沸騰冷卻床加水系統(tǒng)的自動(dòng)控制

蔡少剛，吳慧雅,張榮秀

（1.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南奧圖自動(dòng)化工程有限公司，山東濟(jì)南 250306）

沸騰冷卻床加水系統(tǒng)的自動(dòng)控制

蔡少剛1，吳慧雅2,張榮秀1

（1.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南奧圖自動(dòng)化工程有限公司，山東濟(jì)南 250306）

本設(shè)計(jì)采用比例-積分控制原理，簡(jiǎn)化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于振動(dòng)沸騰冷卻床的加水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加水系統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)沸騰冷卻床（以下簡(jiǎn)稱冷卻床）工作時(shí)，舊砂由加砂口落到沸騰板上，鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流使通過(guò)沸騰板上的舊砂流態(tài)化，同時(shí)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(jìn)行換熱冷卻，流態(tài)化的舊砂從進(jìn)口向出口方向運(yùn)動(dòng)，從冷卻床出口卸出。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中砂料之間通過(guò)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(jìn)入除塵系統(tǒng)。

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

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

本設(shè)計(jì)采用比例-積分控制原理,對(duì)加水系統(tǒng)進(jìn)行控制,通過(guò)檢測(cè)舊砂溫度、濕度等相關(guān)參數(shù),進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)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(yùn)行，更能提高加水系統(tǒng)的加水精度,實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)溫度傳感器，用于檢測(cè)入口舊砂溫度；冷卻床出口處安裝一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器，用于檢測(cè)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(cè)到的信號(hào)傳給PLC，經(jīng)PLC運(yùn)算后，通過(guò)模擬量輸出信號(hào)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(guò)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(duì)流比較強(qiáng)烈，水與舊砂在冷卻床中能充分交換熱量，對(duì)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(duì)舊砂有增濕作用。

根據(jù)加水裝置的工藝設(shè)計(jì)，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(shí)質(zhì)是熱交換過(guò)程，其中包含鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)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(fēng)機(jī)鼓風(fēng)帶走的熱量（J）；

ΔJ3——其它熱交換形式帶走的熱量（J）。

實(shí)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(fēng)機(jī)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(shí)間水份蒸發(fā)量（包括冷卻床加水質(zhì)量和舊砂進(jìn)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(fēng)與舊砂熱量的關(guān)系。

鼓風(fēng)降溫，同樣遵循能量平衡定律，假設(shè)空氣經(jīng)冷卻床時(shí)與舊砂進(jìn)行了充分的熱交換,就是說(shuō)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(fēng)帶走的熱量（J）；

Q空——單位時(shí)間通過(guò)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(dá)式可以簡(jiǎn)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(shí)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(dāng)把出口溫度作為目標(biāo)控制溫度T設(shè)時(shí)，那式8又可簡(jiǎn)化為：

式中：Q水——單位時(shí)間加水量（kg/s）；

K1、K2——式8簡(jiǎn)化后的系數(shù)。

由式9可以得出，單位時(shí)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(guò)程中，忽略了部分因素，并且理想化了一些過(guò)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(guò)檢測(cè)冷卻床出口處的舊砂溫度，再與溫度設(shè)定值比較后，通過(guò)計(jì)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(dá)為：

式中：Q水——單位時(shí)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(dāng)T出－T設(shè)＞0時(shí)，降溫系統(tǒng)開始補(bǔ)水，增加降溫效果；當(dāng)T出－T設(shè)＜0時(shí)，降溫系統(tǒng)開始減水，控制降溫效果；當(dāng)T入－T設(shè)=0時(shí)，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(shí)對(duì)砂子的濕度也產(chǎn)生了影響，這時(shí)沸騰床出口的濕度檢測(cè)探頭可以檢測(cè)到砂子的實(shí)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(dá)式：

式中：Q濕——單位時(shí)間增濕加水量（kg/s）；

Q砂——單位時(shí)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(wú)法提前檢測(cè)，就是說(shuō)在冷卻床入口出檢測(cè)的舊砂濕度不能應(yīng)用于增濕計(jì)算，原因是舊砂原有水份在經(jīng)過(guò)冷卻床時(shí)大量的蒸發(fā)了，那么只能通過(guò)檢測(cè)出口舊砂水份含量，控制舊砂增濕加水量。

當(dāng)M設(shè)作為已知值時(shí)，式11，可簡(jiǎn)化為：

式中：Q濕——單位時(shí)間增濕加水量（kg/s）;

K2、K1——式11簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制極不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問題，在增濕系統(tǒng)運(yùn)行前先計(jì)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(cè)水份值數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：Q濕——單位時(shí)間增濕加水量（kg/s）;

Q砂——單位時(shí)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(yùn)行前計(jì)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(dāng)M出－M入＞0,輸出增加，加水量增加，提高舊砂水份含量；當(dāng)M出－M入＜0,輸出減少，加水量減少，降低舊砂水份含量；當(dāng)M出－M入=0,控制誤差為 0。

4 系數(shù)修正

通過(guò)組態(tài)軟件可以監(jiān)視舊砂出口溫度、出口濕度和時(shí)間的關(guān)系曲線，通過(guò)觀察曲線的動(dòng)態(tài)過(guò)程，修正控制系統(tǒng)中比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。另外，因?yàn)榧竟?jié)的變化影響沸騰床的降溫增濕效果，可以通過(guò)組態(tài)界面對(duì)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(yùn)

本系統(tǒng)采用比例-積分控制，系統(tǒng)投運(yùn)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(yùn)行初始，實(shí)際值和設(shè)定值之間的誤差最大，如果積分投入運(yùn)行的話，會(huì)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(guò)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(yùn)行過(guò)程中自身動(dòng)態(tài)調(diào)整。

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

沸騰床運(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)沸騰床內(nèi)有砂時(shí)，冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，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(dāng)出口溫度接近并小于設(shè)定值時(shí)記錄下此時(shí)的數(shù)值作為比例系數(shù)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，比例環(huán)節(jié)先起作用，當(dāng)出口溫度接近穩(wěn)定時(shí)，積分環(huán)節(jié)投入運(yùn)行，這時(shí)系統(tǒng)根據(jù)溫度變化可以自動(dòng)調(diào)整加水量。延時(shí)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(dòng)態(tài)性能。

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

為了使系統(tǒng)運(yùn)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(gè)范圍值，即目標(biāo)值在這個(gè)范圍內(nèi)，就認(rèn)為目標(biāo)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(guò)組態(tài)軟件，可以監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

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(guò)檢測(cè)舊砂溫度和濕度，自動(dòng)調(diào)整加水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)舊砂溫度、水份的自動(dòng)控制。另外，完善的組態(tài)界面，可實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)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(guò)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(hào)：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(jì)