炭素回轉(zhuǎn)窯是煅燒石油焦的設備，煅燒石油焦是為了提高炭質(zhì)原料的密度和機械強度,提高原料的導電性能和化學穩(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)的一個非常重要的指標，但冷卻窯的排料冷卻過程是一個大慣性、純滯后、非線性、時變性和多干擾的生產(chǎn)過程，這就給控制設計人員提出了一個難題。目前炭素回轉(zhuǎn)窯的排料溫度均屬于手動操作，自動化程度低，沒有實現(xiàn)閉環(huán)控制，排料溫度波動范圍很大，嚴重影響煅后焦的質(zhì)量，同時也加大了工人的勞動強度。

因此，本文是以國內(nèi)某大型電解鋁廠炭素回轉(zhuǎn)窯控制技術改造為背景，結合現(xiàn)場工人操作經(jīng)驗，采用串級PID控制算法進行控制器的設計，實現(xiàn)了冷卻窯的自動控制，并使得排料溫度控制在合理的溫度區(qū)間內(nèi)，達到提高煅后焦質(zhì)量的最終目標。

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)由大窯窯尾進料口進入大窯進行高溫煅燒，煅燒后的成品從窯頭進入冷卻窯進行冷卻，冷卻后的成品經(jīng)皮帶運送到倉庫，再經(jīng)過壓縮，成型，為鋁電解提供陽極原材料[2]。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯結構示意圖

從大窯窯頭進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)進行煅后焦的冷卻，來達到正常生產(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到控制排料溫度的目的，而直接冷卻水流量是通過進水閥門開度進行控制的，因此我們只需要控制直接冷卻水閥門開度，即可達到排料溫度穩(wěn)定的目的。

控制策略及實現(xiàn)

1、控制目標

正常生產(chǎn)時要求排料溫度控制在60±10℃，其原因為：

(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輸皮帶，造成煅后皮帶更換次數(shù)增加，嚴重影響生產(chǎn)的正常進行，同時也有發(fā)生火災的危險，給現(xiàn)場安全生產(chǎn)帶來隱患；

(2) 如果溫度過低，則會造成濕料情況發(fā)生，導致排料進倉時發(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℃，達到提高煅后焦質(zhì)量和安全、高效生產(chǎn)的最終目標。

2、排料溫度的控制方案

冷卻窯的排料冷卻過程是一個大慣性、純滯后、非線性、時變性和多干擾的生產(chǎn)過程，煅后焦從進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性。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的相關分析可知，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系

根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗，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重的非線性，而且不同時刻不同水壓下水流量也不一樣，為此我們進行了現(xiàn)場試驗，由于現(xiàn)場正常生產(chǎn)時對擋板開度的操作要求在15%以下進行控制，因此我們只需得出擋板開度在15%以下時擋板開度和直接冷卻水流量之間的關系即可，如表1所示。

表1 擋板開度和直接冷卻水流量之間的關系

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

圖4 擋板開度和直接冷卻水流量之間的關系

從圖中我們可以看到，擋板開度和水流量之間是嚴重的非線性，在不同的時刻不同的水壓下，同一擋板開度對應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控制結構圖

3、控制系統(tǒng)實現(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，使用RSVIEW SE組態(tài)軟件作為主要開發(fā)軟件,使用VC并結合matlab開發(fā)復雜控制策略,完成帶有下料量前饋的模糊串級PID控制，通過DH+網(wǎng)絡實現(xiàn)兩系統(tǒng)之間通訊。其上位機控制畫面如圖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置蒸汽溫度來控制排料溫度，從圖6中可以看到，當蒸汽溫度設定在95℃時，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)，基本上滿足實際工程生產(chǎn)的要求。

現(xiàn)場控制效果

自動控制投入前后分別如圖7和圖8所示：

圖7 自動控制投入前歷史曲線

圖8 自動控制投入后歷史曲線

從以上兩個圖可以看出：

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

總之，引入自動控制后，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)保持在一個較好的工況環(huán)境，從而達到了良好的系統(tǒng)控制效果。

結論

本文在分析炭素回轉(zhuǎn)窯冷卻窯生產(chǎn)過程工藝參數(shù)及其相關特性的基礎上，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，實際系統(tǒng)在自動控制的基礎上，實現(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。冷卻窯排料溫度的自動控制不僅能大大降低現(xiàn)場操作人員的勞動強度，對延長煅后焦皮帶的使用壽命，防止煅后焦?jié)窳隙铝?，保證安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率和節(jié)約資源具有重要意義，同時對炭素回轉(zhuǎn)窯的技術人員具有一定的參考價值。

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