陳曉鐘

(福建省三鋼(集團)有限責(zé)任公司，福建 三明 353000)

0 引言

福建三鋼本部現(xiàn)有200 m2、220 m2燒結(jié)機各一臺，其中200 m2燒結(jié)機于2010年12月投產(chǎn)，年產(chǎn)燒結(jié)礦260萬t?；旌蠙C配水為傳統(tǒng)的人工看水，職工根據(jù)經(jīng)驗判斷、調(diào)整混合料水分。因此，減少水分波動是穩(wěn)定生產(chǎn)的有效措施，應(yīng)用計算機控制技術(shù)方案替代人工，減少對生產(chǎn)的干擾，提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率勢在必行。

1 燒結(jié)水分穩(wěn)定的必要性

1)適宜穩(wěn)定的水分利于混勻制粒、改善料層的透氣性、減少氣體阻力、改善燒結(jié)料的換熱條件。

2)可直接改善燒結(jié)工藝的生產(chǎn)質(zhì)量等一系列技術(shù)經(jīng)濟指標，如垂直燒結(jié)速度、結(jié)塊率、燃料消耗、表層質(zhì)量、轉(zhuǎn)鼓強度、FeO含量等。

3)促進生產(chǎn)過程的良性循環(huán)，對于燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量的提高和消耗下降起了重要的作用[1]。

2 計算機雙PID水分控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

最終以物料水分為控制目標水分控制系統(tǒng)由現(xiàn)場信號采集元件，可編程邏輯控制器的輸入模塊，可編程邏輯控制器，網(wǎng)關(guān)模塊，計算機上的人機界面模塊，輸出模塊及執(zhí)行元件構(gòu)成一個完成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過現(xiàn)場檢測執(zhí)行元件采集現(xiàn)場水分、流量等反饋信號，結(jié)合計算機上的人機界面模塊輸入的工藝參數(shù)設(shè)定值，通過可編程邏輯控制器設(shè)置針對該系統(tǒng)開發(fā)的各控制計算單元的運算，向執(zhí)行裝置發(fā)出最終控制的指令。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

因混合料水分控制工藝具有比較大的滯后性，水的添加效果要經(jīng)過混合機的混合后才會體現(xiàn)到水分的變化上，這在工業(yè)現(xiàn)場上很容易產(chǎn)生超調(diào)，引起生產(chǎn)的波動導(dǎo)致控制模型的失效。故采用“前饋控制+反饋修正”的方式，控制模式采用雙PID并聯(lián)控制控制模式，該系統(tǒng)由具體控制模式見圖2。

圖2 控制原理圖

通過比例系數(shù)P參數(shù)的調(diào)整提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，通過積分時間I參數(shù)的調(diào)整來減少比例系數(shù)帶來的穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分時間D參數(shù)的調(diào)整來解決超調(diào)的問題。由于原料的復(fù)雜度高，本系統(tǒng)干擾項較多，原始物料的水分、含堿量、消石灰的配消程度、不含水分多返礦與除塵灰的配比等均為不可忽視的干擾項，雙PID將整個系統(tǒng)中的干擾項做了分類，通過運算模塊將其影響量化并提供給PID運算，在控制器中針對干擾和目標值的變化制定了不同的控制模塊和控制參數(shù)，保證自動控制系統(tǒng)對生產(chǎn)的適應(yīng)性。

一次混合：系統(tǒng)通過會根據(jù)混合料量以及白灰、返礦的上料量，計算出一混預(yù)加水量進行提前粗加水；若上料情況發(fā)生變化，則預(yù)算加水量會發(fā)生變化；同時，一混出口水分檢測儀的檢測結(jié)果會反饋給系統(tǒng)，進行修正。一般而言，粗加水量占80%，修正水量占20%。

二次混合：同理，二混加水量會根據(jù)一混出口水分檢測儀的檢測結(jié)果，進行計算預(yù)加水量，再根據(jù)二混出口水分檢測儀數(shù)據(jù)進行修正。

因此，通過設(shè)置預(yù)加水量進行粗加水可滿足基本水分需求，同時通過水分檢測儀進行不斷修正，可實現(xiàn)水分精準控制。在該模式下，可有效防止因系統(tǒng)故障/錯誤造成混勻料水分大幅度偏離，從而影響生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量大幅波動[2-3]。

2.2 測量裝置的選擇

在該方案的自動化雙PID控制系統(tǒng)中，前饋反饋過程中的被測參數(shù)的測量精度和測量的重復(fù)性、穩(wěn)定性對控制方案的實施起到至關(guān)重要的作用，測量裝置的選擇是控制系統(tǒng)是否能夠成功的關(guān)鍵所在。技術(shù)方案涉及到水量的檢測和水分的檢測。

2.2.1 水量的檢測

水流量檢測一般有速度法、差壓法和體積法，都能夠滿足檢測的要求，但由于差壓法和體積法在不同程度上都對系統(tǒng)造成了壓力損失，在這里采用速度法，并用電磁流量計作為檢測裝置，其具備測量準確、反應(yīng)及時、高可靠性、不受水的介質(zhì)狀態(tài)影響(溫度、壓力、密度、滿足檢測要求情況下的電導(dǎo)率等)。

2.2.2 水分的檢測

水分是最終控制目標，檢測的可靠性和穩(wěn)定性是本系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，水分檢測一般采用紅外法和微波法。

紅外水分檢測儀的理論基礎(chǔ)為朗博比爾定律，即水對一些特定波長的紅外光表現(xiàn)出強烈的吸收特性，當(dāng)用這些特定波長的紅外光照射物料時，物料中所含的水就會吸收部分紅外光的能量，含水越多吸收也越多，因此可測量反射光的減少量計算物料的水份。其原理簡單，測量干擾因素直接可控，能很好的反應(yīng)水分波動趨勢，但需要一定的儀表的維護與校準工作，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境做好應(yīng)對，從而提高精度[4]。

微波水分檢測儀是利用微波穿透法進行檢測的，在皮帶的上方與下方分別安裝微波Tx探頭與微波Rx探頭，由Tx探頭來發(fā)射微波，當(dāng)微波通過含水量不同的物料時，微波在傳播方向上的傳播速度和強度會發(fā)生不同的變化，含水物料會使微波的傳播速度變慢，強度減弱。通過微波透射介質(zhì)時產(chǎn)生的衰減、相位改變來計算水分含量；為穿透式檢測，抗干擾能力強，但缺點明顯，無法穿透金屬含量高的物體，測量原理決定并不適用于燒結(jié)鐵料的水分檢測。

三鋼本部200 m2燒結(jié)最終選擇紅外水分檢測儀，該設(shè)備基于紅外檢測原理，但采用激光定向光源，也可以稱為激光水分儀，所提供的紅外能量更穩(wěn)定，抗干擾能力強。

現(xiàn)場驗證比對試驗：通過前期大量取樣建模后，激光水分檢測儀正常投入使用，為排除采用后臺計算的可能性并驗證該設(shè)備的可靠性、準確性，采取以下兩種方式進行驗證：

1)直接澆水驗證：為排除水分儀采用后臺數(shù)據(jù)進行計算，故采用現(xiàn)場皮帶上方直接澆水的方式進行驗證。水閥開度設(shè)置全關(guān)、半開、全開，對應(yīng)的測水儀顯示水分值見表1。

表1 水閥開度與測水儀顯示水分值 %

由以上數(shù)據(jù)可知，激光水分儀可反應(yīng)當(dāng)前水分波動情況，因為該驗證方法有效避開原系統(tǒng)，故可以排除采用后臺計算出模擬水分，說明了該檢測儀對水分的跟隨性是真實的。

2)現(xiàn)場取樣比對:為進一步確認紅外水分檢測儀的準確性，進行現(xiàn)場人工取樣并烘干計算實際水分值，并同現(xiàn)場紅外水分檢測儀實時數(shù)據(jù)進行比對，數(shù)據(jù)見圖3、圖4。

圖3 一次混合機出口水分比對

圖4 二次混合機出口水分比對

由比對試驗可得知，手工取樣與紅外水分檢測儀實時數(shù)據(jù)雖有差異，但總體趨勢一致，偏差率保持穩(wěn)定。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 穩(wěn)定水分

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在手工配水的情況下，不同班組之間配水差異較大，且同班組不同班次之間配水標準波動大，說明憑借經(jīng)驗配水是不具有持續(xù)性與穩(wěn)定性。而采用自動配水，不同班組之間水分延續(xù)性好，整體趨勢性一致；同時，因不同料批之間適用水分不一，在自動配水模式下可讓班組快速匹配到適宜水分，縮短適應(yīng)時間。

3.2 穩(wěn)定生產(chǎn)

在不同配水模式下，由于自動配水較手工配水穩(wěn)定，故在自動配水模式下各班產(chǎn)量穩(wěn)定；而手工配水模式下，班產(chǎn)波動較大。

3.3 提高班產(chǎn)

隨著各班水分趨于一致性，生產(chǎn)更加穩(wěn)定；在生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，同班次產(chǎn)量略有提升，具體如表2。

表2 不同配水條件下班產(chǎn)變化情況

由表2可知，同一班組在自動配水情況下班產(chǎn)較手工配水的班產(chǎn)提高約0.8%，通過跟蹤生產(chǎn)，可知隨著自動配水系統(tǒng)的投用，生產(chǎn)班對混合料水分的掌控能力加強，生產(chǎn)過程易形成良性循環(huán)。

3.4 改善燒結(jié)礦粒級組成

隨著生產(chǎn)的穩(wěn)定以及建立良性循環(huán)，可以對燒結(jié)機的料層厚度、布料平整度、終點溫度控制等工藝操作提出更加嚴格的要求，從而實現(xiàn)精細化的管理目標。在此基礎(chǔ)上，改善了燒結(jié)礦的粒級組成，具體如表3。

表3 200 m2燒結(jié)礦內(nèi)部篩分情況 %

由表3數(shù)據(jù)可知，在自動配水投用期間，5 mm以下燒結(jié)礦改善不明顯，但5～10 mm粒級降低約3～4個百分點，從而提高了10～40 mm與40 mm以上粒級的占比，改善燒結(jié)礦粒級組成。

4 結(jié)語

1)該控制系統(tǒng)采用的紅外水分檢測儀使用激光定向光源，抗干擾能力較強，通過驗證可知檢測數(shù)據(jù)可真實反應(yīng)當(dāng)前水分波動趨勢。系統(tǒng)運行過程中，對現(xiàn)場環(huán)境是有一定的要求。首先，需將周邊進行封閉，避免陽光直射造成檢測數(shù)據(jù)異常波動；其次，需加裝壓縮空氣進行吹掃，避免現(xiàn)場蒸汽過大而影響檢測精度。

2)生產(chǎn)的穩(wěn)定并不全由水分穩(wěn)定而決定的，但水分的頻繁波動必然帶來生產(chǎn)的波動從而影響產(chǎn)量跟質(zhì)量；因此，計算機雙PID水分控制系統(tǒng)成功應(yīng)用，為生產(chǎn)的穩(wěn)定與持續(xù)創(chuàng)造了條件；通過跟蹤各班組配水量與生產(chǎn)過程，可以快速匹配到不同原料結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)水分，從而減少料堆銜接過程中的波動；同時，統(tǒng)一化的配水要求，縮小各班組間操作差距，實現(xiàn)產(chǎn)量的同步提升。

3)燒結(jié)混合料配水是行業(yè)內(nèi)的一個難題，目前有多種解決方案，但均不能實現(xiàn)在線實時精確檢測水分。而三鋼本部200 m2燒結(jié)機采用的計算機雙PID配水控制系統(tǒng)屬于目前應(yīng)用較好的一種解決方案，較為準確的反應(yīng)水分變化趨勢。但因檢測裝置只能檢測表面水分且受外界環(huán)境變化干擾，個人認為僅能作為一個過渡型的技術(shù)。因此，在利用好現(xiàn)有設(shè)備的同時還需繼續(xù)跟蹤新技術(shù)的應(yīng)用，不斷尋找水分在線檢測的最優(yōu)解，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)由自動配水向智能配水的躍遷。