(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京100083； 2. 江陰市啟泰非金屬工程有限公司， 江蘇江陰214416)

SLG型粉體表面改性機目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于粉體表面改性工業(yè)，在超細碳酸鈣、尤其是輕質(zhì)碳酸鈣的工業(yè)化干法連續(xù)表面改性中占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。根據(jù)粉體和改性藥劑種類的不同， 可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)門和料門的開度來調(diào)整改性過程中的溫度[3]。但目前SLG型粉體表面改性機在運行時其機械式溫度計反應(yīng)慢、 誤差大， 無法及時準(zhǔn)確地反映改性腔中溫度的變化情況。 此外， 改性腔溫度調(diào)節(jié)依靠人工操作， 調(diào)試制度依賴于生產(chǎn)經(jīng)驗和設(shè)備廠家的調(diào)試經(jīng)驗。 在全球制造業(yè)向工業(yè)4.0發(fā)展的時代背景下[4-7]， 對改性機溫度控制進行自動化改造勢在必行。

SLG型粉體表面改性機的改性過程不需要外部熱源，針對其自生熱源展開研究的文獻較為少見，目前尚缺乏系統(tǒng)性的定量研究，從理論上建立溫度變化模型還無法實現(xiàn)。

本文中在SLG-200型粉體表面改性機上搭建溫度檢測調(diào)控實驗系統(tǒng)，對風(fēng)門和料門調(diào)溫規(guī)律進行分析和測試實驗研究，探究改性機空載運行條件下風(fēng)門和料門對改性腔溫度的調(diào)控規(guī)律，建立以“風(fēng)門/料門開度”為輸入變量、以“改性腔溫度”為輸出變量的溫度模型。

1 溫度調(diào)控分析

改變風(fēng)門與料門的開度是SLG型粉體表面改性機運行中調(diào)節(jié)改性溫度的主要手段。風(fēng)門與料門均采用蝶閥，蝶閥流量特性接近于等百分比特性，其調(diào)節(jié)的放大系數(shù)是變化的，即隨相對流量的增大而增大。料門的閥片安裝在改性機出料管路橫斷面上，風(fēng)門的閥片安裝在由改性機出料管側(cè)壁鑿開的風(fēng)口上。SLG型粉體表面改性機出料端結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—出料管；2—風(fēng)門；3—料門；4—出料口；5—改性腔。圖1 粉體表面改性機出料端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge end structure of SLG powder surface modification machine

風(fēng)門與料門的開度對改性溫度的調(diào)節(jié)具有耦合作用。兩者開度不同，改性機內(nèi)部的空氣流量和散熱速率均不相同。主要存在如下3種情形：

1)當(dāng)風(fēng)門開度較小時，料門開度由大到小進行調(diào)節(jié)，料門閥片對改性腔溫度影響較小，增益小，特征時間常數(shù)大；當(dāng)料門開度逐漸減小后，料門閥片對出料口處的氣流阻力逐漸增大，空氣流量減小，通過氣流散失的熱量減小，改性機內(nèi)部溫度開始升高；改性腔體溫度升高后，改性機內(nèi)外溫差增大，隨氣流帶走的熱量增大。運行一段時間后，改性溫度相對穩(wěn)定下來，達到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

2)當(dāng)風(fēng)門開度逐漸增大時，由風(fēng)門閥片進入出料管的氣流量增大，使得料門到風(fēng)門位置的壓差減小，出料口處的氣流量減小，進而使改性腔溫度升高，直到溫度達到新的穩(wěn)態(tài)。相比于風(fēng)門開度較小時的情形，此時風(fēng)門對溫度的影響增大，調(diào)整相同開度時，溫度變化幅度增大，溫度達到穩(wěn)定的時間延長，即風(fēng)門調(diào)節(jié)時的增益增大、特征時間常數(shù)增大。同時，由于出料口處氣流的減小，料門對氣流的影響作用增大，與風(fēng)門開度較小時相比，若此時料門調(diào)節(jié)相同的開度，溫度的變動幅度更明顯。由于氣流量的減小，溫度變化的時間變長，因此料門調(diào)節(jié)時的增益增大，特征時間常數(shù)增大。

3)當(dāng)風(fēng)門開度較大時，根據(jù)蝶閥的流量特性可知， 風(fēng)門處的流量幾乎達到最大值。 風(fēng)門開度的繼續(xù)增大對風(fēng)門處流量的影響減小， 甚至可以忽略， 此時風(fēng)門調(diào)節(jié)的增益減小， 需要更長的時間才能將風(fēng)門對溫度的影響體現(xiàn)出來， 即特征時間常數(shù)增大。 出料管中的負壓主要由風(fēng)門分擔(dān)， 料門位置與風(fēng)門位置之間的壓差也達到最小， 改性機中的氣流流動主要由主機旋轉(zhuǎn)帶動， 出料口處的空氣流量達到最小， 此時料門調(diào)節(jié)相同開度時的溫度變化幅度會增大。 由于氣流量小， 溫度達到新穩(wěn)態(tài)的時間會再次延長， 因此料門調(diào)節(jié)的增益更大， 特征時間常數(shù)更大。

綜上，出料口處的空氣流量決定了改性腔內(nèi)的溫度變化速率。流量越小，料門調(diào)節(jié)時的增益和特征時間常數(shù)越大；反之則越小。而風(fēng)門開度對溫度的調(diào)節(jié)作用與蝶閥的流量特性有關(guān)，當(dāng)風(fēng)門開度較小或較大時，對相對流量的改變作用弱，所以對溫度的影響很小，增益小，特征時間常數(shù)最大；當(dāng)風(fēng)門由小調(diào)大時，增益先增大后減小，特征時間常數(shù)先減小后增大。

2 溫度調(diào)控系統(tǒng)

為了對改性機溫度進行自動化檢測，并對“風(fēng)門/料門”進行更精確的開度調(diào)節(jié)，搭建的改性腔溫度自動檢測與控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 改性腔溫度檢測與控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic temperature detection and control system of modification cavity

溫度測量選用PT100鉑電阻溫度傳感器，型號為CYGWITQMA,測溫范圍是0～200 ℃，其溫度感受端置于改性主機的3個改性腔，配套選用DY2113160溫度變送器； “風(fēng)門/料門”的自動調(diào)節(jié)選用蝶閥閥片的電動調(diào)節(jié)閥， 按改性機出廠時的手動“風(fēng)門/料門”的安裝直徑進行選型； 測量和執(zhí)行裝置經(jīng)西門子EMAM06“輸入/輸出”模塊連接至S7-200 SMART PLC主機, PLC主機經(jīng)網(wǎng)線連接到上位計算機。在計算機中配置PLC編程軟件和組態(tài)軟件，即可實現(xiàn)計算機自動記錄溫度檢測數(shù)據(jù)，同時通過鍵盤來便捷地調(diào)節(jié)“風(fēng)門/料門開度”[8-10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 改性腔及其溫度測量位置的選擇

SLG型改性機主機有3個改性腔， 分別記為腔1、 腔2和腔3。為篩選作為模型輸出變量的溫度量的檢測位置，在3個改性腔內(nèi)均安裝了溫度傳感器。改性腔內(nèi)溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，腔1溫度明顯低于腔2、腔3溫度，腔2、腔3溫度曲線幾乎重疊，溫差很?。豢紤]到腔3的溫度傳感器在改性機的出料口附近，最接近原機械式溫度計位置，更易于與原機械式溫度計對比，得以續(xù)用以往積累的運行經(jīng)驗，故選擇3號改性腔的溫度為調(diào)溫規(guī)律研究的輸出變量。

3.2 靜態(tài)模型

進行空載實驗的目的是了為研究“風(fēng)門/料門”不同開度組合下改性機主機的溫度情況，并研究全量程范圍內(nèi)風(fēng)門開度對溫度的影響。將改性機料門固定于不同開度，分別測量風(fēng)門開度從全閉合變化到全打開時的穩(wěn)態(tài)溫度。鑒于實際生產(chǎn)中料門開度范圍為30%～100%，不可能將料門關(guān)閉或打開太小，故選取30%、 45%、 55%、 60%、 65%、 70%、 75%、 80%、 85%、 90%、 95%、 100%共12種料門開度進行檢測；風(fēng)門開度的取值范圍為0～100%，按+5%遞增取值，共選取21個開度。為了便于觀察，圖4只繪出了5種料門開度下腔3穩(wěn)態(tài)溫度隨風(fēng)門開度的變化曲線。

圖3 3個改性腔內(nèi)溫度隨時間變化曲線Fig.3 Curves of temperature variation with time in three modification cavities

圖4 5種料門開度下溫度隨風(fēng)門開度的變化曲線Fig.4 Curves of temperature changing with opening of air valve under 5 kinds of opening of material valve

由圖4可以看出，當(dāng)料門開度一定時，風(fēng)門開度由0～100%變化過程中，改性機溫度隨風(fēng)門開度的增大而增大；風(fēng)門開度<20%或>80%時，溫度增加幅度很?。划?dāng)風(fēng)門開度在20%～80%區(qū)間內(nèi)時，改性機溫度隨著風(fēng)門開度的增大以較快的速率增加。料門開度一定、僅調(diào)整風(fēng)門時，溫度的調(diào)節(jié)范圍大于10 ℃，遠大于調(diào)整料門時溫度變化的幅度。

3.3 傳遞函數(shù)模型的建立

根據(jù)控制理論，常用傳遞函數(shù)模型來描述呈現(xiàn)大滯后、非線性、時變等特點的溫度特性，進而實現(xiàn)對容積對象的溫度過程控制[11-12]。

SLG粉體表面改性機的風(fēng)門與料門系串聯(lián)關(guān)系，兩者開度對改性腔溫度的影響不能截然分開，因而傳遞函數(shù)模型的建立方法為：固定風(fēng)門(或料門)開度，然后階躍地調(diào)節(jié)料門(或風(fēng)門)開度，得到溫度的階躍響應(yīng)，再利用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱求取傳遞函數(shù)[13-15]。比如，將風(fēng)門、料門的開度分別調(diào)到20%、 45%，待改性腔溫度達到穩(wěn)定后，再將料門開度減小至30%，持續(xù)測量改性腔溫度變化，直到溫度再次達到穩(wěn)定，得到溫度的變化曲線。再利用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱，求得以此料門開度階躍為輸入、3號改性腔溫度為輸出的傳遞函數(shù)為

(1)

式中：L表示料門開度階躍、風(fēng)門開度恒定；s為復(fù)變量；GL(s)表示料門開度階躍、風(fēng)門開度恒定時的傳遞函數(shù)；-0.37為增益，負號代表負調(diào)節(jié)，不表示增益大?。?83.87為時間常數(shù)。

實測溫度階躍響應(yīng)曲線與傳遞函數(shù)模型仿真曲線的對比圖如圖5所示。 兩者的匹配度為82.78%， 說明傳遞函數(shù)模型的仿真效果較好。

圖5 實測溫度階躍響應(yīng)曲線與傳遞函數(shù)模型仿真曲線Fig.5 Measured temperature step response curve and transfer function model simulation curve

依照上述方法進行多次實驗。如表1所示，將實驗所得改性腔溫度的傳遞函數(shù)進行匯總，表中的符號“”表示開度的階躍變化。GF(s)表示風(fēng)門開度階躍，料門開度恒定時的傳遞函數(shù)。

表1 改性腔溫度的傳遞函數(shù)

從傳遞函數(shù)模型辨識的結(jié)果看，當(dāng)風(fēng)門開度為20%、料門開度由65%逐漸減小到30%的過程中，傳遞函數(shù)的特征時間常數(shù)逐漸減小，即溫度達到新穩(wěn)態(tài)的時間越來越短，增益逐漸增大，即當(dāng)料門每次減小固定開度時，隨著料門的減小，溫度增大的幅度逐漸增加；當(dāng)風(fēng)門開度為70%時，增益變化情況與20%時一樣，但此時的特征時間常數(shù)變化規(guī)律與20%時相反，逐漸增大。風(fēng)門增大后，料門位置與風(fēng)門位置之間的壓差減小，改性機出料口位置空氣流量減小，料門調(diào)整相同開度時的增益變大，特征時間常數(shù)增大。

另外，風(fēng)門階躍傳遞函數(shù)的對比結(jié)果表明，料門開度較小(比如為30%)時，若風(fēng)門在較小開度(比如為20%)下階躍，溫度階躍響應(yīng)的增益也較大，時間常數(shù)較大，即改性腔升溫速率較慢，但升溫后達到新穩(wěn)態(tài)的溫度值較高。

4 結(jié)論

通過對改性腔溫度進行分析和測試實驗，研究了SLG型粉體表面改性機空載運行條件下“風(fēng)門/料門”對改性腔溫度的調(diào)控規(guī)律。結(jié)論如下：

1)由溫度傳感器、風(fēng)門調(diào)控、料門調(diào)控以及“PLC+上位計算機”構(gòu)成的SLG改性機溫度測控系統(tǒng)，能夠便捷地監(jiān)測3個改性腔溫度，能夠直觀精確地自動控制風(fēng)門開度與料門開度。該溫度測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及“傳感裝置/執(zhí)行裝置”的選型方案，可以擴展用于其他各型SLG改性機。

2)SLG改性機“風(fēng)門/料門”在0～100%開度范圍內(nèi)對改性腔溫度的調(diào)節(jié)效果是非線性的；空載條件下，SLG-200型改性機風(fēng)門調(diào)節(jié)改性腔溫度的有效范圍為20%～80%。

3)改性腔溫度傳遞函數(shù)以“風(fēng)門/料門開度”為輸入變量、3號改性腔溫度為輸出變量；風(fēng)門開度由小調(diào)大時，傳遞函數(shù)的增益先增大后減小，特征時間常數(shù)先減小后增大。

4)后續(xù)將圍繞進風(fēng)速度、喂料速度與改性腔溫度的關(guān)系進行研究，有望探明料門開度與喂料速度的關(guān)系以及風(fēng)門開度與進風(fēng)速度的關(guān)系。