煤基活性炭炭化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

謝 楠

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

煤基活性炭炭化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

謝 楠

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

為了提高煤基活性炭炭化過程控制系統(tǒng)的自動化程度，分析了活性炭炭化控制過程，根據(jù)現(xiàn)場實際要求設(shè)計了PLC、觸摸屏、組態(tài)王為一體的控制系統(tǒng)，將炭化爐爐頭溫度和爐尾壓力作為主要控制變量，綜合相關(guān)影響因素，用PLC來實現(xiàn)模糊控制算法，從而滿足炭化爐爐頭溫度和爐尾壓力的控制要求，運用組態(tài)王和觸摸屏的結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄、存儲與分析的需求。通過炭化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，提高了炭化設(shè)備自動化程度，滿足了現(xiàn)場控制需求。

煤基活性炭；爐頭溫度；爐尾壓力；PLC；組態(tài)王；模糊算法

活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳，其主成分為碳、氧、氫等元素，是具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積的炭質(zhì)吸附材料。具有強的吸附能力和力學(xué)強度、穩(wěn)定的物理化學(xué)性能、易再生等特點。因此被廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)、交通、醫(yī)藥、衛(wèi)生、化工、冶金、環(huán)保、國防和人們?nèi)粘Ｉ畹脑S多領(lǐng)域?；钚蕴恐苽湓弦怨麣ぁ⒛拘?、煤為主，按原料可分為：煤基活性炭、木質(zhì)活性炭、果殼活性炭和合成活性炭等［1］。目前活性炭制備方法的相關(guān)文獻居多［2］，而制備設(shè)備控制的相關(guān)文獻卻鮮見。在制備方法一定的情況下，提高煤基活性炭制備設(shè)備的自動化程度，增加系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力，既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，又可以節(jié)約成本，減少資源浪費，因此對煤基活性炭控制系統(tǒng)的設(shè)計改造很有必要。本文針對以上問題，通過對活性炭的炭化工藝深入分析，設(shè)計出以FX2N型PLC為核心控制器，三菱型觸摸屏為人機界面的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了炭化工段的自動化控制，提高了設(shè)備自動化程度。

1 柱狀煤基活性炭制備方法

根據(jù)煤基活性炭產(chǎn)品形狀，煤基活性炭制備技術(shù)可分為破碎狀活性炭、柱狀成型活性炭、壓塊成型活性炭3種。柱狀煤基活性炭制備工藝為：將按一定比例配比的原煤進行破碎、磨粉、混捏成型（配入適量粘合劑：煤焦油、紙漿廢液、淀粉溶液等，在一定溫度下混合攪拌均勻，若采用催化活化工藝時則同時添加適量催化劑）、棒料晾干、炭化、活化、后處理、篩分、包裝等工序制成產(chǎn)品。一般將這些工序分為三部分：破碎、磨粉及混捏成型部分、炭化部分、活化及后處理部分。炭化原理是將原料煤隔絕空氣加熱到550℃-650℃的低溫干餾。隨著溫度的升高，炭化過程中的原料釋放出表面吸附的水蒸汽和氣體，大部分非結(jié)合的水在低于105℃時逸出，煤的熱解析出氣體且分解出熱解水。干餾的過程中析出的氣體以甲烷為主。炭化的主要目的是讓煤分子結(jié)構(gòu)單元中的側(cè)鏈和一些含氧官能團斷裂，橋鍵、自由基芳環(huán)進行分解聚合，使得碳含量增加，培育能在活化過程中形成孔隙的炭結(jié)構(gòu)。炭化是一個非常重要的中間環(huán)節(jié)，炭化結(jié)果的好壞直接影響到活化處理時活性炭孔容積和孔隙比表面積大?。ū缺砻娣e和孔容積是衡量活性炭性能的重要指標［3］），因此，炭化過程的控制很重要，炭化過程決定活性炭的性能［3］。炭化過程工藝流程如圖1所示。

圖1 煤基活性炭炭化工藝流程

炭化生料通過上料傾角皮帶、皮帶秤送入炭化爐內(nèi)，經(jīng)過炭化以后，出料到振動篩并經(jīng)冷卻器冷卻，通過斗式提升機提升到料倉，并經(jīng)過裝料到下一道工序［4］。炭化過程是由煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣與空氣配比后在燃燒室燃燒，產(chǎn)生的高溫熱氣在引風(fēng)機的作用下進入炭化爐內(nèi)，從爐頭到爐尾形成階梯狀溫度，滿足炭化溫度需求。通過炭化后的廢氣經(jīng)過焚燒室二次燃燒，并將熱量供給到余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，形成熱交換，被降溫且凈化的尾氣排向大氣，對沒有完全燃燒的尾氣，采用蒸汽射流作用，使其進入混合室進行再次燃燒，將燃燒的熱量用來補償燃燒室的溫度。整個過程實現(xiàn)能量的完全應(yīng)用，而且減少廢氣污染和資源浪費。

2 煤基活性炭炭化過程控制系統(tǒng)設(shè)計

炭化生料的上料傾角皮帶由于控制簡單，因此采用就地控制，炭化過程的控制關(guān)鍵點在于炭化爐爐頭溫度的控制，炭化是炭化生料與水蒸汽、二氧化碳、氧氣在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳原子燃燒，氫氧原子脫落，初步形成一定的孔隙結(jié)構(gòu)，為了滿足炭化要求，炭化生料要逐步升溫，爐頭溫度要求在320℃作用，爐中要求在400℃左右，爐尾要求在600℃左右，由于炭化爐的爐尾高于爐頭，從爐尾入料、爐頭出料，整個過程中炭化爐以一定的速度做回轉(zhuǎn)運動，隨著重力作用，炭化料從爐尾到爐頭移動，燃燒室的熱氣是從爐頭向爐尾運動，熱氣的動力來自于引風(fēng)機的抽力，引風(fēng)機的抽力同時可以保持炭化爐內(nèi)為負壓狀態(tài)，爐內(nèi)負壓的保持可以使炭化料中的可揮發(fā)物排出，增強了炭化工序速度，但負壓過大時，既影響了爐溫，又會使得外部空氣進入炭化爐內(nèi)，從而引起炭化料著火。而炭化爐溫度的控制包含爐頭、爐中、爐尾三個控制監(jiān)測點，為了簡化控制內(nèi)容，便于實施溫度控制，以爐頭溫度控制為主控制點，爐中和爐尾溫度為控制監(jiān)測點，通過保證爐頭的溫度和爐體內(nèi)壓力來實現(xiàn)爐中和爐尾的溫度控制。而爐尾的壓力控制是保證炭化爐內(nèi)有毒氣體不泄露和炭化爐內(nèi)階梯狀爐溫的因素，因此爐尾壓力也是控制的重點。

影響炭化爐溫度的因素眾多，燃燒室溫度、皮帶秤上料量、炭化爐回轉(zhuǎn)速度（炭化料溫升快慢）、引風(fēng)機轉(zhuǎn)速（決定熱氣流動速度）、鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速（影響燃燒室溫度）等多變量且相互耦合。

下料量的多少會影響溫度的控制，加料量大，固定時間內(nèi)需要的熱量也大，爐內(nèi)料層加厚，形成堆積，導(dǎo)致炭化料炭化過程不均勻，物料在高溫下可能發(fā)生粘連、結(jié)塊甚至起火。但下料量少，則會讓熱量白白浪費，降低了設(shè)備的效率。

下料量的多少也影響爐體轉(zhuǎn)速，下料量多則轉(zhuǎn)速要放慢，以滿足炭化過程的完全性，爐體轉(zhuǎn)速過快則生料在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)通過時間短，短時間內(nèi)大量逸出揮發(fā)粉會導(dǎo)致料條的膨脹和破碎，降低炭化料的機械強度，質(zhì)量差，產(chǎn)率低。

在上料量和爐體回轉(zhuǎn)速度一定的情況下，引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速對炭化溫度起了主要影響。為了簡化控制，抓住主要因素進行實時控制，次要因素進行非實時性控制。該系統(tǒng)設(shè)計時根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)要求，采用三菱FX2N系列PLC、GT1000系列觸摸屏及A系列變頻器、研華工控機安裝組態(tài)王（256點）軟件組成自動控制系統(tǒng)，其中，觸摸屏與PLC、觸摸屏與組態(tài)王之間均通過RS232通訊協(xié)議實現(xiàn)通訊。在爐體及其輔助設(shè)備安裝溫度、壓力傳感器，將熱電偶檢測燃燒室、炭化爐各點溫度、壓力傳感器檢測到的壓力信號通過變送器傳入AD模塊，并經(jīng)PLC運算通過DA單元轉(zhuǎn)為4-20 mA的電流信號去調(diào)節(jié)引風(fēng)機、鼓風(fēng)機、冷卻器回轉(zhuǎn)的速度、煤氣閥門開度大小。其他電機的控制分為兩種，一種為起?？刂疲硪环N為通過變頻器啟動且可以進行多段速、模擬量調(diào)速［5］。觸摸屏的使用是便于工人在控制柜上操作時的便利，便于監(jiān)控、查詢、修改參數(shù)等設(shè)置，組態(tài)王的使用便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計記錄，狀態(tài)的監(jiān)控、參數(shù)的修改，而且當二者中某一系統(tǒng)出故障時還可以保證炭化過程的正常運行。圖2為硬件控制系統(tǒng)圖。

圖2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計

炭化爐溫度控制：根據(jù)炭化過程爐溫控制的要求，炭化爐的爐溫按階梯狀分布，而煙道的抽力影響了炭化爐的爐溫。經(jīng)分析炭化爐溫度還與炭化生料入料量的多少有關(guān)。因此，炭化爐爐溫控制是一個復(fù)雜的過程，需要選擇合適的控制策略來對其進行控制。由于碳化料最終溫度是決定產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，因此，將碳化料出料口溫度（爐頭溫度）設(shè)為主控溫度，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機風(fēng)量大小來調(diào)節(jié)碳化料出料口溫度。其控制框圖如圖3所示。

圖3 炭化爐頭出料口溫度

炭化爐的壓力控制：炭化爐爐內(nèi)要保持負壓，引風(fēng)機的抽力形成了爐體的負壓，當下料量、轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速等變化時，要保持相同的壓力，就需要調(diào)節(jié)引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機的變頻器來調(diào)節(jié)速度。

3 軟件流程設(shè)計

對于主設(shè)備的起動控制采用出料到入料的逆序啟動，設(shè)備停止時采用入料到出料的順序停止。輔助設(shè)備起停：如圖1所示，啟動時從引風(fēng)機到鼓風(fēng)機順序啟動，停止時則從鼓風(fēng)機到引風(fēng)機逆序停止。由于炭化過程溫度控制與下料量的多少、引風(fēng)機速度、爐體轉(zhuǎn)速、煤氣量和鼓風(fēng)機風(fēng)量等變量有關(guān)，各變量之間又互相相關(guān)，如下料量與爐體轉(zhuǎn)速、煤氣量與風(fēng)量都有一定的關(guān)系，又由于炭化回轉(zhuǎn)爐體形長，炭化料升溫過程呈階梯狀緩慢升溫，升溫具有慣性，因此炭化爐爐頭溫度控制是一個多變量耦合時滯問題，如上所述對該問題進行了簡化，只選用引風(fēng)機轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速作為調(diào)節(jié)炭化爐爐頭溫度的主要因素，簡化后用經(jīng)典PID控制理論依然難以實現(xiàn)對其溫度的良好控制［6-7］，因此，經(jīng)過對比分析，采用模糊控制來實現(xiàn)炭化爐爐頭溫度的控制。使用PLC進行模糊控制的編程主要分為三部分：模糊化程序、模糊推理程序、解模糊化程序［8-9］。通過設(shè)計二維模糊控制器，將爐頭溫度的誤差和誤差的變化量作為輸入變量，模糊變量設(shè)置為5個，減少PLC的運算負擔，將調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速作為輸出量。

圖4 炭化爐壓力控制

爐尾壓力的控制與爐頭溫度的控制設(shè)計思路一樣，只是將引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速作為輸出量進行調(diào)節(jié)。通過PLC設(shè)置模糊規(guī)則表，通過比較指令用指針調(diào)用程序的方式來進行查表選用相應(yīng)的輸出變量值，來編寫模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)，模糊控制軟件流程如圖5所示。

4 結(jié)語

通過設(shè)計PLC-觸摸屏-工控機為一體的監(jiān)控系統(tǒng)，詳細的分析了炭化爐的炭化原理及炭化過程中主要控制參數(shù)的監(jiān)測與控制，找出了控制過程中的控制點和影響因素，設(shè)計了炭化過程控制系統(tǒng)，提出相應(yīng)的控制策略和執(zhí)行機構(gòu)。實現(xiàn)了就地控制和遠程中控控制，改變了原有控制系統(tǒng)依賴人工測溫，人工調(diào)溫和數(shù)據(jù)記錄的缺點。模糊算法在PLC中的實現(xiàn)滿足了炭化爐爐頭溫度的實時控制，觸摸屏對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力強和工控機強大的記錄、分析功能和存儲能力優(yōu)勢互補，能夠完全滿足炭化過程控制要求和數(shù)據(jù)監(jiān)測、記錄分析的要求。其中模糊控制參數(shù)的選擇尤為關(guān)鍵，該系統(tǒng)參數(shù)需要在實踐過程中慢慢調(diào)整與修改，逐步完善。本系統(tǒng)的設(shè)計為以后提高活性炭制備過程控制系統(tǒng)的設(shè)計制造有相當?shù)慕梃b意義。

圖5 PLC程序設(shè)計流程

［1］王大春，童仕唐，張海祿，等.高質(zhì)量煤基活性炭炭化料的制備研究進展［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，26（3）：251-253.

［2］孫仲超，張文輝，杜銘華，等.壓力對太西無煙煤制活性炭的炭化和活化過程的影響［J］.煤炭學(xué)報，2005，30（3）：353-357.

［3］解強.煤的炭化過程控制理論及其在煤基活性炭制備中的應(yīng)用［M］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002：1-5.

［4］呂偉珍.煤基活性炭炭化過程控制系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］.銀川：寧夏大學(xué)，2012：20-33.

［5］李曉慧，鄭先鋒.可編程控制器及變頻技術(shù)在大型變壓器風(fēng)冷卻器系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.變壓器，2007，44（7）：62-64.

［6］藺金元，呂偉珍，虎恩典.基于PLC的齒輪淬火壓床控制系統(tǒng)改造及油溫控制［J］.煤礦機械，2012，33（3）：176-178.

［7］姚慶文.基于模糊控制的鍋爐溫度調(diào)控策略［J］.計算機仿真，2011，28（12）：188-190，222.

［8］劉曙光，魏俊民.模糊控制技術(shù)［M］.北京：中國紡織出版社，2001：213-230.

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（責任編輯：李堆淑）

Design of Carbonization Process Monitoring System of Coal-based Activated Carbon

XIE Nan
（College of Electronic Information and Electrical Engineering，Shangluo University，Shangluo726000，Shaanxi）

In order to improve the automation of carbonization process control system for coal based activatedcarbon，theactivecarboncokingcontrolprocessisanalyzedindetail，withthe carbonizationfurnacetemperatureandfurnacetailpressureasthemaincontrolvariable，the comprehensive related influencing factors.The control system is designed that combine with PLC，Touch screen and King view by the actual demand.PLC is used to realize fuzzy control algorithm，so as to satisfy the requirement of the carbonization furnace temperature control and furnace pressure control requirements，the combination of king view and touch screen meets the demands of data acquisition and recording，storage and analysis，improves the degree of carbonization equipment automation，meets the requirements of field control.

coal based activated carbon；carbonization furnace temperature；PLC；king view；fuzzy algorithm

TQ424.1

A

1674-0033（2015）04-0020-05

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.04.006

2015-05-10

商洛學(xué)院科研基金項目（13SKY016）

謝楠，男，陜西洛南人，碩士，助教