水泥篦冷機(jī)回路優(yōu)化控制設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)

萬春紅 張東寧 楊彩鈴 汪 敏 趙桂林 周一戟

(1.昆明電器科學(xué)研究所，云南昆明 650221;2.云南國(guó)資水泥紅河有限公司，云南開遠(yuǎn) 661600)

0 概述

在預(yù)分解窯系統(tǒng)中，水泥篦冷機(jī)是水泥生產(chǎn)過程燒成系統(tǒng)中極其關(guān)鍵的熱工設(shè)備，它與旋風(fēng)筒、換熱管道、分解爐、回轉(zhuǎn)窯等熱工設(shè)備密切配合，構(gòu)成一個(gè)完整的新型干法水泥熟料煅燒體系，完成高溫熟料驟冷、熟料輸送、熱量回收等功能，對(duì)節(jié)約能源、改善熟料強(qiáng)度及易磨性等具有重要作用[1]。水泥篦冷機(jī)屬穿流驟冷式氣固換熱設(shè)備，冷卻空氣以垂直方向穿過篦床上的熟料層，使熟料得以冷卻，篦冷機(jī)一室篦下壓力是窯系統(tǒng)保持最佳熱工制度的重要工藝參數(shù)，不僅表示篦冷機(jī)篦床阻力，也可表示窯內(nèi)燒成帶溫度變化。根據(jù)流體力學(xué)理論，氣體通過料層的阻力，與料層厚度成正比關(guān)系，因此可用一室篦下壓力來間接反映料層的厚度，當(dāng)一室篦下壓力增高時(shí)，篦床速度需要隨之加快，反之亦然，以穩(wěn)定料層厚度，改善熟料冷卻狀況。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，篦冷機(jī)一、二段篦速調(diào)節(jié)回路，以及篦冷機(jī)系統(tǒng)中的其他調(diào)節(jié)回路，如:各冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量與風(fēng)門開度，窯頭罩微負(fù)壓與窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，大多仍采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，未達(dá)到控制性能和工藝性能的優(yōu)化。本文根據(jù)云南國(guó)資水泥紅河有限公司5號(hào)窯2000t/d熟料生產(chǎn)線DCS回路優(yōu)化控制的要求，基于Cimplicity 6.0組態(tài)軟件和Concept 2.6編程軟件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了二室篦下壓力與一段篦速PID、二段篦速比例調(diào)節(jié)、窯頭罩微負(fù)壓與窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID、各冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量與風(fēng)門開度PID等回路的優(yōu)化控制，并實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)無擾切換。經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行表明:篦冷機(jī)系統(tǒng)回路優(yōu)化控制可有效保障篦床上的料層厚度，使熟料冷卻均勻、入窯二次風(fēng)穩(wěn)定、篦冷機(jī)安全運(yùn)行，滿足工藝要求性能，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化控制的目標(biāo)。

1 篦冷機(jī)系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介

5號(hào)窯2000t/d熟料生產(chǎn)線采用國(guó)產(chǎn)第三代控制流充氣梁、水平推動(dòng)式篦冷機(jī)，其構(gòu)成如圖1所示[2]。

篦冷機(jī)鋼殼體的內(nèi)部裝有由固定篦板和活動(dòng)篦板相排列的篦床，篦板向上傾斜，使篦床呈鋸齒狀。在篦板上有許多長(zhǎng)孔或圓孔，熟料由回轉(zhuǎn)窯進(jìn)入篦冷機(jī)，在卸落過程中，就被篦孔下部及篦板縫隙向上運(yùn)動(dòng)的空氣直吹急冷，在傳動(dòng)裝置的作用下，活動(dòng)篦板沿固定篦板的表面作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)熟料層不斷進(jìn)行耙撥，使熟料由高溫區(qū)向出口端運(yùn)動(dòng)。在篦板下部空間用鋼板隔成幾個(gè)空氣室，以便按冷卻需要對(duì)各室適當(dāng)?shù)胤峙淇諝饬?。每一空氣室分別用管道與一臺(tái)中壓風(fēng)機(jī)相連，管道上設(shè)有閥門，通過閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)開啟程度，分配合適風(fēng)量。

圖1 水平推動(dòng)篦冷機(jī)構(gòu)成圖

篦冷機(jī)的主要作用是冷卻熟料、回收熱量，篦冷機(jī)的操作決定了二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫的高低、熱回收效率的高低、熟料的冷卻效果和煤磨的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)篦冷機(jī)的操作也直接影響熟料的質(zhì)量，因此篦冷機(jī)系統(tǒng)的回路優(yōu)化控制顯得尤為重要。篦冷機(jī)的回路控制主要有:一、二端篦床速度控制、冷卻風(fēng)機(jī)用風(fēng)量控制、窯頭罩微負(fù)壓控制等。一段篦床速度一般根據(jù)二室篦下壓力來調(diào)整;二段篦床速度根據(jù)篦床一段速度按比例來調(diào)整，并始終保持二段篦速＞一段篦速;冷卻風(fēng)機(jī)用風(fēng)量閥門開度根據(jù)各風(fēng)機(jī)出口壓力來調(diào)整;窯頭負(fù)壓表征著窯內(nèi)通風(fēng)及篦冷機(jī)入窯二次風(fēng)之間的平衡，窯頭排風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速根據(jù)窯頭罩微負(fù)壓來調(diào)整，正常生產(chǎn)中，窯頭負(fù)壓一般保持在－0.05～－0.1kPa，決不允許窯頭形成正壓，如產(chǎn)生正壓，將導(dǎo)致窯頭噴火，危及窯頭比色高溫計(jì)及看火電視等儀器。

2 PID控制算法

PID控制適用于線性連續(xù)系統(tǒng)，具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好等特點(diǎn)，是一種非常重要的回路控制算法，雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過適當(dāng)簡(jiǎn)化，可將其變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，仍然可使用PID控制，因此在工業(yè)過程控制中得到廣泛應(yīng)用，有95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)。其控制作用表達(dá)式為[3]:

式中，Kc為比例增益，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。

在5號(hào)窯2000t/d熟料生產(chǎn)線DCS中，下位編程軟件Concept 2.6是滿足可編程邏輯控制器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131－3的編程軟件，支持指令清單語言(IL)、結(jié)構(gòu)化文本語言(ST)、梯形圖語言(LD)、功能塊圖語言(FBD)和順序功能圖(SFC)等五種編程語言，下位控制程序使用FBD語言開發(fā)。在FBD環(huán)境下，Concept 2.6提供了豐富的FFB模塊庫(kù)，其中也包括PID模塊，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為:

該P(yáng)ID功能塊如圖2所示。圖中模塊外標(biāo)注的為輸入輸出端的數(shù)據(jù)類型，如:“BOOL”為布爾量，“REAL”為浮點(diǎn)型，“TIME”為時(shí)間型等。

圖2 PID功能塊

PID功能塊輸入輸出端描述如表1、表2所示。篦冷機(jī)系統(tǒng)回路的優(yōu)化控制算法選擇該P(yáng)ID模塊。

表1 PID功能塊輸入端描述

表2 PID功能塊輸出端描述

3 篦冷機(jī)系統(tǒng)回路優(yōu)化控制設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)

5號(hào)窯2000t/d熟料生產(chǎn)線DCS的應(yīng)用軟件包，基于美國(guó)GE FANUC公司的Cimplicity 6.0上位組態(tài)軟件和法國(guó)Schneider公司的Concept 2.6下位編程軟件共同開發(fā)，篦冷機(jī)系統(tǒng)回路優(yōu)化控制是在原有應(yīng)用軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)和完善，因此設(shè)計(jì)的前提必須保持原應(yīng)用軟件的所有功能和操作界面風(fēng)格，特別必須保持原控制回路的手動(dòng)調(diào)節(jié)功能，使新增的優(yōu)化控制方式和原手動(dòng)調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)無擾切換，保持控制量的平穩(wěn)和連續(xù)，保證設(shè)備安全和熱工狀態(tài)穩(wěn)定。

3.1 二室篦下壓力與一段篦速PID

根據(jù)Concept 2.6 FFB模塊庫(kù)里PID功能塊的控制原理，可很方便地實(shí)現(xiàn)PID控制，其具體編程的要點(diǎn)如下。

(1)PID輸入輸出變量定義

PID輸入輸出變量定義如表3所示。

表3 PID輸入輸出變量表

(2)上位操作面板設(shè)計(jì)

一段篦速調(diào)節(jié)回路的操作面板如圖3所示，其中PID操作面板是在原來手動(dòng)操作面板的基礎(chǔ)上新增的，其操作變量與表3中的輸入輸出變量相對(duì)應(yīng)。

(3)下位程序編制

一段篦速回路下位控制程序如圖4所示。

①程序組成

程序主要由兩部分組成:

一是回路的手動(dòng)調(diào)節(jié)程序“S367(35)”;二是新增回路的PID優(yōu)化控 制程序“FBI_16_72(33)”。“S367(35)”的“LSP”端和“RSP”端分別為手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入端和PID調(diào)節(jié)輸入端，按圖3操作面板的“設(shè)定”按鈕，選擇“手動(dòng)”方式，變量“SIC367_A”為“0”時(shí)為手動(dòng)調(diào)節(jié);按“設(shè)定”按鈕選擇“自動(dòng)”方式，變量SIC367_A為“1”時(shí)為PID調(diào)節(jié)?！癋BI_16_72(33)”程序模塊的“MAN”端為PID模塊工作方式選擇端，“MAN”端為“1”時(shí)為“手動(dòng)”調(diào)節(jié)模式，“MAN”端為“0”時(shí)為“PID”調(diào)節(jié)模式。

手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，可根據(jù)工況和實(shí)際情況，從圖3操作面板手動(dòng)設(shè)定一段篦速值至變量“SIC367_LSP”，再通過“S367(35)”程序模塊傳送到輸出端“Y”，由“Y”傳送給下位PLC的模擬量輸出(AO)模塊，完成手動(dòng)開環(huán)調(diào)節(jié)一段篦速。

PID調(diào)節(jié)時(shí)，PID輸出端“Y”通過變量“SIC367_PIDOUT”連接至手動(dòng)調(diào)節(jié)程序“S367(35)”的“RSP”端。在圖3的PID操作面板整定P、I、D參數(shù)和PID輸出上限值和下限值，根據(jù)工藝要求和操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定二室篦下壓力目標(biāo)值“PT332_PISD”，按“設(shè)定”按鈕選擇“自動(dòng)”方式，再按“PID投”按鈕，則PID模塊投入運(yùn)行，根據(jù)二室篦下壓力反饋值“PT332_PI”與目標(biāo)值“PT332_PISD”的偏差，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)一段篦速。

圖3 一段篦速回路調(diào)節(jié)上位操作面板

②手動(dòng)調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)的無擾切換

一段篦速回路具有手動(dòng)和PID兩種調(diào)節(jié)方式，要求兩種調(diào)節(jié)方式無擾切換，以保證調(diào)節(jié)方式改變時(shí)篦速穩(wěn)定平滑，避免控制量跳躍引起對(duì)設(shè)備的沖擊，以及由此引起的熱工狀態(tài)和工藝性能的波動(dòng)。在無擾切換程序設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了“手動(dòng)給定1”中間變量“SIC367_LSP1”，通過該變量實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)節(jié)方式下手動(dòng)給定值、PID輸出值間的“中轉(zhuǎn)”，具體實(shí)現(xiàn)過程如下:

——手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)PID調(diào)節(jié)時(shí)的無擾程序?qū)崿F(xiàn)

如圖4所示，當(dāng)“SIC367_PIDTQ”和“SIC367_A”均為“0”時(shí)，“MAN”端為“1”，調(diào)節(jié)方式為“手動(dòng)”，此時(shí)將手動(dòng)設(shè)定的一段篦速值賦給變量“SIC367_LSP”，再通過“16.323(32)”SEL程序塊送至“YMAN”輸入端，根據(jù)“FBI_16_72(33)”程序塊的特性，PID輸出端“Y”與“YMAN”輸入端變量“SIC367_LSP”的值相等，手動(dòng)設(shè)定值送出。當(dāng)“SIC367_PIDTQ”和“SIC367_A”均為“1”時(shí)，“MAN”端轉(zhuǎn)為“0”，調(diào)節(jié)方式為PID時(shí)，PID輸出的初始值即為手動(dòng)調(diào)節(jié)的當(dāng)前值，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)到PID調(diào)節(jié)的無擾切換。

——PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的無擾程序?qū)崿F(xiàn)

如圖4所示，當(dāng)調(diào)節(jié)方式為PID時(shí)，其輸出端“Y”以手動(dòng)調(diào)節(jié)的當(dāng)前值“SIC367_LSP”為初始值，并且根據(jù)反饋“PT332_PI”與給定“PT332_PISD”的偏差，經(jīng) PID運(yùn)算連續(xù)輸出控制量，經(jīng)變量“SIC367_PIDOUT”傳送到“S367(35)”的“RSP”端，控制量由“Y”端送出，從而自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)一段篦速。PID輸出變量“SIC367_PIDOUT”的值，通過“16.325(168)”MOVE 程序塊賦給中間變量“SIC367_LSP1”，再將“SIC367_LSP1”的值通過“16.323(32)SEL”程序塊賦給“YMAN”輸入端，保證調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)為手動(dòng)時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)的初始值等于PID調(diào)節(jié)輸出的當(dāng)前值，從而實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)到手動(dòng)調(diào)節(jié)的無擾切換。

圖4 一段篦速下位控制程序

3.2 二段篦速比例調(diào)節(jié)

二段篦床速度根據(jù)一段篦床速度按比例來調(diào)整，并始終保持二段篦速＞一段篦速。其具體編程的要點(diǎn)如下。

(1)比例調(diào)節(jié)輸入輸出變量定義

比例調(diào)節(jié)輸入輸出變量定義如表4所示。

(2)上位操作面板設(shè)計(jì)

二段篦速回路調(diào)節(jié)操作面板如圖5所示，操作面板是在原來手動(dòng)操作面板的基礎(chǔ)上，新增比例調(diào)節(jié)操作面板，其操作變量與表4中的輸入輸出變量相對(duì)應(yīng)。

(3)下位程序編制

表4 比例調(diào)節(jié)輸入輸出變量表

圖5 二段篦速回路調(diào)節(jié)上位操作面板

二段篦速回路下位控制程序如圖6所示。

圖6 二段篦速下位控制程序

圖6中的“S368(52)”為二段篦速回路調(diào)節(jié)的程序模塊，“LSP”端為二段篦速手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入端，“RSP”端為二段篦速比例調(diào)節(jié)輸入端?！癝IC368”為控制方式控制字，“SIC368_A”為控制字“SIC368”的位變量，當(dāng)“SIC368_A”為“0”時(shí)為“手動(dòng)調(diào)節(jié)”方式，為“1”時(shí)為“比例調(diào)節(jié)”方式?！氨壤{(diào)節(jié)”方式時(shí)，一段篦速值變量“SIC367_PIDOUT”與比例系數(shù)變量“SIC368_K”相乘，賦值給“RSP”端，完成二段篦速比例調(diào)節(jié)設(shè)定，輸出端“Y”即送出比例調(diào)節(jié)控制量。

3.3 其他調(diào)節(jié)回路

窯頭罩微負(fù)壓與窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID、各冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量與風(fēng)門開度PID的設(shè)計(jì)原理與二室篦下壓力與一段篦速PID類似，在此不再詳述。

4 調(diào)試及試運(yùn)行

以上回路的調(diào)試及試運(yùn)行均在工程師站上完成，按以下步驟進(jìn)行:一是靜態(tài)調(diào)試，二是動(dòng)態(tài)調(diào)試，三是試運(yùn)行。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，整個(gè)調(diào)試過程必須在管理人員、工藝人員和操作人員密切配合和充分協(xié)調(diào)的情況下，有計(jì)劃、有步驟、有保障措施的前提下分步完成，確保安全第一和工況穩(wěn)定。

4.1 靜態(tài)調(diào)試

(1)程序變量“打點(diǎn)”

靜態(tài)調(diào)試是指工藝設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)，充分應(yīng)用Concept 2.6下位編程軟件的在線監(jiān)視功能“Read all selected variables”，監(jiān)視所編制程序中有關(guān)變量值的變化情況，同時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)上位操作面板中的設(shè)定值和顯示值進(jìn)行檢查和調(diào)整。靜態(tài)調(diào)試的目的是檢查各輸入輸出變量的上位下位對(duì)應(yīng)關(guān)系是否準(zhǔn)確無誤，可稱之為程序變量“打點(diǎn)”。

(2)參數(shù)初始化

在回路調(diào)節(jié)操作面板上，有被控量設(shè)定值、P、I、D參數(shù)、比例系數(shù)，還有Max、Min限值等?？砂凑展に囈笤O(shè)定被控量設(shè)定值，例如:二室篦下壓力、窯頭罩微負(fù)壓、各冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量等，P、I、D參數(shù)值則可以按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初始化整定。特別注意PID調(diào)節(jié)回路的Max、Min限值必須按照手動(dòng)調(diào)節(jié)的上下限值進(jìn)行設(shè)定，否則會(huì)影響手動(dòng)調(diào)節(jié)回路的輸出。

(3)無擾切換調(diào)試

以冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量與風(fēng)門開度PID為例，在各冷卻風(fēng)機(jī)停止的情況下，在“手動(dòng)”方式下，手動(dòng)給定風(fēng)門開度，此時(shí)風(fēng)門執(zhí)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，并反饋風(fēng)門開度值。按操作面板的“設(shè)定”按鈕，調(diào)節(jié)方式由“手動(dòng)”轉(zhuǎn)為“自動(dòng)”，風(fēng)門開度PID調(diào)節(jié)的初始值為手動(dòng)給定值，因?yàn)槔鋮s風(fēng)機(jī)停止，冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量達(dá)不到目標(biāo)值，隨后風(fēng)門開度將連續(xù)變化。再將調(diào)節(jié)方式由“自動(dòng)”轉(zhuǎn)為“手動(dòng)”，風(fēng)門開度手動(dòng)調(diào)節(jié)的初始值應(yīng)為PID輸出的當(dāng)前值。

4.2 動(dòng)態(tài)調(diào)試和試運(yùn)行

(1)動(dòng)態(tài)調(diào)試是指工藝設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，各回路工作在手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)工況穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)調(diào)試采用單回路調(diào)試方式，依次調(diào)試每一個(gè)回路。

(2)動(dòng)態(tài)調(diào)試是一個(gè)反復(fù)積累經(jīng)驗(yàn)值的過程，因?yàn)閰?shù)整定需要不斷比較和不斷調(diào)整，最后才能選擇符合工藝要求的參數(shù)。

(3)動(dòng)態(tài)調(diào)試后，回路調(diào)節(jié)可進(jìn)入試運(yùn)行，試運(yùn)行期間，注意觀察控制效果，遇有異常情況馬上轉(zhuǎn)為手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行人工干預(yù)。

5 結(jié)論

(1)基于美國(guó)GE FANUC公司Cimplicity 6.0上位組態(tài)軟件、法國(guó)Schneider公司Concept 2.6下位編程軟件，在原有DCS應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了二室篦下壓力與一段篦速PID、二段篦速比例調(diào)節(jié)、窯頭罩微負(fù)壓與窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID、各冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量與風(fēng)門開度PID等回路優(yōu)化控制，并實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)無擾切換。經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行表明:篦冷機(jī)系統(tǒng)回路優(yōu)化控制可有效保障篦床上的料層厚度，使熟料冷卻均勻、入窯二次風(fēng)穩(wěn)定、篦冷機(jī)安全運(yùn)行，滿足工藝要求性能，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化控制的目標(biāo)。

(2)水泥制造企業(yè)在不斷提高設(shè)備管理水平和工藝管理水平的基礎(chǔ)上，使用回路優(yōu)化控制逐步取代原有靠人工經(jīng)驗(yàn)來保持水泥生產(chǎn)熱工穩(wěn)定的手動(dòng)控制，將是水泥制造企業(yè)提高產(chǎn)能、穩(wěn)定質(zhì)量、降低能耗、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的有效途徑，也是不斷提高工藝優(yōu)化水平和控制優(yōu)化水平的必由之路。國(guó)內(nèi)外通過多年的研究和實(shí)踐表明:水泥生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)回路的優(yōu)化控制是水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展方向，以多條單回路優(yōu)化控制來實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)化是行之有效的。近幾年來，回路優(yōu)化控制已在水泥生產(chǎn)過程中得到越來越多的應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

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