PID技術在氧化鋁焙燒爐上的應用

盛 坤

(上海交通大學機械工程學院1，上海 200240;中國鋁業(yè)山東分公司2，山東 淄博 255062)

0 引言

氧化鋁焙燒的主要工藝參數(shù)是灼燒溫度，灼燒溫度的高低與穩(wěn)定與否直接決定著氧化鋁的出廠質量，所以穩(wěn)定控制氧化鋁灼燒溫度是保證氧化鋁生產質量的主要途徑。

目前，國內氧化鋁焙燒爐普遍采用人工手動調節(jié)燃料閥門來控制灼燒溫度，這種方法控制不穩(wěn)定、可靠性差。本文根據(jù)生產實際，設計了一個PID溫度自動控制系統(tǒng)來取代人工手動調節(jié)，解決了手動調節(jié)不穩(wěn)定、指標波動大的問題。

1 解決方案

PID溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、執(zhí)行機構以及和利時模塊。其中，溫度傳感器為檢測裝置，該傳感器為系統(tǒng)提供現(xiàn)場采集的運算信號。執(zhí)行機構是本次自動調節(jié)的執(zhí)行元件。和利時模塊是PID調節(jié)的核心，其不僅包括了可以實現(xiàn)PID控制的程序模塊，還提供了傳感器采集、信號轉換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)人羞\算模塊。

本文主要從設備選型、PID控制模塊過程實現(xiàn)和PID參數(shù)的選擇三個方面進行說明［1］。

2 設備選型

2.1 溫度傳感器選擇

根據(jù)爐內工況，本系統(tǒng)選擇帶高溫抗震耐磨套管的S型熱電偶，熱電偶型號為WRMN-430 s，其尺寸為1 000 mm×850 mm，法蘭大小DN150，耐磨頭采用煙臺高強度鈷基合金。

2.2 執(zhí)行機構選擇

PID系統(tǒng)的執(zhí)行機構為電動調節(jié)閥、排料閥。電動調節(jié)閥要求電動調節(jié)裝置和閥體間隙精密，能夠準確地控制閥門開度，閥芯則根據(jù)重油黏度系數(shù)選用V型半球閥，使其過油能夠連續(xù)通順，并使調節(jié)與開度盡量滿足線性關系［2］。為了解決排料的連續(xù)性，選擇了氣動控制排料閥，執(zhí)行機構為I/P定位器。I/P定位器是二位三通電磁閥，此裝置通過閥門開關來控制氣缸帶動活塞運動。

3 PID控制模塊

PID溫度控制系統(tǒng)控制的核心為PID控制運算，軟件采用國產的和利時DCS，和利時的PID是封裝好的程序模塊，其結構簡圖如圖1所示。PID控制運算的數(shù)學模型公式及運算全在模塊內自動進行使用，而且PID有多種工作狀態(tài)，包括手動、自動、串級、跟蹤等，它們之間可以自由切換。模塊內部帶設定值SP，目的是對設定值的擾動進行處理，防止輸出的突變。該PID控制器的主要參數(shù)有比例帶、積分時間、微分時間和反向積分四個。

圖1 PID控制模塊圖Fig.1 Diagram of PID control module

圖1中:SP為給定值;PV為過程值;TI、KD、TD分別為比例、積分、微分時間;AV為輸出值。溫度控制系統(tǒng)通過調節(jié)HSPID各個管腳的參數(shù)來實現(xiàn)穩(wěn)定的PID調節(jié)。

根據(jù)生產要求，溫度控制系統(tǒng)必須能根據(jù)外界環(huán)境的變化(下料量、氫氧化鋁含水量等變化)，自動調節(jié)燃氣流量以及爐膛內的氧化鋁存量，使氧化鋁的焙燒溫度穩(wěn)定。為實現(xiàn)上述控制，首先建立相對穩(wěn)定的溫度PID控制系統(tǒng)。

控制原理框圖如圖2所示。

圖2 控制原理圖Fig.2 The control principle

PID控制系統(tǒng)的控制對象是爐膛溫度，溫度傳感器熱電偶將測量毫伏信號通過溫度變送器變?yōu)槌Ｓ玫?～20 mA信號，然后進入和利時的模擬量輸入模塊進行A/D轉換。PID運算模塊將采集到的爐膛的實際溫度與預存于積算控制器內的期望溫度值相比較，得出溫度偏差值和溫度偏差變化;再經(jīng)過PID控制器的處理，推算出PID的幾個參數(shù)，從而調整PID控制器進行控制［3］。

PID系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3 PID系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structure of the PID system

下料螺旋的轉速給定量，轉速通過調節(jié)變頻器頻率實現(xiàn)，其為一個百分數(shù)的給定量?？刂破魉刂频膱?zhí)行機構為調節(jié)閥，系統(tǒng)通過控制調節(jié)閥的調節(jié)開度(以百分數(shù)計量)來實現(xiàn)對整個爐膛入爐燃料的控制，從而達到調節(jié)爐溫的目的。

為使爐溫穩(wěn)定在單一的某一個溫度段，獲得合格的灼燒溫度，PID控制系統(tǒng)利用電動調節(jié)閥調節(jié)入爐燃料溫度，并采用一個氣電啟動相結合的排料閥來實現(xiàn)爐內物料數(shù)量的控制。

4 PID參數(shù)的整定

PID主要實現(xiàn)控制參數(shù)的整定。整定的方法主要有依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型和工程整定法兩種。

①依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。采用這種方法得到的計算數(shù)據(jù)還必須通過工程實際進行調整和修改。將PID控制器設計成比例+積分+微分控制器［4］，其數(shù)學表達式如下:

表達式中各參數(shù)含義和取值范圍如表1所示。

表1 PID整定參數(shù)含義Tab.1 Implication of PID tuning parameters

②工程整定法主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行。工程整定法主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法這三種方法。三種方法都需要通過試驗，按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定，且整定后的數(shù)據(jù)都需要在實際運行中進行最后調整與完善［6］。

5 PID運行效果

經(jīng)PID整定前后的燃燒爐溫度曲線對比圖如圖4所示。由圖4可以看出，整定后的燃燒爐溫度曲線波動頻率減小，波動幅度減弱;雖然在速度調節(jié)上仍有一定的延遲［7］，且溫度調節(jié)受熱電偶檢測精度和調節(jié)閥控制速度等影響仍有一定程度的波動，但是已經(jīng)能很好地滿足氧化鋁灼燒溫度穩(wěn)定的生產要求。

圖4 燃燒爐溫度曲線對比圖Fig.4 The comparison chart of the temperatures of combustion furnace

6 改造不足

由于氧化鋁物料特性變化快，工藝指標波動大，所以灼燒氧化鋁溫度需要視情況改變。改變的方式可以考慮選擇建立一神經(jīng)網(wǎng)絡或者模糊控制的數(shù)學模型［8］，將模型和 PID 模塊相結合［9－10］。利用這種方式可以實現(xiàn)傳統(tǒng)PID所不具有的功能。

7 結束語

本PID溫度調節(jié)是經(jīng)典控制學上比較常用的一項技術。傳統(tǒng)的PID除了對參數(shù)要求比較嚴格外，對傳感器和執(zhí)行機構的精度要求也很高，在量化的基礎上實現(xiàn)“單調非智能”式調節(jié)。在傳統(tǒng)的溫度調節(jié)過程中一定要注意做好控制參數(shù)的修正，才能有效減少波動，穩(wěn)定參數(shù)。

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