盛 坤

(上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，上海 200240;中國鋁業(yè)山東分公司2，山東 淄博 255062)

0 引言

氧化鋁焙燒的主要工藝參數(shù)是灼燒溫度，灼燒溫度的高低與穩(wěn)定與否直接決定著氧化鋁的出廠質(zhì)量，所以穩(wěn)定控制氧化鋁灼燒溫度是保證氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)量的主要途徑。

目前，國內(nèi)氧化鋁焙燒爐普遍采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)燃料閥門來控制灼燒溫度，這種方法控制不穩(wěn)定、可靠性差。本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)了一個(gè)PID溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)來取代人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，解決了手動(dòng)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定、指標(biāo)波動(dòng)大的問題。

1 解決方案

PID溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及和利時(shí)模塊。其中，溫度傳感器為檢測裝置，該傳感器為系統(tǒng)提供現(xiàn)場采集的運(yùn)算信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是本次自動(dòng)調(diào)節(jié)的執(zhí)行元件。和利時(shí)模塊是PID調(diào)節(jié)的核心，其不僅包括了可以實(shí)現(xiàn)PID控制的程序模塊，還提供了傳感器采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)人羞\(yùn)算模塊。

本文主要從設(shè)備選型、PID控制模塊過程實(shí)現(xiàn)和PID參數(shù)的選擇三個(gè)方面進(jìn)行說明［1］。

2 設(shè)備選型

2.1 溫度傳感器選擇

根據(jù)爐內(nèi)工況，本系統(tǒng)選擇帶高溫抗震耐磨套管的S型熱電偶，熱電偶型號(hào)為WRMN-430 s，其尺寸為1 000 mm×850 mm，法蘭大小DN150，耐磨頭采用煙臺(tái)高強(qiáng)度鈷基合金。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇

PID系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、排料閥。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥要求電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和閥體間隙精密，能夠準(zhǔn)確地控制閥門開度，閥芯則根據(jù)重油黏度系數(shù)選用V型半球閥，使其過油能夠連續(xù)通順，并使調(diào)節(jié)與開度盡量滿足線性關(guān)系［2］。為了解決排料的連續(xù)性，選擇了氣動(dòng)控制排料閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為I/P定位器。I/P定位器是二位三通電磁閥，此裝置通過閥門開關(guān)來控制氣缸帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。

3 PID控制模塊

PID溫度控制系統(tǒng)控制的核心為PID控制運(yùn)算，軟件采用國產(chǎn)的和利時(shí)DCS，和利時(shí)的PID是封裝好的程序模塊，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。PID控制運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型公式及運(yùn)算全在模塊內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行使用，而且PID有多種工作狀態(tài)，包括手動(dòng)、自動(dòng)、串級(jí)、跟蹤等，它們之間可以自由切換。模塊內(nèi)部帶設(shè)定值SP，目的是對(duì)設(shè)定值的擾動(dòng)進(jìn)行處理，防止輸出的突變。該P(yáng)ID控制器的主要參數(shù)有比例帶、積分時(shí)間、微分時(shí)間和反向積分四個(gè)。

圖1 PID控制模塊圖Fig.1 Diagram of PID control module

圖1中:SP為給定值;PV為過程值;TI、KD、TD分別為比例、積分、微分時(shí)間;AV為輸出值。溫度控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)HSPID各個(gè)管腳的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PID調(diào)節(jié)。

根據(jù)生產(chǎn)要求，溫度控制系統(tǒng)必須能根據(jù)外界環(huán)境的變化(下料量、氫氧化鋁含水量等變化)，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁恳约盃t膛內(nèi)的氧化鋁存量，使氧化鋁的焙燒溫度穩(wěn)定。為實(shí)現(xiàn)上述控制，首先建立相對(duì)穩(wěn)定的溫度PID控制系統(tǒng)。

控制原理框圖如圖2所示。

圖2 控制原理圖Fig.2 The control principle

PID控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是爐膛溫度，溫度傳感器熱電偶將測量毫伏信號(hào)通過溫度變送器變?yōu)槌Ｓ玫?～20 mA信號(hào)，然后進(jìn)入和利時(shí)的模擬量輸入模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。PID運(yùn)算模塊將采集到的爐膛的實(shí)際溫度與預(yù)存于積算控制器內(nèi)的期望溫度值相比較，得出溫度偏差值和溫度偏差變化;再經(jīng)過PID控制器的處理，推算出PID的幾個(gè)參數(shù)，從而調(diào)整PID控制器進(jìn)行控制［3］。

PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the PID system

下料螺旋的轉(zhuǎn)速給定量，轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)變頻器頻率實(shí)現(xiàn)，其為一個(gè)百分?jǐn)?shù)的給定量?？刂破魉刂频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)為調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)通過控制調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)開度(以百分?jǐn)?shù)計(jì)量)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)爐膛入爐燃料的控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)爐溫的目的。

為使?fàn)t溫穩(wěn)定在單一的某一個(gè)溫度段，獲得合格的灼燒溫度，PID控制系統(tǒng)利用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)入爐燃料溫度，并采用一個(gè)氣電啟動(dòng)相結(jié)合的排料閥來實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)物料數(shù)量的控制。

4 PID參數(shù)的整定

PID主要實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的整定。整定的方法主要有依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和工程整定法兩種。

①依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。采用這種方法得到的計(jì)算數(shù)據(jù)還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。將PID控制器設(shè)計(jì)成比例+積分+微分控制器［4］，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

表達(dá)式中各參數(shù)含義和取值范圍如表1所示。

表1 PID整定參數(shù)含義Tab.1 Implication of PID tuning parameters

②工程整定法主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行。工程整定法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法這三種方法。三種方法都需要通過試驗(yàn)，按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，且整定后的數(shù)據(jù)都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善［6］。

5 PID運(yùn)行效果

經(jīng)PID整定前后的燃燒爐溫度曲線對(duì)比圖如圖4所示。由圖4可以看出，整定后的燃燒爐溫度曲線波動(dòng)頻率減小，波動(dòng)幅度減弱;雖然在速度調(diào)節(jié)上仍有一定的延遲［7］，且溫度調(diào)節(jié)受熱電偶檢測精度和調(diào)節(jié)閥控制速度等影響仍有一定程度的波動(dòng)，但是已經(jīng)能很好地滿足氧化鋁灼燒溫度穩(wěn)定的生產(chǎn)要求。

圖4 燃燒爐溫度曲線對(duì)比圖Fig.4 The comparison chart of the temperatures of combustion furnace

6 改造不足

由于氧化鋁物料特性變化快，工藝指標(biāo)波動(dòng)大，所以灼燒氧化鋁溫度需要視情況改變。改變的方式可以考慮選擇建立一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者模糊控制的數(shù)學(xué)模型［8］，將模型和 PID 模塊相結(jié)合［9－10］。利用這種方式可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PID所不具有的功能。

7 結(jié)束語

本PID溫度調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制學(xué)上比較常用的一項(xiàng)技術(shù)。傳統(tǒng)的PID除了對(duì)參數(shù)要求比較嚴(yán)格外，對(duì)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度要求也很高，在量化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“單調(diào)非智能”式調(diào)節(jié)。在傳統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)過程中一定要注意做好控制參數(shù)的修正，才能有效減少波動(dòng)，穩(wěn)定參數(shù)。

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