間的相關(guān)性。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的相關(guān)分析可知，排料溫度滯后蒸汽溫度17至23分鐘左右，因而蒸汽溫度基本能反映20分鐘后的排料溫度。

圖2 蒸汽溫度和排料溫度之間的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，只要蒸汽溫度控制穩(wěn)定，那么排料溫度也基本穩(wěn)定，因此提出了以蒸汽溫度為被控量，通過控制直接冷卻水流量使其穩(wěn)定即可，如圖3所示，這樣可以克服系統(tǒng)固有的大滯后問題。

圖3 蒸汽溫度和排料溫度之間的關(guān)系

直接冷卻水流量通過調(diào)節(jié)直接冷卻水調(diào)節(jié)擋板開度。然而，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，直接冷卻水流量和擋板開度之間是嚴(yán)重的非線性，而且不同時(shí)刻不同水壓下水流量也不一樣，為此我們進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，由于現(xiàn)場正常生產(chǎn)時(shí)對擋板開度的操作要求在15%以下進(jìn)行控制，因此我們只需得出擋板開度在15%以下時(shí)擋板開度和直接冷卻水流量之間的關(guān)系即可，如表1所示。

表1 擋板開度和直接冷卻水流量之間的關(guān)系

根據(jù)表1中的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Matlab繪出擋板開度和直接冷卻水流量的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 擋板開度和直接冷卻水流量之間的關(guān)系

從圖中我們可以看到，擋板開度和水流量之間是嚴(yán)重的非線性，在不同的時(shí)刻不同的水壓下，同一擋板開度對應(yīng)的直接冷卻水流量都不一樣，而且現(xiàn)場并沒有安裝水壓測量裝置，這給控制帶來了極大的不便。

因此，我們采用直接利用水流量來控制目標(biāo)值，但是水流量是靠擋板開度來控制的，因此我們可以考慮采用串級PID控制[3]，即外環(huán)采用控制水流量調(diào)節(jié)蒸汽溫度，內(nèi)環(huán)采用控制調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)直接冷卻水流量，這樣可以消除系統(tǒng)的非線性所帶來的控制上的不便。其控制框圖如圖5所示：

圖5 帶有下料量前饋的模糊串級PID控制結(jié)構(gòu)圖

3、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整套系統(tǒng)采用二級系統(tǒng)的控制方案：一級采用AB公司的Logix 62系列PLC 完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和基本回路控制; 二級采用工控機(jī)，使用RSVIEW SE組態(tài)軟件作為主要開發(fā)軟件,使用VC并結(jié)合matlab開發(fā)復(fù)雜控制策略,完成帶有下料量前饋的模糊串級PID控制，通過DH+網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)之間通訊。其上位機(jī)控制畫面如圖6所示：

圖6 現(xiàn)場操作畫面

在圖6中，操作人員可以在界面上設(shè)置蒸汽溫度來控制排料溫度，從圖6中可以看到，當(dāng)蒸汽溫度設(shè)定在95℃時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度為6.0%，直接冷卻水流量為1365kg/h。排料溫度反饋為69℃，蒸汽溫度反饋為98℃。該系統(tǒng)現(xiàn)已投入正常生產(chǎn)，基本上滿足實(shí)際工程生產(chǎn)的要求。

現(xiàn)場控制效果

自動(dòng)控制投入前后分別如圖7和圖8所示：

圖7 自動(dòng)控制投入前歷史曲線

圖8 自動(dòng)控制投入后歷史曲線

從以上兩個(gè)圖可以看出：

• ①自動(dòng)控制投入前排料溫度在30℃到100℃之間大幅震蕩；而投入自動(dòng)控制后排料溫度基本穩(wěn)定在60±10℃。
• ②自動(dòng)控制投入前蒸汽溫度波動(dòng)范圍較大：80℃到140℃；而投入自動(dòng)控制后，蒸汽溫度波動(dòng)明顯減小。
• ③直接冷卻水流量的手動(dòng)調(diào)節(jié)造成調(diào)節(jié)滯后大，流量波動(dòng)范圍較大，從900 kg/h變化到3500kg/h；投入自動(dòng)控制后，直接冷卻水流量基本上穩(wěn)定在1400 kg/h。
• ④調(diào)節(jié)閥擋板開度波動(dòng)范圍明顯減小，減輕了電磁閥的磨損。

總之，引入自動(dòng)控制后，冷卻窯系統(tǒng)各工況參量--蒸汽溫度、排料溫度、直接冷卻水流量和直接冷卻水流量調(diào)節(jié)閥開度均能穩(wěn)定控制，使系統(tǒng)保持在一個(gè)較好的工況環(huán)境，從而達(dá)到了良好的系統(tǒng)控制效果。

結(jié)論

本文在分析炭素回轉(zhuǎn)窯冷卻窯生產(chǎn)過程工藝參數(shù)及其相關(guān)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種新的冷卻窯排料溫度的串級PID控制方法，解決了冷卻窯排料溫度控制上存在的非線性、大滯后等控制難題，實(shí)際系統(tǒng)在自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)排料溫度的穩(wěn)定，保證煅后焦質(zhì)量和現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)現(xiàn)場使用，現(xiàn)場使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)煅后焦溫度穩(wěn)定在60±10℃的控制目標(biāo)。冷卻窯排料溫度的自動(dòng)控制不僅能大大降低現(xiàn)場操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對延長煅后焦皮帶的使用壽命，防止煅后焦?jié)窳隙铝希ＷC安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率和節(jié)約資源具有重要意義，同時(shí)對炭素回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)人員具有一定的參考價(jià)值。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于串級PID控制算法的炭素回轉(zhuǎn)窯排料溫度的自動(dòng)控制”，作者為程紅、楊紅亮等。）