锌钡白煅烧回转窑多回路控制分析.doc
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1、精品论文大全http:/锌钡白煅烧回转窑多回路控制分析*莫鸿强,杜启亮,李向阳,李琦,伍建平, 毛宗源(华南理工大学,自动化科学与工程学院,广东省广州市,510641)(通讯作者:莫鸿强,电子邮件:)摘 要:尽管缺乏传感器和精确模型,合理的工艺流程和控制系统结构以及工人丰富的经验仍能使得回转窑过程 完全能由人工操作稳定运行。本文针对锌钡白煅烧过程,分析煅烧温度和窑炉转速的历史数据分布,结果表明人 工操作隐含的依据为稳定煅烧温度,从而说明了以此为目标的多回路控制能有效解决消色力指标无法在线测量的 问题。文章最后给出了自动控制的效果,并通过对比控制前后信号幅频特性,说明多回路控制对煅烧温度、窑头
2、温度等关键变量的控制效果接近或优于人工操作。 关键词:锌钡白煅烧,回转窑控制,多回路控制,频谱分析,数据拟合中图分类号:TP273文献标识码:AOn the Multi-Loop Control System of the LithoponeCalcinations Rotary Kiln ProcessMO Hong-qiang, DU Qi-liang, LI Xiang-yang, LI Qi, WU Jian-pin,g, MAO Zong-yuan(College of Automation Science and Engineering, South China Universit
3、y of Technology, Guangzhou, 510641, PRC.)(Corresponding author: MO Hong-qiang, E-mail: )Abstract: A calcinations rotary kiln process may operate smoothly without accurate models and enough sensors, due to proper technology and control strategy, and experiences of the operators. In this paper, the di
4、stributions of the history data are analyzed in terms of the relationship between calcinations temperature and rotation speed, which shows that the implicit control objective of manual operation is to stabilize the calcinations temperature. The results explain why the multiloop control system design
5、ed to meet the implicit objective can circumvent the lack of on-line sensor of achromatic-energy. Finally, the control results are presented and the specta of several vital measurable variables are analyzed, which shows that the performance of the multiloop control is equivelent to or better than th
6、e manual operation.Key words:calcinations of lithopone, rotary kiln control, multiloop control, spectal analysis, datum fitting61 引言回转窑的机理模型通常为分布参数、大滞后的 非线性动力学过程1, 2,这类模型可以指导工艺流程 和控制系统的结构设计(如传感器和执行器的选型 和布置等),但因其复杂性难以为实际控制算法的设 计提供参考。在具备合适传感器的情况下,回转窑运行不需要复杂的控制算法也能满足要求。例如若能在线测量成品化学成分,实时调整进料配比就能抑制原料 成分变
7、化引起的扰动;即使无法在线测量产品质量, 也能通过窑内浆料流量、颗粒流量和有限几个特征 点的温度建立前馈控制模型实施有效控制3, 4。锌钡白生产利润低5, 6,我国企业考虑成本通 常不愿安装产品质量在线测量和物料流量等传感 器,因此无法直接借鉴国外先进控制技术和经验。尽管如此,锌钡白回转窑过程仍然能由人工控制稳*受教育部留学回国人员启动基金、广东省科技厅科技攻关项目(C10909)和广州市科技局工业攻关项目(2003Z3-D0091)资助。精品论文大全定运行,并不需要很多的传感器和复杂的控制算法。其中一个重要原因是合理的生产工艺流程和控制系 统结构使得回转窑的运行更加稳定且易于控制。目 前国内
8、锌钡白生产较先进的工艺采用三转炉工艺流 程,有助于稳定产品质量,降低劳动强度5, 6。在此 基础上,采用多回路控制稳定各关键变量可进一步 提高煅烧质量。刘咏平7、黄然婷8等人采用PID控 制稳定窑头温度,按窑炉转速正比调节进料电机转 速;同时采用基于化学反应速率的经验公式实现消 色力控制,以实现锌钡白回转窑过程的稳定运行, 取得了良好的控制效果。简单的控制算法和良好的 控制效果形成了鲜明对比,促使我们研究多回路控 制系统结构的合理性。刘咏平等7, 8基于化学反应速率和热传导等机 理分析推导其消色力控制的合理性,但是他们在推粉“烧”得不够,靠近红说明粉“烧”过头。颜色部分一般要求在微蓝。 回转窑
9、煅烧是保证锌钡白消色力的关键环节。某公司锌钡白煅烧回转窑结构如图 1 所示,整条转 窑长约 38 米,直径近 2.5 米,在一台变频调速的马 达带动下缓慢旋转。重油或油渣燃烧形成热空气从 窑头引到窑尾。物料由进料电机带动进料泵压入窑 尾,在重力作用下随窑炉转动逐渐往窑头部分移动, 与热空气进行热交换,经过干燥和煅烧后成为成品 从窑头的出料口排出。现场实时测量窑头温度、煅 烧温度、干燥温度、排风温度、窑炉转速和进料电 机的转速。其中,燃油流量的大小不可测量,但是 可以由阀门的开度调节。窑炉转速和进料电机的转 速都可测量,并且通过变频器控制。排风导中作了严格假设,例如需要假设窑炉转速长时间不变,窑
10、炉钢胆内温度稳定且平均分布等。此外他 们所采用的能量因子的合理性只能通过一小时才化验一次的离线消色力指标来判断,其实时可靠性不窑头 空气燃料成品出口煅烧段转窑炉体M转窑电机(变频调速)干燥段进料能保证。同时,其运算涉及指数运算,在计算能力 很弱的PLC上实现效率较低。我们发现,将算法简 化为比例控制效果依然良好。这种现象说明应该有 比机理分析更简单直接的方法讨论这种多回路控制 算法对回转窑过程的有效性。传感器不足时,操作员的经验就成为回转窑控 制的关键。其经验通过调整可控变量实施,而变量 变化特点和相互间的耦合关系总会通过数据反映出 来。基于数据而不是机理分析人工操作的经验和依 据,进而讨论多
11、回路控制方式的合理性不失为一种 可行方法。本文将从历史数据分布得到人工操作隐 含的依据,并对比控制前后变量的频谱特性以说明 多回路控制稳定锌钡白煅烧回转窑运行的合理性。2 锌钡白煅烧回转窑简介锌钡白(俗称立德粉)是一种化工颜料。其质 量主要通过消色力衡量,如 105 微蓝、99 微红等。 数字部分越高越好,100 以上为合格产品。颜色分 为蓝、微蓝、微红、红、红黑等几种。靠近蓝说明图 1 锌钡白转窑结构剖面示意图Fig.1 Section plane of the lithopone rotary kiln3 人工操作依据及其自动化实现在锌钡白三转炉工艺的煅烧段中,比较易行的 控制方案是尽量稳
12、定窑头温度以提供恒定的热能, 并防止物料堆积或过薄,在此基础上重点稳定产品 质量。经验丰富的工人每十分钟左右在出料口取样 一次,肉眼观察样品以判断粉“欠烧”或“过烧”, 然后相应调节窑炉转速、燃料和物料进给量,以减 小消色力的波动。但将该过程自动化存在很大困难, 因为产品质量指标只能每小时离线化验一次,不能 作为实时控制的依据,因此无法直接借鉴人工控制 的成功经验;而只能根据有限的可测量变量,从历 史数据中间接得到工人调节窑炉转速的依据。文献7、8针对干煅回转窑,采用近邻分析法 和多因子分析法分析了各可测变量对产品消色力的 影响,并采用偏最小二乘法建立了消色力的线性回 归模型7-10:煅烧温度
13、()X = 0.028Tyt + 1.010Tds 1.276 ds 0.024Tgz670660+0.105 gz 0.046F(1)650其中, X 、Tyt 、Tds 、 ds 、Tgz 和 gz 分别为标准化处理后的消色力、窑头温度、煅烧温度、煅烧段 转速、干燥温度、干燥段转速,F 为进料量估计值。 式(1)表明,煅烧温度和窑炉转速是影响消色力的 主要因素。虽然其模型采用的消色力不是实时值, 因而所建立的模型并不完全可靠,但它表明有可能 能围绕煅烧温度和窑炉转速之间的关系,从历史数 据中寻找人工操作的经验。线性回归等数据分析方法对数据的噪声比较敏 感,在拟合关系前应尽可能减小噪声。窑炉
14、转速由 变频器输出提供,噪声较小。煅烧温度由插在窑体 煅烧段上的热电偶测量。如图 2 所示,窑炉转动时, 物料和热电偶的接触程度将周期性变化,导致测量值周期性波动,幅度有时达到8。根据煅烧温度6406300100200 300 400500 600时间(s)图 3 滤波前后煅烧温度变化曲线Fig.3 Calcinations temperature before and after filtering定 为自变量,T 为因变量分析不同粉种在各段 时间的历史数据,以突出数据中隐含的规律性。图4 给出了不同粉种在不同时段下,2 天内T 随 变 化的分布图(采样周期为 1 分钟)。数据分析结果表 明
15、,所有时间段内,两者关系均符合图 4 所示的曲 线形状。说明两者关系具有对时间和粉种的不变性。为拟合这些曲线,我们尝试了多种可能的函数 形式,最终选定双曲线函数。图 5 给出了用函数信号的频谱特点,我们采用移动平均滤波对测量值T = b1 ( b1 = 671.86 )拟合某时段数据的结进行滤波12。为使物料充分煅烧,工艺设计上一般都会保证物料煅烧时间远大于窑炉的转动周期。因 此,有效信号远离窑炉转动频率,滤波引起的信号 衰减和相移都很小,可以忽略。图 3 给出了某时段 的滤波结果,其中波动较大者为滤波前采样信号, 变化较缓者为平均滤波后信号曲线。衬底和钢胆间空 隙果,简单变换可得T = b1
16、 。这种拟合并没有减小煅 烧温度数据分布的方差(依然是 9),但它说明了 人工控制隐含的主要目标就是稳定煅烧温度。各种不确定因素对窑炉运行的影响最终都将通过煅烧温 度的波动反映出来。而自动控制系统相应调节窑炉 转速以稳定煅烧温度,就能接近甚至优于人工控制 的效果。将控制目标从稳定消色力转换为稳定煅烧70温度,这样就解决了消色力无法在线测量的困难。衬底(耐火 砖)物料T (/Hz)钢胆 60热电偶5040图 2 热电偶和物料接触程度示意图Fig.2 Thermocouple periodically contacts the solid materials3020 10 12 14 16 18
17、20 22 24 26 28(Hz)T (/Hz)70尽管经过滤波和剔除异常值等预处理,煅烧温 度T 和窑炉转速( 取变频器输出频率,此处T 、 与式 1 区别为两变量均未经标准化处理),仍然存 在较大方差,其均值分别为 670和 20Hz,标准差 分别为 9和 2Hz。由于方差大,图示法分析历史 数据很难得到明显规律。经反复尝试,我们最终选605040302010 12 14 16 18 20 22 24 26 28(Hz)a)粉种 A 不同时段煅烧温度和窑炉转速隐含关系a) Distributions of the history data of lithopone A4555T (/Hz
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