基于PLC 的炭基材料生產(chǎn)裝備自動控制系統(tǒng)優(yōu)化

呂大飛，鞏雪樺，曹昌興，嚴(yán)子深

（1.河北天善生物技術(shù)有限公司 河北省炭基重金屬土壤污染修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山 063000；2.國家地質(zhì)實驗測試中心河北天善分中心 利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備炭基土壤修復(fù)材料重點實驗室，河北唐山 063000）

0 引言

生物質(zhì)炭基材料是應(yīng)用于土壤地力提升、污染土壤修復(fù)的新能源生態(tài)環(huán)保材料，其主要是面向重金屬修復(fù)、鹽堿地治理、礦山修復(fù)、荒漠化治理等區(qū)域根據(jù)不同性質(zhì)土壤、不同環(huán)境條件、不同污染來源、不同污染種類和不同污染程度，有針對性地研制出的土壤修復(fù)材料。

生物質(zhì)炭基材料的生產(chǎn)工藝是一種新能源環(huán)保工藝，是將農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)原料先進(jìn)入原料前處理系統(tǒng)進(jìn)行干燥、壓制為要求入爐的尺寸及形狀，經(jīng)過上料系統(tǒng)送入炭化爐，通過復(fù)雜的生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)將原料分解得到以生物質(zhì)炭為基質(zhì)的生物質(zhì)炭基材料。熱裂解過程產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化，處理后的純凈氣體進(jìn)入儲存系統(tǒng)，為后續(xù)的生物質(zhì)燃?xì)庑履茉蠢孟到y(tǒng)提供氣源用于生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電或者生物質(zhì)燃?xì)忮仩t，從而實現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的節(jié)能環(huán)保再利用。

炭基材料生產(chǎn)裝備自動化控制系統(tǒng)是以生物質(zhì)炭基材料生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，具有以采用PLC、電氣控制系統(tǒng)、儀表采集檢測系統(tǒng)對主要包括原料前處理系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、炭化系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、氣體儲存系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)庑履茉蠢孟到y(tǒng)等組成單元進(jìn)行炭氣聯(lián)產(chǎn)自動控制的功能，所有單元的生產(chǎn)工藝參數(shù)由現(xiàn)場儀表檢測元件采集并傳送到PLC，再通過工控軟件在主控室操作界面顯示。主控室人員根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和處理，設(shè)定控制參數(shù)輸出進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)控制，實現(xiàn)對生產(chǎn)工藝的自動化控制。

在生產(chǎn)線投入初期，炭基材料生產(chǎn)裝備自動控制系統(tǒng)的效果顯著，在一定程度上能滿足生產(chǎn)工藝的要求，但在持續(xù)使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，如爐內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)有時受原料填料、料位高低、料面透氣性等影響較大，現(xiàn)有的工藝監(jiān)測點不能完全體現(xiàn)工藝過程，爐內(nèi)熱裂解過程不直觀，產(chǎn)出燃?xì)庠诠艿乐袎毫τ羞^壓情況需進(jìn)行安全壓力檢測及泄壓控制等，因此需要在原自控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，以滿足新的工藝要求。

1 串級控制炭化爐內(nèi)溫度

炭化爐是生產(chǎn)工藝核心裝備，生物質(zhì)熱裂解技術(shù)的關(guān)鍵就是要控制爐內(nèi)溫度的平衡穩(wěn)定，但是現(xiàn)有生物質(zhì)炭化爐溫度控制反應(yīng)較慢，出口溫度有一定滯后性，造成爐內(nèi)原料熱解不充分甚至有時有懸料搭橋的情況，產(chǎn)炭質(zhì)量不理想等情況，需要對自控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高壓力控制精度。

原爐體溫度和電動調(diào)節(jié)閥為單閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)對自控系統(tǒng)PLC 進(jìn)行串級控制編程，將爐體溫度和電動調(diào)節(jié)閥作為副調(diào)節(jié)器，將爐體出風(fēng)口溫度和電動調(diào)節(jié)閥作為主調(diào)節(jié)器，通過控制調(diào)節(jié)生物質(zhì)炭化爐進(jìn)氣口的電動調(diào)節(jié)閥閥門開度大小來控制進(jìn)風(fēng)量，使?fàn)t內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

當(dāng)一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量同方向變化時（即同時變大或變?。?，對于主控制器來說由于它的測量值升高，根據(jù)控制器的反作用關(guān)系輸出將在穩(wěn)態(tài)時的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的設(shè)定值將減小，而副控制器的測量值將增大。根據(jù)副控制器的反作用關(guān)系，上述干擾都將使副控制器的輸出減小，最終調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥閥門的開度減小。

當(dāng)一次干擾和二次干擾造成主副變量反方向變化（即一個增大另一個減?。r，假設(shè)一次干擾引起主變量下降，二次干擾引起副變量升高，對主控制器來說，由于其測量值減小，其輸出值將增大、也使副控制器的設(shè)定值增大；對于副控制器來說，由于測量值增大，設(shè)定值也增大，如果同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號偏差沒有改變，控制器的輸出也就沒有改變，閥門開度不變；實際上這是用二次干擾補(bǔ)償了一次干擾，電動調(diào)節(jié)閥門不需調(diào)節(jié)。如果兩個干擾引起副控制器的設(shè)定值和測量值的同向變化不相同，也就是二次干擾還不足以補(bǔ)償一次干擾時，副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)做小范圍的調(diào)節(jié)就可將主變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。

從串級控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個控制器為串聯(lián)控制，是以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，因此其控制質(zhì)量必然高于之前系統(tǒng)的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。

當(dāng)溫度傳感器檢測到生物質(zhì)炭化爐爐內(nèi)溫度過高時，PLC元件對溫度設(shè)定值和溫度反饋值進(jìn)行PID 運算并輸出運算差值，通過運算差值控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，使其開度降低、生物質(zhì)炭化爐爐內(nèi)進(jìn)風(fēng)量降低，從而減少爐內(nèi)炭化反應(yīng)需要的氧氣含量，進(jìn)而控制爐內(nèi)炭化反應(yīng)進(jìn)程，達(dá)到降低爐內(nèi)炭化溫度的目的，最終使?fàn)t口出氣溫度下降到設(shè)定值（圖1）。

圖1 串級控制爐體溫度系統(tǒng)

2 增加設(shè)備工藝檢測點位

檢測點位增加使工控監(jiān)測可以覆蓋整個生產(chǎn)工藝過程，能實時掌握生產(chǎn)狀況，生產(chǎn)工藝參數(shù)運行管理更加全面（表1）。

表1 設(shè)備工藝檢測點位對比 個

（1）在壓力方面，增加了氣柜后總管壓力、汽水分離器前總管壓力、冷凝器B1 支管后端壓力、冷凝器B2 支管后端壓力、熱成像儀冷卻水前段壓力、熱成像儀冷卻水后段壓力6 個檢測點位。

（2）在溫度方面，增加了爐體左側(cè)中部溫度、爐體右側(cè)中部溫度、熱成像儀冷卻水前段溫度、熱成像儀冷卻水后段溫度、氣柜前端支管溫度5 個檢測點位。

（3）在差壓方面，增加了篩網(wǎng)過濾器差壓、氣柜前后差壓、汽水分離器前后差壓3 個檢測點位。

（4）在流量方面，增加了安全閥放散氣體流量、熱成像儀冷卻水流量2 個檢測點位。

（5）在輸入/輸出開關(guān)量方面，增加了熱成像儀冷卻水供水電磁閥開啟、開到位、關(guān)閉、關(guān)到位和2 組安全閥開啟、開到位、關(guān)閉、關(guān)到位共12 個檢測點位。

3 增設(shè)爐內(nèi)熱成像儀

為更直觀、更方便地觀察爐內(nèi)生產(chǎn)狀況，在爐內(nèi)設(shè)置紅外熱成像監(jiān)控系統(tǒng)。由爐頂插入熱成像儀鏡頭來采集爐內(nèi)生產(chǎn)狀況，熱成像儀采用水冷式降溫保護(hù)，避免熱成像儀外套通入冷卻水吸收帶走爐內(nèi)工作溫度對熱成像儀的高熱影響，保證攝像頭穩(wěn)定可靠運行。同時熱成像儀有溫度標(biāo)定功能，可以隨時進(jìn)行溫度標(biāo)定，保證采集檢測溫度的精確和可靠。

通過紅外熱成像探測技術(shù)可以對布料前后整個爐內(nèi)的溫度分布狀況、爐內(nèi)氣流的走向、正常料面情況、異常情況下的料面塌料、搭橋、布料不勻等都能進(jìn)行直觀展示，能夠為主控室人員提供豐富的爐內(nèi)運行信息，如溫度數(shù)據(jù)趨勢圖、歷史數(shù)據(jù)趨勢圖、溫度分布曲線圖，采集傳遞爐內(nèi)料面溫度信息，幫助主控室人員直觀掌握料面高度變化，掌控料面分布情況，監(jiān)測熱解區(qū)域分布狀況，可以為主控人員提供實時數(shù)據(jù)支持，有效提高爐內(nèi)操作精度，保證爐內(nèi)生產(chǎn)順利進(jìn)行（圖2）。

圖2 炭化爐內(nèi)熱成像圖

4 增加安全壓力智能放散控制系統(tǒng)

生物質(zhì)炭基材料生產(chǎn)工藝凈化生產(chǎn)線熱裂解后產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)夂兴羝O2、甲烷等多種成分，需要進(jìn)行完全凈化后使用，這樣需要多種凈化裝置同時使用才能達(dá)到凈化效果，但是與此同時凈化設(shè)備裝置生產(chǎn)線過長，整個凈化生產(chǎn)線采用羅茨風(fēng)機(jī)從炭化爐內(nèi)引出燃?xì)?，并?dǎo)入到后端儲存系統(tǒng)。在實際使用中當(dāng)某個凈化設(shè)備因堵塞或其他原因引起管路氣體壓力迅速升高，如不及時排放會有管路超壓爆裂隱患，造成安全事故。因此，需要在凈化系統(tǒng)管路中采用安全壓力檢測放散裝置來檢測壓力異常并放散降壓來保證人身及設(shè)備安全。

為此，設(shè)計出一種生物質(zhì)燃?xì)鈨艋b置用安全壓力智能放散控制系統(tǒng)，其主要由安裝在多段凈化設(shè)備管路上的各壓力傳感器、多回路智能測控儀表、氣體專用電動放散蝶閥、排氣管、閃光報警器等組成（圖3）。

圖3 安全壓力智能放散控制系統(tǒng)組成

凈化燃?xì)庵Ч芘c凈化主管路連接，用于將異常的高壓氣體從主管路中引出，排出到設(shè)備外部，防止因異常高壓氣體造成管路爆裂或破損。電動放散蝶閥與多回路測控儀表連接，用于控制支管管路的通斷，正常情況下，電動放散蝶閥保持關(guān)閉，氣體通過主管路進(jìn)入凈化裝置進(jìn)行凈化，當(dāng)有高壓異常情況時會控制電動放散蝶閥打開，此時高壓氣體經(jīng)過支管通過放散管排出到外界。隨著高壓氣體的持續(xù)排出，壓力會下降，當(dāng)壓力下降到設(shè)定的下限值正常值時，多回路測控儀表控制電動放散蝶閥關(guān)閉，氣體繼續(xù)通過主管路進(jìn)入凈化裝置進(jìn)行凈化。同時多回路測控儀表將壓力及控制開關(guān)量傳遞到PLC 系統(tǒng)，提供給工控監(jiān)控畫面顯示和監(jiān)測。

5 結(jié)束語

通過對現(xiàn)有炭基材料生產(chǎn)裝備自控系統(tǒng)進(jìn)行的多種優(yōu)化措施，使新的自動控制系統(tǒng)較以往控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、控制性能、產(chǎn)品品質(zhì)上均得到極大提升，能有效、及時處理具體控制目標(biāo)和生產(chǎn)任務(wù)，滿足目前生產(chǎn)工藝的要求，大大提高生產(chǎn)效率，保障炭基材料生產(chǎn)的順利進(jìn)行。