基于分散控制系統(tǒng)的半水法濕法磷酸生產(chǎn)PID控制

蘭 洲

（中化重慶涪陵化工有限公司，重慶 408000）

0 引言

半水法濕法磷酸的生產(chǎn)工藝具有流程短、投資低、生產(chǎn)的磷酸濃度高的優(yōu)點(diǎn)，被較多磷化工企業(yè)所青睞。雖然半水法濕法磷酸工藝有許多優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)過(guò)程反應(yīng)溫度高、精度控制難度大，如果過(guò)程控制不好，會(huì)給后續(xù)工序造成很大的問(wèn)題。比如，半水石膏失酸失溫后極容易生成石膏，堵塞管道，過(guò)濾時(shí)洗滌水用量增加，造成磷酸濃度下降，使其在提高磷酸濃度時(shí)，要消耗大量的蒸汽，增加電耗，使生產(chǎn)成本提高[1-12]。

1 半水法濕法磷酸工藝簡(jiǎn)介

1.1 半水法濕法磷酸

半水法濕法磷酸工藝是利用經(jīng)過(guò)濃密沉降后的精磷礦漿進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)一步除去水分，通過(guò)輸送皮帶輸送到溶解槽，利用返酸進(jìn)行溶解，配比混酸輸送預(yù)處理槽進(jìn)行預(yù)處理后，再配比濃硫酸在加熱的半水反應(yīng)槽中進(jìn)行半水反應(yīng)，高效地萃取出磷酸。半水法濕法磷酸的目的是生產(chǎn)出高濃度磷酸，磷礦漿的過(guò)濾處理是為了減少水分，同樣，利用返酸進(jìn)行溶解和利用濃硫酸與磷礦漿反應(yīng)，也是為了使整個(gè)料漿中的含水量減少，有利于半水反應(yīng)。

在磷礦料漿與硫酸進(jìn)行萃取反應(yīng)的過(guò)程中，如果水分占比大，就會(huì)生成石膏或二水石膏，且得到的磷酸濃度不高。半水反應(yīng)萃取磷酸的反應(yīng)溫度需控制在80～100℃。

1.2 工藝流程

半水法濕法磷酸工藝流程框圖及流程如圖1所示。

2 控制設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，將所有控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中包括槽中介質(zhì)的液位、溫度等都采集到分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS），然后根據(jù)半水法濕法磷酸生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和要求，利用DCS進(jìn)行組態(tài)，建立邏輯控制關(guān)系。在運(yùn)行過(guò)程中，DCS根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)定值調(diào)節(jié)控制相應(yīng)的電機(jī)變頻器或管道閥門(mén)的開(kāi)度，達(dá)到控制目的。

圖1 半水法濕法磷酸工藝流程

主要的控制點(diǎn)有：

1）過(guò)濾后的磷礦計(jì)量（皮帶秤計(jì)量），配比控制返酸量（由流量計(jì)MF6計(jì)量）加入溶解槽，溶解磷礦。

2）溶解后的磷礦計(jì)量（流量計(jì)MF1計(jì)量），配比控制混酸量（由流量計(jì)MF4計(jì)量）加入預(yù)處理槽。

3）預(yù)處理后的磷礦計(jì)量（流量計(jì)MF2計(jì)量），配比控制濃硫酸量（由流量計(jì)MF8計(jì)量）加入半水反應(yīng)槽。

4）預(yù)處理槽、半水反應(yīng)槽、熟化槽的溫度控制，分別由其溫度控制儀TIC2、TIC3、TIC4控制相應(yīng)的蒸汽閥門(mén)VS-7、VS-8、VS-9的開(kāi)度。

5）四個(gè)槽的液位控制，分別由液位控制儀LIC1、LIC2、LIC3、LIC4控制向該槽輸送料泵的輸入量，比如LIC1控制礦漿泵的輸送量，皮帶秤計(jì)量自然下降，那么配比的返酸也隨之減少，溶解槽的液位下降，反之亦然；其后三個(gè)槽的液位控制原理相同，只需LIC2、LIC3、LIC4控制調(diào)節(jié)其前面流量計(jì)MF1、MF2、MF3，流量計(jì)再控制相應(yīng)輸入料漿泵的變頻器，控制其流量輸送即可。

6）反應(yīng)完成后的料漿流量計(jì)MF5配比控制調(diào)節(jié)沖洗水的加入。沖洗水不能過(guò)量，會(huì)影響磷酸濃度，也不能太少，會(huì)使磷的回收不完全。

3 具體實(shí)施控制方式

如第2節(jié)所述，按其控制點(diǎn)逐一設(shè)計(jì)控制方式。

3.1 磷礦配比返酸量的控制

控制方式采用變頻調(diào)速，變頻器調(diào)速頻率給定有手動(dòng)和自動(dòng)兩種，皆引入DCS后臺(tái)進(jìn)行比例積分微分（proportional- integral-differential, PID）控制。手動(dòng)控制是通過(guò)DCS切換到手動(dòng)控制，通過(guò)手動(dòng)輸入來(lái)確定返酸泵變頻器的給定頻率；自動(dòng)控制是當(dāng)DCS切換到自動(dòng)后，通過(guò)皮帶計(jì)量秤所測(cè)得的實(shí)際磷礦量，來(lái)控制變頻器的頻率給定，實(shí)現(xiàn)PID控制。工藝正常運(yùn)行時(shí)返酸泵均是進(jìn)行自動(dòng)控制，在調(diào)試試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，一般采取手動(dòng)控制。

將皮帶計(jì)量秤的量秤信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)，傳入DCS，經(jīng)過(guò)與磷礦配比溶解換算后，作為返酸泵流量計(jì)MF6的給定值，再由流量去控制返酸泵變頻器的運(yùn)行頻率，接入變頻器的AI2和GND端，同時(shí)利用溶解槽的液位（由LIC1計(jì)量）作為目標(biāo)值，進(jìn)行PID控制。實(shí)際控制是以液位反饋控制皮帶秤給料，再由皮帶給料配比控制返酸泵，分別如圖2、圖3所示。

圖2 溶解槽液位與磷礦給料控制

圖3 磷礦與返酸量配比控制

以第2節(jié)中所述2）、3）控制點(diǎn)與5）控制點(diǎn)相結(jié)合，利用液位作為目標(biāo)值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，皆同1）控制原理一樣，不同的只是配比值不同，如圖3所示磷礦與返酸量的配比是1:2，此處不再贅述。

3.2 溫度控制

預(yù)處理槽、半水反應(yīng)槽、熟化槽的溫度控制，采用環(huán)管蒸汽加熱，使反應(yīng)槽內(nèi)溫度達(dá)到80～100℃。分別由溫度控制儀TIC2、TIC3、TIC4的溫度反饋去控制相應(yīng)的蒸汽閥門(mén)VS-7、VS-8、VS-9的開(kāi)度，如圖4所示。

圖4 加熱溫度控制

3.3 熟化漿與沖洗過(guò)濾水的配比控制

用流量計(jì)MF5計(jì)量以熟漿泵輸送的流量，配比沖洗水量加入，沖洗水的配比，可以通過(guò)工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即計(jì)算需要多少水量才能將熟化漿中的磷酸過(guò)濾并沖洗完，使磷的回收率達(dá)到所需值，水量由流量計(jì)MF7計(jì)量，如圖5所示。

圖5 熟化漿與沖洗水配比控制

4 PID液位控制及配比

經(jīng)過(guò)第3節(jié)的控制方式后，仍需進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。因?yàn)镻ID的控制參數(shù)設(shè)置較復(fù)雜，尤其是其中的液位調(diào)節(jié)控制，還包含相應(yīng)的其他物料的加入，即使控制參數(shù)設(shè)置完全相同的兩個(gè)PID控制系統(tǒng)，其PID控制調(diào)節(jié)也有所不同。

4.1 PID液位調(diào)節(jié)控制

PID液位調(diào)節(jié)控制參數(shù)設(shè)置較復(fù)雜，需經(jīng)多次調(diào)試修改才能最終確定，其中重要的調(diào)節(jié)參數(shù)有比例增益（KP）、積分時(shí)間（Ti）和微分時(shí)間（Td）。KP決定整個(gè)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，KP越大，調(diào)節(jié)幅度越大。Ti決定PID調(diào)節(jié)器對(duì)PID反饋量與給定量的偏差進(jìn)行積分調(diào)節(jié)的快慢，積分時(shí)間越短，調(diào)節(jié)反應(yīng)的速度越快。Td決定PID調(diào)節(jié)器對(duì)PID反饋量與給定量的偏差的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)的強(qiáng)度，微分時(shí)間越長(zhǎng)，調(diào)節(jié)變化越大。

PID控制調(diào)節(jié)的主要目的是為了讓控制更接近目標(biāo)值，對(duì)于液位來(lái)說(shuō)，就是保證槽內(nèi)的液位穩(wěn)定，上下波動(dòng)不大，以使給定頻率所控制的液位曲線更貼近目標(biāo)液位曲線，即實(shí)時(shí)跟蹤液位。利用給定頻率實(shí)時(shí)調(diào)控，該值可以根據(jù)計(jì)算得出，也可以根據(jù)幾次人為調(diào)節(jié)而確定一個(gè)穩(wěn)定的值（一般是經(jīng)過(guò)人為調(diào)節(jié)，理論值只能作為參考）。

在控制系統(tǒng)安裝完成后，投用運(yùn)行，出現(xiàn)了以下幾種情況：

（1）變頻器低速運(yùn)行跳閘，卻并未報(bào)低速運(yùn)行超時(shí)故障。

（2）正常停機(jī)后，變頻器在高頻率下不能起動(dòng)，DCS將給定頻率降為低頻后，才能起動(dòng)。

（3）DCS PID控制不穩(wěn)定，變頻器增速、減速波動(dòng)太大。

（4）PID液位自動(dòng)控制變頻器調(diào)速時(shí)，在低液位使變頻器頻率降低，當(dāng)液位回升后，頻率不能及時(shí)回升，致使?jié){池滿(mǎn)槽溢出。

整定前的液位控制曲線如圖6所示，PV是液位控制儀所測(cè)的實(shí)際值，SV是工藝要求的液位控制給定值，MV是PID控制的輸出控制量，即向電機(jī)變頻器給定的頻率值。

圖6 整定前的液位控制曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得知，第（1）種情況出現(xiàn)的原因是操工人員將變頻器頻率調(diào)得很低，雖然礦漿輸送泵沒(méi)有停止，但變頻器頻率降到一定值以下時(shí)，輸送泵就會(huì)因高差壓力而不能輸出礦漿，導(dǎo)致輸送泵因管道礦漿退回而反轉(zhuǎn)，迫使變頻器因反拉制動(dòng)而跳閘；第（2）種情況中正常停機(jī)后，高頻率下不能起動(dòng)的原因是礦漿退回地槽漿池和泵內(nèi)后，礦漿對(duì)泵有一定的堵塞作用，直接加快高速運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使變頻器制動(dòng)，不能起動(dòng)，需要低頻起動(dòng)；綜合（1）和（2）兩種情況，可將變頻器的低頻率運(yùn)行閾值從0Hz改為30Hz，即礦漿輸送泵克服管道里的礦漿高差壓力輸送礦漿的最小頻率值，此值可能通過(guò)泵的參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、礦漿的濃度和管道的長(zhǎng)度及高差來(lái)計(jì)算得出，這里的30Hz是一個(gè)根據(jù)幾次人為調(diào)節(jié)而確定穩(wěn)定的值，還要將變頻器的加/減速時(shí)間改為10s（廠家默認(rèn)值為3s）。這樣，無(wú)論手動(dòng)控制，還是自動(dòng)控制，變頻器始終最低運(yùn)行頻率都在30Hz，這樣既能保證低頻運(yùn)行，礦漿不會(huì)順著管道退回，也能保證低頻率起動(dòng)。

第（3）種情況主要是PID控制的問(wèn)題，PID控制的積分調(diào)節(jié)是為了消除余差，即消除PV（實(shí)際控制值）和SV（目標(biāo)值）之間的余差，余差越小越接近目標(biāo)值，控制就越穩(wěn)定越好，致使給定頻率實(shí)時(shí)跟蹤液位，該值可以根據(jù)計(jì)算得出，也可以根據(jù)幾次人為調(diào)節(jié)而確定一個(gè)穩(wěn)定的經(jīng)驗(yàn)值。第（4）種情況也是PID控制的問(wèn)題，其實(shí)也是與設(shè)備有關(guān)，比如輸送泵的輸送量和漿池的大小，礦漿輸送泵輸送過(guò)快容易使?jié){池溢出，輸送得太慢則漿池液位下降得很快，不利于工藝生產(chǎn)，所以PID控制必須對(duì)比例參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，該值可以通過(guò)計(jì)算得出，也可以根據(jù)幾次人為調(diào)節(jié)而確定一個(gè)穩(wěn)定的經(jīng)驗(yàn)值。可以通過(guò)傳遞函數(shù)的關(guān)系，計(jì)算出比例參數(shù)和積分參數(shù)的值，再根據(jù)實(shí)際運(yùn)行，進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，使其滿(mǎn)足。當(dāng)對(duì)積分參數(shù)值輸入1.00%后，可以清楚地看到效果明顯改善；至于比例參數(shù)值，它代表液位計(jì)對(duì)變頻器的給定頻率的反應(yīng)速率，將其調(diào)為30左右，其曲線是由下個(gè)平滑的波形，逐漸趨向直線，這樣就保證了地槽漿池的液位在一個(gè)比較恒定的范圍內(nèi)，不會(huì)滿(mǎn)槽溢出，也不會(huì)下降得過(guò)快不利于工藝生產(chǎn)。

整定后的控制曲線如圖7所示，漿槽液位PV經(jīng)過(guò)兩個(gè)波峰之后衰減，逐漸向所期望的控制目標(biāo)SV曲線靠近，即PV值跟蹤SV值，最好的目標(biāo)是PV與SV重合；而MV也由兩個(gè)波峰之后逐漸變?yōu)橐环€(wěn)定值，即穩(wěn)定的頻率輸出，其大小由漿池的進(jìn)料流量所決定；只要進(jìn)料有改變，測(cè)量值PV就會(huì)改變，MV也會(huì)改變，經(jīng)過(guò)兩三個(gè)波峰后，又會(huì)達(dá)到平穩(wěn)。

4.2 配比控制

如第3節(jié)中所述，配比控制很簡(jiǎn)單，只需將數(shù)據(jù)采集到DCS，利用DCS組態(tài)，通過(guò)配比的工藝參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)物量的配比，可以很好地配置相應(yīng)物量的輸入，如圖3所示磷礦與返酸量的配比是1:2。這時(shí)受液位控制的其中一個(gè)物料量隨液位增加或減少，另一個(gè)配比的物料量也隨之增加或減少。

圖7 整定后的控制曲線

5 結(jié)論

通過(guò)本控制方案，不僅能使幾個(gè)漿槽的液位控制平穩(wěn)，波動(dòng)小，有利于物料在槽中反應(yīng)穩(wěn)定，同時(shí)精確計(jì)量進(jìn)行配比控制。同理，本文涉及的溫度加熱控制、沖洗水的控制都同樣采取PID控制，控制好溫度使萃取反應(yīng)更有利于半水反應(yīng)，同時(shí)精確控制沖洗水的加入，提高磷酸濃度，減少生產(chǎn)成本。PID控制在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用越來(lái)越廣泛，大大提高了生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。