何勇

分解爐出口溫度自動(dòng)控制功能及實(shí)現(xiàn)

Automatic Control Functions and Implementation of Outlet Temperature of Calciner

何勇

1 前言

分解爐出口溫度是新型干法水泥煅燒過程熱工制度動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一，穩(wěn)定分解爐出口溫度是保證熟料的產(chǎn)質(zhì)量、降低煤耗的重要條件。采用PID自動(dòng)控制功能穩(wěn)定分解爐出口溫度，是眾多水泥廠和自動(dòng)化廠商采用的方法。許多廠商推出的專門控制功能產(chǎn)品，集成了各種先進(jìn)、流行、成熟的控制理論，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這種方式在許多水泥熟料生產(chǎn)線得到應(yīng)用，也取得了一定的效果。各品牌DCS系統(tǒng)也在系統(tǒng)功能塊中集成了多種自動(dòng)控制功能塊，但集成的控制功能調(diào)試過程較為復(fù)雜，需要掌握自動(dòng)控制理論和具有豐富的自動(dòng)控制調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，調(diào)試過程甚至?xí)绊懙秸Ｉa(chǎn)。而專門的控制功能產(chǎn)品不僅調(diào)試復(fù)雜，而且價(jià)格較為昂貴，企業(yè)需支付不菲的費(fèi)用。

我公司技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)需要，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際情況和工藝要求，轉(zhuǎn)變思路，以DCS集成的PID控制功能模塊為核心，摸索出一種簡單且易于調(diào)試的分解爐溫度自動(dòng)控制模式，并在我公司5000t/d熟料燒成系統(tǒng)中得到了較好應(yīng)用。

2 典型PID自動(dòng)控制模型

PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有七十多年歷史。PID控制器簡單易懂，使用中無需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。其原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的組合計(jì)算出對被控對象的調(diào)節(jié)控制量。關(guān)于PID的控制理論業(yè)已成熟，在此不再贅述。圖1為典型PID自動(dòng)控制模型框圖。

3 我公司應(yīng)用PID自動(dòng)控制的思路

我公司自動(dòng)控制系統(tǒng)以PID控制功能模塊為核心，以分解爐出口溫度為被控對象，以尾煤轉(zhuǎn)子秤喂煤量為調(diào)節(jié)量，以實(shí)測分解爐出口溫度作為反饋值，根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)測溫度的差值，由PID模塊庫自動(dòng)運(yùn)算輸出調(diào)節(jié)量，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子秤喂煤量，使實(shí)測溫度不斷靠近設(shè)定溫度，從而實(shí)現(xiàn)分解爐出口溫度自動(dòng)控制。許多自動(dòng)控制系統(tǒng)為得到較好的運(yùn)行效果，往往需要較大的調(diào)節(jié)范圍，通常調(diào)節(jié)范圍分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子秤的實(shí)際量程。由于現(xiàn)場工況變化較大，當(dāng)實(shí)測溫度偏離設(shè)定值較多時(shí)，溫度偏差也變大，此時(shí)自控功能需要輸出較大的調(diào)節(jié)量以盡快返回到設(shè)定溫度，極端情況下的溫度偏差甚至?xí)箤?shí)際喂煤量達(dá)到量程最大值或量程最小值，從而引起PID振蕩、失調(diào)，導(dǎo)致工藝系統(tǒng)更加不穩(wěn)定，甚至造成生產(chǎn)事故，影響正常生產(chǎn)，此時(shí)操作員只能放棄自動(dòng)而轉(zhuǎn)為手動(dòng)調(diào)節(jié)。為此我們采用限制PID控制功能的可調(diào)節(jié)范圍的辦法給予解決。以中控給煤量為基礎(chǔ)，PID運(yùn)算調(diào)節(jié)值在中控給煤量的基礎(chǔ)上做累加，PID運(yùn)算調(diào)節(jié)量可以為正也可以為負(fù)，用累加值作為最終的喂煤調(diào)節(jié)量作用于轉(zhuǎn)子秤。我們設(shè)定PID控制喂煤量調(diào)節(jié)范圍為±2t/h，即PID功能最大只能輸出2t/h，最小輸出-2t/h。假如中控給煤量為15t/h，則最終的給煤量最大為17t/h，最小為13t/h，實(shí)際給煤量在13t/h和17t/h之間自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)喂煤量達(dá)到最大值或最小值仍不能滿足設(shè)定溫度要求時(shí)，則通過操作員微調(diào)中控給煤量使最終調(diào)節(jié)范圍整體上移或下移，從而使系統(tǒng)在新的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整,避免工況變差和出現(xiàn)生產(chǎn)事故。由于可以避免工況惡化和生產(chǎn)事故，使得自動(dòng)控制投入條件較為寬松，沒有太多的要求，參數(shù)整定過程也變得極其簡單，操作員可以根據(jù)工況變化隨時(shí)更改比例、積分、微分參數(shù)，只需在更改初期給予一定的關(guān)注度即可。

圖1 典型PID自動(dòng)控制模型框圖

由于各DCS產(chǎn)品大都集成了PID控制功能模塊，該系統(tǒng)的編程也比較簡單，使用DCS系統(tǒng)集成的PID功能模塊即可完成編程，不需要任何額外的投入。

4 使用效果

該系統(tǒng)在我公司熟料生產(chǎn)線上取得了較為明顯的效果。自動(dòng)控制投入前，操作員需要緊盯分解爐出口溫度，根據(jù)分解爐溫度變化情況不斷調(diào)節(jié)給煤量，盡管如此，分解爐出口溫度的波動(dòng)仍然較大，波動(dòng)范圍在60℃左右，稍不注意會超過70℃。圖3為自動(dòng)控制投入前分解爐溫度波動(dòng)歷史曲線截圖。

從圖3可以看出，溫度波動(dòng)范圍約為60℃，表現(xiàn)為波動(dòng)范圍大，變化無規(guī)律，需要根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整，人工干預(yù)明顯不適應(yīng)工況變化，多次調(diào)整也無法穩(wěn)定。

圖2 我公司實(shí)際應(yīng)用PID自動(dòng)控制模型框圖

圖3 自動(dòng)控制投入前3h分解爐溫度變化曲線圖

圖4 自動(dòng)控制投入后4h溫度變化曲線圖

圖5 自動(dòng)控制投入后轉(zhuǎn)子秤喂煤率變化

圖6 CONCEPT軟件編程功能實(shí)現(xiàn)圖

圖7 中控實(shí)際操作界面

從圖4中可以看出，自動(dòng)控制投入后，溫度波動(dòng)范圍明顯縮小，且始終在設(shè)定溫度值上下波動(dòng)，即使遇到喂煤秤短時(shí)下煤不穩(wěn)或生料秤喂料波動(dòng)大等不利工況，在經(jīng)歷短時(shí)波動(dòng)后，溫度也會趨于穩(wěn)定。從圖5可以看出，轉(zhuǎn)子秤喂煤反饋量為一平滑的正弦曲線，實(shí)時(shí)變化明顯，實(shí)際喂煤量始終在隨最終給定量變化。根據(jù)多日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在操作員完全不干預(yù)的情況下，1h溫度波動(dòng)在較好工況下低于10℃，一般波動(dòng)在十余度左右，而在不利工況下溫度波動(dòng)會短時(shí)間升至二十余度。但由于自動(dòng)控制的投入，分解爐出口溫度始終向設(shè)定溫度值不斷調(diào)整，大大穩(wěn)定了燒成系統(tǒng)工況，使熟料生產(chǎn)條件得到較好的滿足，熟料質(zhì)量合格率得到提高。同時(shí)操作員無需時(shí)時(shí)調(diào)整喂煤量，從而有足夠的時(shí)間考慮優(yōu)化整體燒成系統(tǒng)的狀況。工況的穩(wěn)定也使分解爐燃燒更加充分，降低了煤粉消耗，客觀上達(dá)到了節(jié)煤的效果。

5 編程組態(tài)功能在下位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

我公司5000t/d熟料生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)使用施耐德公司的昆騰系列140 CPU43412A PLC控制系統(tǒng)，下位機(jī)編程軟件為CONCEPT5，上位機(jī)操作系統(tǒng)為Monitor pro V7.2，編程組態(tài)方式采用FBD功能塊，自動(dòng)控制的PID功能采用功能庫中集成的PID1模塊，具體調(diào)用路徑為Library-＞CONT_CTL-＞CLC-＞PID1，下面以我公司DCS系統(tǒng)為例說明編程功能的實(shí)現(xiàn)。

圖6中，PID1功能塊的MAN引腳實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式的切換，將此引腳功能引入中控室操作員站，由操作員自主選擇是否投入自動(dòng)方式。YMAN引腳為手動(dòng)方式時(shí)的輸出值，設(shè)為0，即在選擇非自動(dòng)控制時(shí)，PID1功能塊的輸出值為0，從而不影響操作員正常操作。SP引腳為溫度設(shè)定值，引入操作員站，由操作員輸入給定期望溫度值。PV引腳為實(shí)際測量溫度值，通過把實(shí)測溫度值乘以10取整后再除以10，取小數(shù)點(diǎn)后一位。EN_P、EN_I、EN_D引腳都為1，從而啟用該功能塊的比例、積分、微分功能。GAIN引腳為比例系數(shù)P，TI、TD分別為積分時(shí)間和微分時(shí)間，單位為秒，也引入操作員站，由操作員自主整定這三個(gè)參數(shù)。由于中控設(shè)定的積分時(shí)間和微分時(shí)間傳到下位機(jī)后默認(rèn)單位為微秒，為方便操作，在下位機(jī)乘以1000轉(zhuǎn)換為秒。YMAX、YMIN引腳為PID1模塊輸出的最大值和最小值限制，我們設(shè)為2和-2。PID1功能塊的輸出值Y和中控給定喂煤值K5AC_FG_M加和后作為轉(zhuǎn)子秤的最終給定喂煤量，AOOUT功能塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸出的工程量轉(zhuǎn)換，使用MIN功能塊使最終給定喂煤量不超過轉(zhuǎn)子秤最大量程。當(dāng)處于非自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，Y輸出值主YMAN引腳值即0，則轉(zhuǎn)子秤最終給定喂煤量為中控給喂煤值；當(dāng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，Y輸出值為PID模塊的實(shí)際運(yùn)算調(diào)節(jié)量，則轉(zhuǎn)子秤最終設(shè)定喂煤量為中控喂煤值和實(shí)際運(yùn)算調(diào)節(jié)量的累加。通過上述簡單編程即可實(shí)現(xiàn)喂煤量的自動(dòng)控制。為方便調(diào)節(jié)，我們將實(shí)際調(diào)節(jié)量引入操作員站，使操作員可實(shí)時(shí)查看PID運(yùn)行狀況。

TQ172.622.29

A

1001-6171（2015）02-0049-03

河南省同力水泥有限公司，河南鶴壁458008；

2014-07-21；編輯：趙蓮