串級控制在化學品氧化鋁烘干系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋 靜 韓廣軍

(1.山東鋁業(yè)職業(yè)學院, 山東 淄博 255052; 2.大唐國際內(nèi)蒙古分公司, 內(nèi)蒙 呼和浩特 010050)

串級控制在化學品氧化鋁烘干系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋 靜1韓廣軍2

(1.山東鋁業(yè)職業(yè)學院, 山東 淄博 255052; 2.大唐國際內(nèi)蒙古分公司, 內(nèi)蒙 呼和浩特 010050)

針對某廠烘干系統(tǒng)控制參數(shù)多較難實現(xiàn)自動控制的問題，提出了烘干爐溫度和天然氣流量串級控制思路，重點介紹了串級控制的原理及穩(wěn)定系統(tǒng)參數(shù)、優(yōu)化控制的技術(shù)措施，很好地解決了烘干系統(tǒng)的自動控制問題。

烘干系統(tǒng)； 串級控制； PID

0 前言

烘干系統(tǒng)是化學品氧化鋁生產(chǎn)的最后一道工序，主要設(shè)備由燃燒爐、烘干爐、布袋除塵器、鼓風機、引風機以及控制系統(tǒng)組成，主要功能是將成品壓濾機壓濾好的濾餅(含水分30%左右)進行烘干脫水，并將烘干料進行包裝外銷，工藝流程如圖1所示。

圖1 烘干工藝流程圖

烘干爐出口溫度T(如圖1所示)是生產(chǎn)操作過程中控制的首要工藝參數(shù)，要求控制在100～120 ℃，溫度過高會造成布袋燒毀，同時廢氣溫度過高會造成能耗升高，影響烘干成本；溫度過低會造成產(chǎn)品水分超標，影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會因進布袋的沸石水分大造成糊住布袋的現(xiàn)象。影響廢氣溫度的因素主要有濾餅的進料量M(變頻調(diào)速控制螺旋)、天然氣流量Q，以及鼓風機和引風機的流量，另外濾餅的水分含量也是影響廢氣溫度大小的主要因素。一般情況下鼓風機和引風機的風門開度和轉(zhuǎn)速能確定下來，因此風量和壓頭基本不變。濾餅的水分含量是由上道工序控制，因此烘干工序影響廢氣溫度的變量因素主要有濾餅進料量M和天然氣流量Q。如何在下料量變化的情況下實現(xiàn)天然氣流量的自動調(diào)節(jié)與控制，保證廢氣溫度在可控的范圍是本文研究的重點。

1 串級控制系統(tǒng)原理簡介

相對于單回路PID控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)自己控制回路結(jié)構(gòu)上存在兩個閉環(huán)控制回路，即主控制回路和副控制回路。副控制回路在里面，起著粗調(diào)的作用；外面的回路為主控制回路，在整個串級控制中起著細調(diào)的作用，以保證被調(diào)量最終滿足生產(chǎn)控制方面的要求。串級控制系統(tǒng)中，主、副控制回路各有其調(diào)節(jié)對象、測量變送元件和調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器有獨立的設(shè)定值，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則送到執(zhí)行元件去控制生產(chǎn)對象。

相對于單回路PID控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)對于外部二次擾動具有更好的適應(yīng)性來滿足生產(chǎn)控制要求。如圖2所示：當外部二次擾動在控制過程中出現(xiàn)時，副環(huán)控制回路首先發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，副調(diào)節(jié)器在擾動影響下動作，力圖消弱擾動影響，保持副環(huán)回路輸出參數(shù)y2穩(wěn)定。擾動經(jīng)過副環(huán)的抑制調(diào)節(jié)后進入主環(huán)，對主環(huán)回路輸出參數(shù)y1的影響將大大減弱。其次，由于副環(huán)控制回路起到了改善對象動態(tài)特性的作用，因此主調(diào)節(jié)器的增益范圍可以相應(yīng)擴大，提高了控制系統(tǒng)的工作頻率。另外，由于副環(huán)控制回路的存在，串級控制系統(tǒng)具備了一定的自適應(yīng)能力。

圖2 串級控制系統(tǒng)示意圖

2 烘干系統(tǒng)溫度控制方案的確定

根據(jù)圖1所示的烘干爐工藝流程，只要控制好爐溫Tg和布袋收塵器進口溫度T就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。如果要實現(xiàn)烘干爐溫Tg穩(wěn)定可控，只需要測量實際爐溫，并計算實際溫度與溫度設(shè)定值的偏差，并以PID控制規(guī)律控制燃料閥門的開度，以保持爐溫恒定。某廠化學品氧化鋁生產(chǎn)中烘干爐熱源是由天然氣燃燒提供，通過調(diào)節(jié)天然氣管道閥門可對烘干溫度進行控制。由于天然氣管網(wǎng)的壓力存在一定的波動，在同樣閥門開度的情況下，對應(yīng)的天燃氣流量也會發(fā)生一定變化，并最終影響控制對象——烘干爐爐溫Tg。對于單回路PID控制系統(tǒng)，只有爐溫偏離設(shè)定值時，才能進行控制調(diào)節(jié)，但對控制對象而言已產(chǎn)生了滯后。為及時檢測烘干爐系統(tǒng)中有可能引起爐溫變化的因素并進行控制，在爐溫控制主回路中，增加天燃氣流量Q副控制回路，構(gòu)成圖4所示的串級控制結(jié)構(gòu)。

圖3 烘干爐溫度控制系統(tǒng)圖

圖4 烘干爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 串級控制系統(tǒng)組態(tài)

某廠化學品氧化鋁烘干爐選用了DCS控制系統(tǒng)，其控制組態(tài)中含有標準PID調(diào)節(jié)組態(tài)模塊，可以根據(jù)不同的控制要求設(shè)置具體控制參數(shù)，組成單回路調(diào)節(jié)器或串級回路調(diào)節(jié)器。根據(jù)烘干爐工藝特點和控制要求，在DCS控制系統(tǒng)中，調(diào)用2個PID調(diào)節(jié)模塊，分別設(shè)置模塊參數(shù)為串級主控制回路和副控制回路，聯(lián)合組成串級控制調(diào)節(jié)器，如圖5所示。串級控制主、副回路的PID模塊具體參數(shù)設(shè)置如下。

3.1 DCS串級主控制回路參數(shù)設(shè)定(PID06)

HSPID:=(PK:=0，AD:=1，MC:=1，KD:=1，SV:=100, PT:=88，TI:=25，TD:=1.4, DI:=0，OUTB:=0，OUTR:=5，OUTT:=100，MU:=100，MD:=0,DL:=10,OUTM:=0, AV:=50,PVMU:=100，RM:=1,AE:=TRUE,TM:=FALSE,ME:=TRUE,CE:=TRUE,ATE:=FALSE,MTE:=FALSE,PVMD:=0，CYCLE:=0.1)

3.2 DCS串級副控制回路參數(shù)設(shè)定(PID07)

HSPID:=(PK:=0，AD:=1，MC:=2，KD:=1，SV:=100, PT:=100，TI:=30， TD:=2, DI:=0，OUTB:=0,OUTR:=5,OUTT:=100,MU:=100,MD:=0,DL:=10,OUTM:=0, AV:=50，PVMU:=100，RM:=2,AE:=TRUE,TM:=FALSE,ME:=TRUE,CE:=TRUE,ATE:=FALSE,MTE:=FALSE,PVMD:=0，CYCLE:=0.1)

圖5 串級調(diào)節(jié)器組態(tài)示意圖

其中MC參數(shù)項表征為串級回路主、副PID調(diào)節(jié)器，PT參數(shù)項為比例帶(單位：%)，TI參數(shù)項為積分時間(單位：s)，TD參數(shù)項為微分時間(單位：s),KD參數(shù)項為微分增益。

串級主回路調(diào)節(jié)器：

MC:=1——表征為串級回路主PID調(diào)節(jié)器；

PVMU——過程輸入值PV的量程上限；

PVMD——過程輸入值PV的量程下限；

SP——PID的給定值；

CSRM——副調(diào)節(jié)器運行方式；

CSOC——副調(diào)節(jié)器的過程輸入值；

AV——輸出端；

CSOCI——過程輸入值，僅對副調(diào)節(jié)器有效。

串級副回路調(diào)節(jié)器：

直接由主回路調(diào)節(jié)器輸出值賦給設(shè)定值

MC:=2——表征為串級回路副調(diào)節(jié)器。

4 串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定

按照副控制回路、主控制回路的先后順序整定控制參數(shù)。

4.1 副PID回路的控制參數(shù)整定

在組態(tài)中設(shè)定副PID控制回路為串級控制狀態(tài)，設(shè)定主PID控制回路為手動控制狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)驗試湊法調(diào)整副PID的參數(shù)，經(jīng)多次試驗調(diào)整參數(shù)，最后確定PID控制的各項參數(shù)為：PT(比例帶)=100%，TI(積分時間)=30 s，TD(微分時間)=2 s，副串級控制回路控制狀態(tài)最佳。

4.2 主PID回路的控制參數(shù)整定

在組態(tài)中設(shè)定副PID為串級控制狀態(tài)，設(shè)定主PID控制回路為自動控制狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)驗試湊法調(diào)整主副回路PID參數(shù)，進一步優(yōu)化系統(tǒng)。經(jīng)多次試驗調(diào)整參數(shù)，最后確定PID控制的各項參數(shù)為：PT

(比例帶)=88%，TI(積分時間)=25 s，TD(微分時間)=1.4 s，串級控制回路控制狀態(tài)最佳。

當烘干爐天然氣管網(wǎng)壓力變化時，天燃氣實際流量偏離設(shè)定值(串級副回路SP)，串級副控制回路調(diào)節(jié)天然氣閥門開度，實現(xiàn)天燃氣流量的穩(wěn)定控制；當烘干爐爐溫偏離設(shè)定值(串級主回路SP)，串級主控制回路輸出AV變化，從而導致串級副回路過程值PV偏離設(shè)定值SP，串級副控制回路調(diào)節(jié)天然氣閥門開度，消除燃氣流量偏差，從而保持烘干爐爐溫的穩(wěn)定。生產(chǎn)過程中，烘干爐出口溫度控制在80～100 ℃，串級控制系統(tǒng)可以在3個調(diào)節(jié)周期內(nèi)有效控制烘干爐出口溫度保持在設(shè)定值±5 ℃以內(nèi)，滿足生產(chǎn)工藝要求。

5 應(yīng)用效果

(1)烘干爐使用串級控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制后， 產(chǎn)品水分含量得到了有效控制，成品質(zhì)量合格率由原先的95%提高到了99%；

(2)布袋除塵器進口風溫度穩(wěn)定在了80～100 ℃，避免了溫度過高燒壞布袋和溫度過低糊住布袋造成的停車檢修故障，每噸化學品氧化鋁制造成本約降低1.5元。按照產(chǎn)量60萬t/a計算，每年降低更換布袋費用及故障檢修費用約90萬元。

(3)烘干爐使用串級控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制后，避免了產(chǎn)品過烘干現(xiàn)象，每噸降低天然氣消耗約0.5 m3，按照年產(chǎn)量60萬t，天然氣價格2.85元/m3計算，每年降低費用51.3萬元。

合計每年直接降低各項費用141.3萬元。

6 結(jié)束語

串級控制在化學品氧化鋁烘干爐系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了烘干爐溫度的自動控制，實踐證明，該控制方式在化學品氧化鋁烘干系統(tǒng)中的應(yīng)用是穩(wěn)定可靠的。

[1] 諸慶華，汪任初. 烘干系統(tǒng)操作問題分析及其改造[J]. 有色設(shè)備,2007(4).

[2] 邱遠，趙陽. 化學品氧化鋁生產(chǎn)中自動燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用[J].冶金自動化，2006(3).

Application of Cascade Control in Chemical Alumina Drying System

SONG Jing, HAN Guang-jun

In view of the problems existed in hard automatic control of some plant drying system due to much more control parameters. This paper puts forward a method of cascade control on the temperature of drying furnace and natural gas flow, and mainly introduces the principle of cascade control and some technical measures to stabilize system parameters and control the system optimally. The result shows that the cascade control method can solve the problems of automatic control in drying system successfully.

drying system; cascade control; PID

2014-04-20

宋靜，女，山東淄博人，大學本科，高級講師，主要從事教學科研工作。

TP272; TF821

B

1008-5122(2014)04-0020-03