水泥篦冷機回路優化控制設計及編程實現

萬春紅 張東寧 楊彩鈴 汪 敏 趙桂林 周一戟

(1.昆明電器科學研究所，云南昆明 650221;2.云南國資水泥紅河有限公司，云南開遠 661600)

0 概述

在預分解窯系統中，水泥篦冷機是水泥生產過程燒成系統中極其關鍵的熱工設備，它與旋風筒、換熱管道、分解爐、回轉窯等熱工設備密切配合，構成一個完整的新型干法水泥熟料煅燒體系，完成高溫熟料驟冷、熟料輸送、熱量回收等功能，對節約能源、改善熟料強度及易磨性等具有重要作用[1]。水泥篦冷機屬穿流驟冷式氣固換熱設備，冷卻空氣以垂直方向穿過篦床上的熟料層，使熟料得以冷卻，篦冷機一室篦下壓力是窯系統保持最佳熱工制度的重要工藝參數，不僅表示篦冷機篦床阻力，也可表示窯內燒成帶溫度變化。根據流體力學理論，氣體通過料層的阻力，與料層厚度成正比關系，因此可用一室篦下壓力來間接反映料層的厚度，當一室篦下壓力增高時，篦床速度需要隨之加快，反之亦然，以穩定料層厚度，改善熟料冷卻狀況。然而在實際生產中，篦冷機一、二段篦速調節回路，以及篦冷機系統中的其他調節回路，如:各冷卻風機出口風量與風門開度，窯頭罩微負壓與窯頭排風機轉速等，大多仍采用人工手動調節，未達到控制性能和工藝性能的優化。本文根據云南國資水泥紅河有限公司5號窯2000t/d熟料生產線DCS回路優化控制的要求，基于Cimplicity 6.0組態軟件和Concept 2.6編程軟件，設計并實現了二室篦下壓力與一段篦速PID、二段篦速比例調節、窯頭罩微負壓與窯頭排風機轉速PID、各冷卻風機出口風量與風門開度PID等回路的優化控制，并實現手自動無擾切換。經調試和試運行表明:篦冷機系統回路優化控制可有效保障篦床上的料層厚度，使熟料冷卻均勻、入窯二次風穩定、篦冷機安全運行，滿足工藝要求性能，達到預期優化控制的目標。

1 篦冷機系統工藝簡介

5號窯2000t/d熟料生產線采用國產第三代控制流充氣梁、水平推動式篦冷機，其構成如圖1所示[2]。

篦冷機鋼殼體的內部裝有由固定篦板和活動篦板相排列的篦床，篦板向上傾斜，使篦床呈鋸齒狀。在篦板上有許多長孔或圓孔，熟料由回轉窯進入篦冷機，在卸落過程中，就被篦孔下部及篦板縫隙向上運動的空氣直吹急冷，在傳動裝置的作用下，活動篦板沿固定篦板的表面作往復運動，對熟料層不斷進行耙撥，使熟料由高溫區向出口端運動。在篦板下部空間用鋼板隔成幾個空氣室，以便按冷卻需要對各室適當地分配空氣量。每一空氣室分別用管道與一臺中壓風機相連，管道上設有閥門，通過閥門的執行機構來調節開啟程度，分配合適風量。

圖1 水平推動篦冷機構成圖

篦冷機的主要作用是冷卻熟料、回收熱量，篦冷機的操作決定了二次風溫和三次風溫的高低、熱回收效率的高低、熟料的冷卻效果和煤磨的安全運轉，同時篦冷機的操作也直接影響熟料的質量，因此篦冷機系統的回路優化控制顯得尤為重要。篦冷機的回路控制主要有:一、二端篦床速度控制、冷卻風機用風量控制、窯頭罩微負壓控制等。一段篦床速度一般根據二室篦下壓力來調整;二段篦床速度根據篦床一段速度按比例來調整，并始終保持二段篦速＞一段篦速;冷卻風機用風量閥門開度根據各風機出口壓力來調整;窯頭負壓表征著窯內通風及篦冷機入窯二次風之間的平衡，窯頭排風機變頻器轉速根據窯頭罩微負壓來調整，正常生產中，窯頭負壓一般保持在－0.05～－0.1kPa，決不允許窯頭形成正壓，如產生正壓，將導致窯頭噴火，危及窯頭比色高溫計及看火電視等儀器。

2 PID控制算法

PID控制適用于線性連續系統，具有原理簡單、使用方便、適應性強、魯棒性好等特點，是一種非常重要的回路控制算法，雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過適當簡化，可將其變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，仍然可使用PID控制，因此在工業過程控制中得到廣泛應用，有95%以上的控制回路都具有PID結構。其控制作用表達式為[3]:

式中，Kc為比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間。

在5號窯2000t/d熟料生產線DCS中，下位編程軟件Concept 2.6是滿足可編程邏輯控制器國際標準IEC 61131－3的編程軟件，支持指令清單語言(IL)、結構化文本語言(ST)、梯形圖語言(LD)、功能塊圖語言(FBD)和順序功能圖(SFC)等五種編程語言，下位控制程序使用FBD語言開發。在FBD環境下，Concept 2.6提供了豐富的FFB模塊庫，其中也包括PID模塊，其傳遞函數表達式為:

該PID功能塊如圖2所示。圖中模塊外標注的為輸入輸出端的數據類型，如:“BOOL”為布爾量，“REAL”為浮點型，“TIME”為時間型等。

圖2 PID功能塊

PID功能塊輸入輸出端描述如表1、表2所示。篦冷機系統回路的優化控制算法選擇該PID模塊。

表1 PID功能塊輸入端描述

表2 PID功能塊輸出端描述

3 篦冷機系統回路優化控制設計及編程實現

5號窯2000t/d熟料生產線DCS的應用軟件包，基于美國GE FANUC公司的Cimplicity 6.0上位組態軟件和法國Schneider公司的Concept 2.6下位編程軟件共同開發，篦冷機系統回路優化控制是在原有應用軟件基礎上進行的改進和完善，因此設計的前提必須保持原應用軟件的所有功能和操作界面風格，特別必須保持原控制回路的手動調節功能，使新增的優化控制方式和原手動調節方式實現無擾切換，保持控制量的平穩和連續，保證設備安全和熱工狀態穩定。

3.1 二室篦下壓力與一段篦速PID

根據Concept 2.6 FFB模塊庫里PID功能塊的控制原理，可很方便地實現PID控制，其具體編程的要點如下。

(1)PID輸入輸出變量定義

PID輸入輸出變量定義如表3所示。

表3 PID輸入輸出變量表

(2)上位操作面板設計

一段篦速調節回路的操作面板如圖3所示，其中PID操作面板是在原來手動操作面板的基礎上新增的，其操作變量與表3中的輸入輸出變量相對應。

(3)下位程序編制

一段篦速回路下位控制程序如圖4所示。

①程序組成

程序主要由兩部分組成:

一是回路的手動調節程序“S367(35)”;二是新增回路的PID優化控 制程序“FBI_16_72(33)”。“S367(35)”的“LSP”端和“RSP”端分別為手動調節輸入端和PID調節輸入端，按圖3操作面板的“設定”按鈕，選擇“手動”方式，變量“SIC367_A”為“0”時為手動調節;按“設定”按鈕選擇“自動”方式，變量SIC367_A為“1”時為PID調節。“FBI_16_72(33)”程序模塊的“MAN”端為PID模塊工作方式選擇端，“MAN”端為“1”時為“手動”調節模式，“MAN”端為“0”時為“PID”調節模式。

手動調節時，可根據工況和實際情況，從圖3操作面板手動設定一段篦速值至變量“SIC367_LSP”，再通過“S367(35)”程序模塊傳送到輸出端“Y”，由“Y”傳送給下位PLC的模擬量輸出(AO)模塊，完成手動開環調節一段篦速。

PID調節時，PID輸出端“Y”通過變量“SIC367_PIDOUT”連接至手動調節程序“S367(35)”的“RSP”端。在圖3的PID操作面板整定P、I、D參數和PID輸出上限值和下限值，根據工藝要求和操作經驗，設定二室篦下壓力目標值“PT332_PISD”，按“設定”按鈕選擇“自動”方式，再按“PID投”按鈕，則PID模塊投入運行，根據二室篦下壓力反饋值“PT332_PI”與目標值“PT332_PISD”的偏差，自動閉環調節一段篦速。

圖3 一段篦速回路調節上位操作面板

②手動調節和PID調節的無擾切換

一段篦速回路具有手動和PID兩種調節方式，要求兩種調節方式無擾切換，以保證調節方式改變時篦速穩定平滑，避免控制量跳躍引起對設備的沖擊，以及由此引起的熱工狀態和工藝性能的波動。在無擾切換程序設計時，設計了“手動給定1”中間變量“SIC367_LSP1”，通過該變量實現兩種調節方式下手動給定值、PID輸出值間的“中轉”，具體實現過程如下:

——手動調節轉PID調節時的無擾程序實現

如圖4所示，當“SIC367_PIDTQ”和“SIC367_A”均為“0”時，“MAN”端為“1”，調節方式為“手動”，此時將手動設定的一段篦速值賦給變量“SIC367_LSP”，再通過“16.323(32)”SEL程序塊送至“YMAN”輸入端，根據“FBI_16_72(33)”程序塊的特性，PID輸出端“Y”與“YMAN”輸入端變量“SIC367_LSP”的值相等，手動設定值送出。當“SIC367_PIDTQ”和“SIC367_A”均為“1”時，“MAN”端轉為“0”，調節方式為PID時，PID輸出的初始值即為手動調節的當前值，實現手動調節到PID調節的無擾切換。

——PID調節轉手動調節時的無擾程序實現

如圖4所示，當調節方式為PID時，其輸出端“Y”以手動調節的當前值“SIC367_LSP”為初始值，并且根據反饋“PT332_PI”與給定“PT332_PISD”的偏差，經 PID運算連續輸出控制量，經變量“SIC367_PIDOUT”傳送到“S367(35)”的“RSP”端，控制量由“Y”端送出，從而自動閉環調節一段篦速。PID輸出變量“SIC367_PIDOUT”的值，通過“16.325(168)”MOVE 程序塊賦給中間變量“SIC367_LSP1”，再將“SIC367_LSP1”的值通過“16.323(32)SEL”程序塊賦給“YMAN”輸入端，保證調節方式轉為手動時，手動調節的初始值等于PID調節輸出的當前值，從而實現PID調節到手動調節的無擾切換。

圖4 一段篦速下位控制程序

3.2 二段篦速比例調節

二段篦床速度根據一段篦床速度按比例來調整，并始終保持二段篦速＞一段篦速。其具體編程的要點如下。

(1)比例調節輸入輸出變量定義

比例調節輸入輸出變量定義如表4所示。

(2)上位操作面板設計

二段篦速回路調節操作面板如圖5所示，操作面板是在原來手動操作面板的基礎上，新增比例調節操作面板，其操作變量與表4中的輸入輸出變量相對應。

(3)下位程序編制

表4 比例調節輸入輸出變量表

圖5 二段篦速回路調節上位操作面板

二段篦速回路下位控制程序如圖6所示。

圖6 二段篦速下位控制程序

圖6中的“S368(52)”為二段篦速回路調節的程序模塊，“LSP”端為二段篦速手動調節輸入端，“RSP”端為二段篦速比例調節輸入端。“SIC368”為控制方式控制字，“SIC368_A”為控制字“SIC368”的位變量，當“SIC368_A”為“0”時為“手動調節”方式，為“1”時為“比例調節”方式。“比例調節”方式時，一段篦速值變量“SIC367_PIDOUT”與比例系數變量“SIC368_K”相乘，賦值給“RSP”端，完成二段篦速比例調節設定，輸出端“Y”即送出比例調節控制量。

3.3 其他調節回路

窯頭罩微負壓與窯頭排風機轉速PID、各冷卻風機出口風量與風門開度PID的設計原理與二室篦下壓力與一段篦速PID類似，在此不再詳述。

4 調試及試運行

以上回路的調試及試運行均在工程師站上完成，按以下步驟進行:一是靜態調試，二是動態調試，三是試運行。需要特別強調的是，整個調試過程必須在管理人員、工藝人員和操作人員密切配合和充分協調的情況下，有計劃、有步驟、有保障措施的前提下分步完成，確保安全第一和工況穩定。

4.1 靜態調試

(1)程序變量“打點”

靜態調試是指工藝設備處于停止狀態，充分應用Concept 2.6下位編程軟件的在線監視功能“Read all selected variables”，監視所編制程序中有關變量值的變化情況，同時結合對應上位操作面板中的設定值和顯示值進行檢查和調整。靜態調試的目的是檢查各輸入輸出變量的上位下位對應關系是否準確無誤，可稱之為程序變量“打點”。

(2)參數初始化

在回路調節操作面板上，有被控量設定值、P、I、D參數、比例系數，還有Max、Min限值等。可按照工藝要求設定被控量設定值，例如:二室篦下壓力、窯頭罩微負壓、各冷卻風機出口風量等，P、I、D參數值則可以按經驗進行初始化整定。特別注意PID調節回路的Max、Min限值必須按照手動調節的上下限值進行設定，否則會影響手動調節回路的輸出。

(3)無擾切換調試

以冷卻風機出口風量與風門開度PID為例，在各冷卻風機停止的情況下，在“手動”方式下，手動給定風門開度，此時風門執行手動調節，并反饋風門開度值。按操作面板的“設定”按鈕，調節方式由“手動”轉為“自動”，風門開度PID調節的初始值為手動給定值，因為冷卻風機停止，冷卻風機出口風量達不到目標值，隨后風門開度將連續變化。再將調節方式由“自動”轉為“手動”，風門開度手動調節的初始值應為PID輸出的當前值。

4.2 動態調試和試運行

(1)動態調試是指工藝設備處于運行狀態，各回路工作在手動調節方式，系統工況穩定。動態調試采用單回路調試方式，依次調試每一個回路。

(2)動態調試是一個反復積累經驗值的過程，因為參數整定需要不斷比較和不斷調整，最后才能選擇符合工藝要求的參數。

(3)動態調試后，回路調節可進入試運行，試運行期間，注意觀察控制效果，遇有異常情況馬上轉為手動調節進行人工干預。

5 結論

(1)基于美國GE FANUC公司Cimplicity 6.0上位組態軟件、法國Schneider公司Concept 2.6下位編程軟件，在原有DCS應用軟件的基礎上，設計并實現了二室篦下壓力與一段篦速PID、二段篦速比例調節、窯頭罩微負壓與窯頭排風機轉速PID、各冷卻風機出口風量與風門開度PID等回路優化控制，并實現手自動無擾切換。經調試和試運行表明:篦冷機系統回路優化控制可有效保障篦床上的料層厚度，使熟料冷卻均勻、入窯二次風穩定、篦冷機安全運行，滿足工藝要求性能，達到預期優化控制的目標。

(2)水泥制造企業在不斷提高設備管理水平和工藝管理水平的基礎上，使用回路優化控制逐步取代原有靠人工經驗來保持水泥生產熱工穩定的手動控制，將是水泥制造企業提高產能、穩定質量、降低能耗、實現精細化管理的有效途徑，也是不斷提高工藝優化水平和控制優化水平的必由之路。國內外通過多年的研究和實踐表明:水泥生產過程調節回路的優化控制是水泥生產過程自動化的發展方向，以多條單回路優化控制來實現水泥生產過程自動化是行之有效的。近幾年來，回路優化控制已在水泥生產過程中得到越來越多的應用，運行效果良好。

[1] 肖爭鳴，李堅利.水泥工藝技術[M].北京:化學工業出版社，2009.

[2] 趙應武，過倫祥，張先成等.預分解窯水泥生產技術與操作[M].北京:中國建材工業出版社，2005:32～36.

[3] 郭陽寬，王正林.過程控制工程及仿真—基于MATLAB/Simulink[M].北京:電子工業出版社，2009:31～36.