蔡少剛，吳慧雅,張榮秀

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250022；2.濟南奧圖自動化工程有限公司，山東濟南 250306）

沸騰冷卻床加水系統(tǒng)的自動控制

蔡少剛1，吳慧雅2,張榮秀1

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250022；2.濟南奧圖自動化工程有限公司，山東濟南 250306）

本設(shè)計采用比例-積分控制原理，簡化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于振動沸騰冷卻床的加水系統(tǒng)，實現(xiàn)加水系統(tǒng)的自動控制。

沸騰冷卻；舊砂冷卻增濕；加水系統(tǒng)；比例-積分控制

砂處理工部中振動沸騰冷卻床（以下簡稱冷卻床）工作時，舊砂由加砂口落到沸騰板上，鼓風機產(chǎn)生的氣流使通過沸騰板上的舊砂流態(tài)化，同時沸騰床加水系統(tǒng)在舊砂上方噴水霧，與流態(tài)化的舊砂在沸騰板上進行換熱冷卻，流態(tài)化的舊砂從進口向出口方向運動，從冷卻床出口卸出。在運動過程中砂料之間通過搓擦作用使粘附在粘土砂顆粒周圍失效了的微粉（粘土）脫離并隨氣流進入除塵系統(tǒng)。

冷卻床加水系統(tǒng)（以下簡稱加水系統(tǒng)）在冷卻床工作時加冷卻水，促進熱交換，提高冷卻效果。

在舊砂冷卻過程中，必須控制加水量，舊砂中水分過小或過大，都不利于型砂的混制[2]。加水量小，則相對蒸發(fā)的少，冷卻效果不明顯；加水量過大，砂子水份大，流動性差，在設(shè)備中易粘附，會降低設(shè)備運行的可靠性。

本設(shè)計采用比例-積分控制原理,對加水系統(tǒng)進行控制,通過檢測舊砂溫度、濕度等相關(guān)參數(shù),進行數(shù)學(xué)運算后,控制加水系統(tǒng)的加水量，不但能保證加水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，更能提高加水系統(tǒng)的加水精度,實現(xiàn)了對冷卻床出口舊砂溫度和水份的精確控制。

1 加水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在冷卻床入口處安裝一個溫度傳感器，用于檢測入口舊砂溫度；冷卻床出口處安裝一個溫度傳感器和一個濕度傳感器，用于檢測冷卻床出口的溫度和濕度。

加水控制系統(tǒng)采用西門子PLC作為控制器，濕度傳感器、溫度傳感器將檢測到的信號傳給PLC，經(jīng)PLC運算后，通過模擬量輸出信號控制流量閥1和流量閥2開關(guān)大小，從而控制加水量。

通過分析冷卻床加水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出，冷卻床靠近入口的三組加水裝置加水后，由于氣流對流比較強烈，水與舊砂在冷卻床中能充分交換熱量，對舊砂起到明顯的降溫作用；相反，靠近出口的三組加水裝置加的水，蒸發(fā)量少，熱交換少，大部分水留在舊砂中，對舊砂有增濕作用。

根據(jù)加水裝置的工藝設(shè)計，把加水控制系統(tǒng)分成兩部分控制，用于降溫目的舊砂冷卻控制和用于增加水分目的舊砂水份控制

2 舊砂冷卻控制數(shù)學(xué)原理

冷卻床降溫原理實質(zhì)是熱交換過程，其中包含鼓風機鼓風帶走的熱量、水份蒸發(fā)帶走的熱量、粉塵及其它熱交換形式帶走的熱量。

那么，根據(jù)熱量（能量）守恒原理，冷卻床熱量平衡方程可表示為：

式中：ΔJS——舊砂從冷卻床入口到出口的熱量變化（J）；

ΔJ1——水份蒸發(fā)帶走的熱量（J）；

ΔJ2——鼓風機鼓風帶走的熱量（J）；

ΔJ3——其它熱交換形式帶走的熱量（J）。

實際生產(chǎn)中，ΔJ1和ΔJ2占主導(dǎo)部分，忽略ΔJ3，我們可以得到：

下面分析剩余兩種情況。

第一種，水份蒸發(fā)與舊砂熱量的關(guān)系。

水份蒸發(fā)帶走的熱量與水份蒸發(fā)量、水溫有關(guān)，假設(shè)加水水溫為A℃，在冷卻床中與舊砂充分熱交換后,水溫等于舊砂降溫后的溫度，在鼓風機的氣流作用下完全蒸發(fā)，那么根據(jù)能量平衡定律，可得：

式中：ΔJ1——水份蒸發(fā)帶走的熱量（J）；

Q水——單位時間水份蒸發(fā)量（包括冷卻床加水質(zhì)量和舊砂進入沸騰床舊砂含水質(zhì)量（kg）；C水——水的比熱容（J/kg·℃）；ΔT水——水的溫度變化（℃）；A——加水水溫（℃）；

T出——舊砂出口溫度（℃）。

那么由以上可以看出舊砂熱量的變化與Q水ΔT水成正比。

第二種，鼓風與舊砂熱量的關(guān)系。

鼓風降溫，同樣遵循能量平衡定律，假設(shè)空氣經(jīng)冷卻床時與舊砂進行了充分的熱交換,就是說經(jīng)冷卻床后空氣溫度與降溫后的舊砂相同,那么可得：式中：ΔJ2——鼓風帶走的熱量（J）；

Q空——單位時間通過冷卻床空氣的質(zhì)量（kg/s）；

C空——空氣的比熱容（J/kg·℃）；

ΔT空——空氣的溫度變化（℃）。

由以上分析可以看出，空氣的熱交換與水份蒸發(fā)的熱交換存在相同的數(shù)學(xué)形式，由于空氣的比熱容比水的比熱容小很多，所以表達式可以簡化為：

式中：ΔJS——舊砂從冷卻床入口到出口的熱量變化；

ΔJ1——水份蒸發(fā)帶走的熱量。

式中：ΔJS——舊砂從入口到出口的熱量變化；

T入——入口舊砂溫度（℃）；

T出——出口舊砂溫度（℃）；

C砂——舊砂比熱容（J/kg·℃）

Q砂——單位時間加砂量（kg/s）。

由式 3、5、6 可以得出：

那么，整理式7，可得：

分析式8，其中C砂、C水為常數(shù)，作為冷卻床供砂量Q砂也是恒定的，當把出口溫度作為目標控制溫度T設(shè)時，那式8又可簡化為：

式中：Q水——單位時間加水量（kg/s）；

K1、K2——式8簡化后的系數(shù)。

由式9可以得出，單位時間加水量與冷卻床入口舊砂溫度成正比關(guān)系，但在公式的推理過程中，忽略了部分因素，并且理想化了一些過程（不可能完全熱交換），因此根據(jù)現(xiàn)有公式去控制系統(tǒng)，輸出必然存在誤差，為了消除誤差引入積分控制[1]。

通過檢測冷卻床出口處的舊砂溫度，再與溫度設(shè)定值比較后，通過計算修正加水量，這樣可以減小并消除誤差，其數(shù)學(xué)式可表達為：

式中：Q水——單位時間加水量（kg/s）;

T設(shè)——設(shè)定溫度（℃）；

T出——出口溫度（℃）；

K1、K2、K3——系統(tǒng)系數(shù)。

由上式可以看出，加入了積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，當T出－T設(shè)＞0時，降溫系統(tǒng)開始補水，增加降溫效果；當T出－T設(shè)＜0時，降溫系統(tǒng)開始減水，控制降溫效果；當T入－T設(shè)=0時，降溫系統(tǒng)控制誤差為0。

由以上分析可以看出，引入積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，可以提高控制精度，消除余差。

3 水份控制數(shù)學(xué)原理

加水系統(tǒng)在降溫的同時對砂子的濕度也產(chǎn)生了影響，這時沸騰床出口的濕度檢測探頭可以檢測到砂子的實際濕度，根據(jù)工藝要求，舊砂水份含量一般控制在 1．8%～2．2%的范圍內(nèi)。

增濕的加水量與舊砂量是正比關(guān)系，可得以下數(shù)學(xué)表達式：

式中：Q濕——單位時間增濕加水量（kg/s）；

Q砂——單位時間加砂量（kg/s）；

M檢——加水前水份含量；

M設(shè)——水份設(shè)定值。

水份控制和降溫控制的不同處是，水份控制無法提前檢測，就是說在冷卻床入口出檢測的舊砂濕度不能應(yīng)用于增濕計算，原因是舊砂原有水份在經(jīng)過冷卻床時大量的蒸發(fā)了，那么只能通過檢測出口舊砂水份含量，控制舊砂增濕加水量。

當M設(shè)作為已知值時，式11，可簡化為：

式中：Q濕——單位時間增濕加水量（kg/s）;

K2、K1——式11簡化后的系數(shù)。

由于受Q濕的影響，如果直接把M檢作為系統(tǒng)的輸入變量應(yīng)用于控制，會導(dǎo)致系統(tǒng)控制極不穩(wěn)定。為了解決這個問題，在增濕系統(tǒng)運行前先計算并保存（K2－K1×M檢）作為控制預(yù)置值 A，即，A=（K2－K1×M檢）。那么，引入積分環(huán)節(jié)后，加水量與檢測水份值數(shù)學(xué)表達式：

式中：Q濕——單位時間增濕加水量（kg/s）;

Q砂——單位時間加砂量（kg/s）;

A——增濕系統(tǒng)預(yù)置值；

M出——出口砂水份含量；

M設(shè)——砂水份設(shè)定值；

K3——系統(tǒng)系數(shù)。

增濕系統(tǒng)預(yù)置值A(chǔ)，是增濕部分投入運行前計算獲得，由上式可以看出，其原理與冷卻控制類似，最終由積分環(huán)節(jié)可以消除誤差。當M出－M入＞0,輸出增加，加水量增加，提高舊砂水份含量；當M出－M入＜0,輸出減少，加水量減少，降低舊砂水份含量；當M出－M入=0,控制誤差為 0。

4 系數(shù)修正

通過組態(tài)軟件可以監(jiān)視舊砂出口溫度、出口濕度和時間的關(guān)系曲線，通過觀察曲線的動態(tài)過程，修正控制系統(tǒng)中比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)響應(yīng)。另外，因為季節(jié)的變化影響沸騰床的降溫增濕效果，可以通過組態(tài)界面對系統(tǒng)控制參數(shù)做工藝配方。不同的外部環(huán)境，選擇不同的工藝配方參數(shù)，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便靈活。

5 加水系統(tǒng)的投運

本系統(tǒng)采用比例-積分控制，系統(tǒng)投運遵循先比例、后積分[1]，就是先讓比例環(huán)節(jié)起作用，然后在投入積分環(huán)節(jié)。這樣做的原因是，系統(tǒng)運行初始，實際值和設(shè)定值之間的誤差最大，如果積分投入運行的話，會有很大的輸出值，容易使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)量，不易控制；通過前面分析，降溫系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)都可看成比例環(huán)節(jié)，所以比例環(huán)節(jié)起作用后，就能近似得到理想的輸出值，引入積分環(huán)節(jié)目的是消除誤差，系統(tǒng)也可以在運行過程中自身動態(tài)調(diào)整。

系統(tǒng)初步調(diào)試時，需先確定降溫系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)系數(shù)。

沸騰床運行時，當系統(tǒng)檢測沸騰床內(nèi)有砂時，冷卻系統(tǒng)啟動，比例環(huán)節(jié)首先起作用（選用較小的比例系數(shù)），積分環(huán)節(jié)不起作用，觀察沸騰冷卻床出口砂溫，逐漸加大比例系數(shù)，當出口溫度接近并小于設(shè)定值時記錄下此時的數(shù)值作為比例系數(shù)。

系統(tǒng)正常運行時，比例環(huán)節(jié)先起作用，當出口溫度接近穩(wěn)定時，積分環(huán)節(jié)投入運行，這時系統(tǒng)根據(jù)溫度變化可以自動調(diào)整加水量。延時啟用積分環(huán)節(jié)去消除系統(tǒng)誤差，可以避免大的超調(diào)量，也可以保證系統(tǒng)的動態(tài)性能。

增濕系統(tǒng)的投運與降溫系統(tǒng)類似，但啟動應(yīng)滯后于降溫系統(tǒng)。原因是降溫系統(tǒng)對砂的水份含量存在影響，系統(tǒng)要對此判別后計算出預(yù)置值A(chǔ)，再使增濕系統(tǒng)投運。

為了使系統(tǒng)運行的更加穩(wěn)定，可以在工藝允許的范圍內(nèi)，把設(shè)定值設(shè)成一個范圍值，即目標值在這個范圍內(nèi)，就認為目標值穩(wěn)定，積分環(huán)節(jié)停止調(diào)整。

以上工藝流程完全由PLC編寫程序?qū)崿F(xiàn)，通過組態(tài)軟件，可以監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)的運行參數(shù)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。

6 結(jié)語

比例-積分控制原理應(yīng)用于沸騰冷卻床的加水系統(tǒng)，可使加水系統(tǒng)通過檢測舊砂溫度和濕度，自動調(diào)整加水量，實現(xiàn)對舊砂溫度、水份的自動控制。另外，完善的組態(tài)界面，可實時對系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控，記錄實時數(shù)據(jù)、報警，方便數(shù)據(jù)分析，調(diào)整工作參數(shù)。

[1]王樹青,等編著.工業(yè)過程控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

[2]于海巖，姚繼成.鑄造車間舊砂冷卻問題淺析[J].鑄造設(shè)備研究，2005.4.

Automatic Control of a Water Addition System of a Fluidized Bed for Cooling

CAI ShaoGang1,WU HuiYa2,ZHANG RongXiu1
(1.Jinan Foundry&Metalforming Machine Research Institute Co.Ltd.,Jinan 250022,Shandong China；2.Jinan Aaotu Automation Engineering Co.Ltd.,Jinan 250306,Shandong China)

The mathematic model of an additon system of water in a fluidized bed for cooling has been simplified because of the adoption of proportion integral control principle in design,resulting in the realization of the automatic control of a water addtion system.

Fluidization cooling;Moisture addition in old sand cooling;Water addition system;proportion integral control

TG231.2;

A；

1006－9658（2012）03－0007-4

2012－02－20

稿件編號：1202－016

蔡少剛（1983-），男，助理工程師，主要從事鑄造設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計