釩成品生產(chǎn)盤干設(shè)備改進及其全自動溫控系統(tǒng)

魏金輝

(承德鋼鐵集團有限公司自動化中心，河北 承德 067102)

盤干設(shè)備是釩成品生產(chǎn)過程中的一種干燥設(shè)備，也稱為盤式干燥機。濕多釩酸銨由皮帶等傳輸設(shè)備輸送進盤干設(shè)備進行干燥，經(jīng)過干燥的多釩酸銨粉劑送入回轉(zhuǎn)窯進行氧化焙燒形成五氧化二釩或三氧化二釩成品，然后送入融化設(shè)備進行熔化制片。為節(jié)約能源并降低排放，將回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的約300～400℃的高溫煙氣，由高溫引風機回引至盤干設(shè)備。

原工藝過程中，高溫引風機設(shè)置在盤干設(shè)備后端，即將高溫煙氣從回轉(zhuǎn)窯抽出，通過高溫煙氣管道經(jīng)過盤干設(shè)備對濕多釩酸銨進行干燥后排空，在盤干設(shè)備入口處設(shè)置兌冷風管并安裝手動閥門實現(xiàn)對高溫煙氣溫度的調(diào)節(jié)。但是此工藝過程的溫控效果不佳，管道溫度和盤干設(shè)備入口溫度過高，會造成管道和盤干設(shè)備入口損壞，手動閥門也無法實時調(diào)整兌冷溫度。由于高溫煙氣來自回轉(zhuǎn)窯，而回轉(zhuǎn)窯的煙氣溫度又受產(chǎn)量和窯況的影響波動較大，盤干設(shè)備高溫煙氣管道的溫度控制屬于純滯后、大慣性和多耦合對象，溫度無法實現(xiàn)全自動控制，系統(tǒng)僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能，控制過程也是手動過程。而且操作員的經(jīng)驗水平參差不齊，生產(chǎn)過程中手動控制溫度參數(shù)不穩(wěn)定，對設(shè)備的安全穩(wěn)定運行和對溫度比較敏感的釩成品質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，極易造成高溫煙氣管道焊縫處高溫氧化、開裂和干燥設(shè)備損壞，以至于設(shè)備維修周期縮短，影響生產(chǎn)。生產(chǎn)中必須停產(chǎn)才能檢修，且由于空間狹小使設(shè)備維護難度增大，維修成本提高。

因此，筆者要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計盤干設(shè)備溫度控制裝置和方法，實現(xiàn)盤干設(shè)備溫度的全自動控制，以降低煤氣等能源消耗、延長高溫煙氣管道等設(shè)備的使用壽命，并減輕了工人的勞動強度。

1 盤干設(shè)備溫度控制裝置的組成①

將高溫引風機由盤干設(shè)備后端移到盤干設(shè)備的前端，兌冷風管由從直接進入盤干設(shè)備改為由回轉(zhuǎn)窯出口高溫煙氣管道接入，在高溫煙氣管道上安裝高溫煙氣管道控制器件和溫度檢測元件；同時在兌冷風管上安裝兌冷風管控制器件[1]，并構(gòu)建溫度控制模型，通過PLC或DCS系統(tǒng)硬件平臺，完全實現(xiàn)盤干設(shè)備溫度的自動控制[2]。

盤干設(shè)備溫度控制裝置由高溫煙氣管道、兌冷風管、高溫引風機、溫度檢測元件、高溫煙氣管道控制器件和兌冷風管控制器件組成。高溫煙氣管道連接在回轉(zhuǎn)窯高溫煙氣出口與高溫引風機進口之間，在高溫煙氣管道上連接有兌冷風管，兌冷風管與高溫煙氣管道連接處安裝兌冷風管控制器件，在高溫煙氣管道上安裝有高溫煙氣管道控制器件和溫度檢測元件。溫度檢測元件、高溫煙氣管道控制器件、兌冷風管控制器件的信號輸出與輸入端分別與現(xiàn)場控制站相連，通過現(xiàn)場控制站CPU中的兌冷溫度控制模型使兌冷風管控制器件和高溫煙氣管道控制器件有效配合，實現(xiàn)準確控制盤干設(shè)備入口溫度的目的。

現(xiàn)場控制站由輸入模塊、輸出模塊、CPU和接口模塊組成，現(xiàn)場控制站通過工業(yè)交換機與工程師站和操作員站相連；工程師站和操作員站由工控機和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡組成。現(xiàn)場控制站、操作員站和工程師站組成了成型的PLC或DCS。溫度檢測元件為熱電偶或熱電阻，高溫煙氣管道控制器件、兌冷風管控制器件為調(diào)節(jié)閥和變頻器。

盤干設(shè)備控制裝置的組成如圖1所示，盤干設(shè)備溫度控制裝置的工作流程如圖2所示。

圖1 盤干設(shè)備控制裝置組成框圖

圖2 盤干設(shè)備溫度控制裝置工作流程

2 盤干設(shè)備溫度控制步驟和模型

盤干設(shè)備溫度控制的具體步驟設(shè)計如下：

a. 在回轉(zhuǎn)窯中，對多釩酸銨進行氧化焙燒產(chǎn)生的高溫煙氣，由高溫引風機抽取至盤干設(shè)備。

b. 通過安裝在高溫煙氣管道上的溫度檢測元件，檢測高溫煙氣管道內(nèi)的煙氣溫度，將溫度信號傳送至現(xiàn)場控制站。

c. 通過現(xiàn)場控制站轉(zhuǎn)換對應(yīng)的高溫煙氣管道溫度值，在CPU中對高溫煙氣管道溫度值和操作員設(shè)定的高溫煙氣管道溫度值或工藝要求溫度值，通過兌冷溫度控制模型計算并輸出控制信號，控制兌冷風管控制器件調(diào)整兌冷程度，進而穩(wěn)定控制高溫煙氣管道的溫度值。高溫煙氣管道控制器件用于在發(fā)生以下情況時進行控制——物料極少又需要保證生產(chǎn)的連續(xù)性而調(diào)整高溫煙氣管道控制器件，使閥位相應(yīng)變?。晃锪先肓狭看?，為保證生產(chǎn)的連續(xù)性而調(diào)整高溫煙氣管道控制器件，使閥位相應(yīng)變大；當發(fā)生故障或后續(xù)設(shè)備維護檢修時，關(guān)閉高溫煙氣管道控制器件，同時關(guān)閉高溫引風機，保證后續(xù)設(shè)備安全。

d. 通過現(xiàn)場控制站對高溫煙氣管道溫度進行監(jiān)控，并產(chǎn)生對應(yīng)的溫度信號和控制信號，傳送至工程師站或操作員站。

e. 在工程師站或操作員站中顯示接收到的高溫煙氣管道的溫度及兌冷程度信號等技術(shù)參數(shù)值，存儲相應(yīng)的趨勢值，對系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)進行集中監(jiān)控；對各種超限情況發(fā)出報警信號，提醒操作員，并生成技術(shù)報表或生產(chǎn)日報。

f. 盤干設(shè)備溫度控制方法。

g. 動態(tài)調(diào)整調(diào)節(jié)閥位與溫控趨勢值關(guān)系。

步驟f中，兌冷溫度控制模型計算用到的溫度檢測值TE(N)，為連續(xù)采集N次處理后的數(shù)值。為防止干擾情況的發(fā)生，數(shù)據(jù)經(jīng)過排序去掉極值，得到處理數(shù)據(jù)溫度值TEP(m)，并實時保持多組連續(xù)處理的溫度數(shù)據(jù)。則有：

tmx=N×tc

其中tmx為TEP(m)和TEP(m-1)數(shù)據(jù)采集處理所對應(yīng)的時間差值。Tmx=N×tc,tc為程序運行時間間隔。?#X為正值表示溫度為升高趨勢，數(shù)值為溫升趨勢值；反之為負值表示溫度為降低趨勢，數(shù)值為溫降趨勢值。

步驟g中動態(tài)調(diào)整調(diào)節(jié)閥位與溫控趨勢值關(guān)系的方法如下：

V#X=V+κ×f(p#X×|?#X|)

P#X=TEP(m)-TSP

其中，κ為調(diào)整系數(shù)；p#X為溫度設(shè)定值偏差；TSP為溫度設(shè)定值；V為當前閥位值；V#X為后一時刻的閥位值。

定義ε為控制精度，是工藝允許的偏差。取0<ε≤20℃之間的任意值，則閥位增量ΔV的計算式為：

上式的具體解釋為：

當溫度設(shè)定值偏差|p#X|<ε時，ΔV=0，即V#X=V，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件停止動作，閥位不變；

當p#X>ε+1且?#X為正值時，閥位增量ΔV，ΔV=κ×f(p#X×|?#X|)，置ΔV=0%～10%，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為ΔV的值增加開度；

當p#X>ε+1且?#X為負值時，閥位增量ΔV=0，V#X=V，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變；

當p#X<-ε-1且?#X為負值時，閥位增量-ΔV，其中-ΔV=-κ×f(p#X×|?#X|)，-ΔV=- (0%～10%)，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為-ΔV的值減小開度；

當p#X<-ε-1且?#X為正值時，閥位增量ΔV=0，V#X=V，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

ε+1或-ε-1用于克服溫度波動而產(chǎn)生的調(diào)節(jié)閥振蕩；ε值與ΔV值成正比關(guān)系。

經(jīng)過上述計算后得到的閥位輸出值控制兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件，實現(xiàn)盤干設(shè)備溫度自動控制功能，使溫度控制在工藝允許的精度范圍內(nèi)。

3 盤干設(shè)備溫度控制方法實例

3.1 實施例一

將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數(shù)值控制在200℃，控制精度±5℃，兌冷溫度控制模型的參數(shù)確定如下：

溫度設(shè)定值TSP=200℃，控制精度ε=5℃，溫度設(shè)定值偏差|p#X|=|TEP(m)-TSP|=|TEP(m)-200℃|<5℃時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件不需要調(diào)節(jié)。

當p#X=TEP(m)-200℃>6℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值大于206℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，閥位增量置為2%，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為2%的值增加開度，直到溫度檢測元件的處理后的數(shù)值小于205℃時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件停止動作；當p#X=TEP(m)-200℃>6℃，且溫度檢測元件的處理后的數(shù)值大于206℃且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，則兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

當p#X=TEP(m)-200℃<-6℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值小于194℃且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，閥位增量置為-2%，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為-2%的值減小開度，直到溫度檢測元件的處理后的數(shù)值大于195℃時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件停止動作。

當p#X=TEP(m)-200℃<-6℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值小于194℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，兌冷現(xiàn)場的和兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

這樣，很快就能將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數(shù)值控制在200±5℃。

3.2 實施例二

將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數(shù)值控制在150℃，控制精度±2℃，兌冷溫度控制模型的參數(shù)確定如下：

溫度設(shè)定值TSP=150℃，控制精度ε=2℃，溫度設(shè)定值偏差|p#X|=|TEP(m)-TSP|=|TEP(m)-150℃|<2℃時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件不動作，即溫度不需要調(diào)節(jié)。

當p#X=TEP(m)-150℃>3℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值大于153℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，閥位增量置為1.5%，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為1.5%的值增加開度，直到溫度檢測元件的處理后的數(shù)值小于152℃時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件停止動作。

當p#X=TEP(m)-150℃>3℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值大于153℃且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

當p#X=TEP(m)-150℃<-3℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值小于147℃，且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，閥位增量置為-1.5%，即兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為-1.5%的值減小開度，直到溫度檢測元件的處理后的數(shù)值大于148℃時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件停止動作。

當p#X=TEP(m)-150℃<-3℃，即溫度檢測元件的處理后的數(shù)值小于147℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，兌冷現(xiàn)場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

這樣，就能很快地將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數(shù)值控制在150±2℃。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計的釩成品生產(chǎn)盤干設(shè)備溫度控制系統(tǒng)投入實際應(yīng)用后，實現(xiàn)了盤干設(shè)備高溫煙氣管道兌冷溫度的自動控制，減少了高溫煙氣管道的燒損和開裂，提高了產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量；同時也合理利用了回轉(zhuǎn)窯的廢氣，節(jié)約了煤氣等能源；還減少了崗位操作人員及其工作量。不但降低了生產(chǎn)成本，而且減少了對環(huán)境的污染，帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。本方法可以應(yīng)用于其他類似的溫度控制系統(tǒng)中，具有很強的推廣性。

[1] 金樹成,魏金輝,姜海罡.一種盤干設(shè)備高溫煙氣管道兌冷溫度控制裝置[P].中國:ZL201220512081.X,2012-10-08.

[2] 金樹成;魏金輝;姜海罡.一種盤干設(shè)備高溫煙氣管道兌冷溫度控制裝置及方法[P].中國:ZL201210377227.9,2012-10-08.