自動(dòng)調(diào)節(jié)燒結(jié)機(jī)混合料中水分的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧秋平

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東118009）

1 引 言

鋼鐵行業(yè)燒結(jié)過程是，將鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例組成混合料配以適量水分，在燒結(jié)機(jī)中燒結(jié)［1］。燒結(jié)過程中，混合料中的水分蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣，會(huì)阻礙傳熱和燃燒。因此水分是影響鋼鐵行業(yè)燒結(jié)過程的重要因素之一［2］。以往監(jiān)測混合料中水分的設(shè)備，常用紅外線水分儀，與采用中子水分測量相比，響應(yīng)遲緩，實(shí)時(shí)性略差，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水分的異常變動(dòng)，本文以某鋼廠260m2燒結(jié)機(jī)技術(shù)改造項(xiàng)目案例，介紹采用中子水分測量混合料水分的在線測量與控制方案，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控混合料中水分，確保燒結(jié)質(zhì)量。

2 設(shè)計(jì)任務(wù)

（1）將燒結(jié)機(jī)原混合機(jī)手動(dòng)加水，改為自動(dòng)控制加水，并保留其手動(dòng)操作加水功能；

（2）在燒結(jié)機(jī)燒結(jié)混料系統(tǒng)一混及二混出口處，用于檢測混合料系統(tǒng)出料水分的儀器，采用中子探測器，入料量用γ 探測器檢測；

（3）改造部分嵌入原有自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

3 傳感器

傳感器采用γ 探測器和中子探測器，在線安裝見示意圖如圖1。

測量原理：快中子與原子碰撞，中子會(huì)被慢化（損失一部分能量）。中子的質(zhì)量與氫原子相等，與其碰撞一次，中子幾乎損失全部能量。水分子是由氫氧兩種元素組成，含氫量較多，水是慢化快中子較優(yōu)選的物質(zhì)。中子水分儀，就是利用水對快中子具有慢化的效應(yīng)制作而成。見圖1，當(dāng)中子源產(chǎn)生的快中子穿過含水物料后，會(huì)被慢化，中子探測器檢測快中子數(shù)來反映物料含水率，可以測定出物料中水分的含量。物料的入料口安裝有γ 探測器，用γ 射線吸收法，可測定出物料的總量。根據(jù)上面獲得的兩種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)工控機(jī)就可計(jì)算出物料中水分的重量百分比含量。

圖1 中子水分儀在線安裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 方案實(shí)施

水分自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)為能實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用前饋-反饋控制，PID 控制與模糊控制相結(jié)合。

4.1 前饋-反饋控制

以一混為例，一混的閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

前饋控制：系統(tǒng)剛開始工作，新上的混料只有流到一混出口才開始被檢測水分，系統(tǒng)中的工控機(jī)才能算出所需調(diào)整的水量，然后開始加水。這種滯后加水不能滿足生產(chǎn)工藝要求，為解決此問題，系統(tǒng)采用前饋控制。該系統(tǒng)控制過程數(shù)學(xué)模型很難建立，前饋控制采用模糊控制。基于專家經(jīng)驗(yàn)法制定的模糊控制規(guī)則，給出調(diào)整水量，使剛進(jìn)入混合機(jī)的物料就能得到加水，及時(shí)調(diào)節(jié)了含水量。

反饋控制：物料在一混合機(jī)里加水混勻后，由一混出料口流出，會(huì)被監(jiān)測的傳感器實(shí)時(shí)檢測水分，工控機(jī)獲得水分?jǐn)?shù)據(jù)后，能快速計(jì)算出物料的實(shí)際水分及實(shí)際加水量。系統(tǒng)反饋是負(fù)反饋，見圖2，系統(tǒng)的偏調(diào)水量就等于初始水量減去實(shí)際加水量，系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)整的水量（達(dá)到水分目標(biāo)值的調(diào)控量）等于偏調(diào)水量加上初始水量。

圖2 一混閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

4.2 建模

式中，Sc-初始水量；L1-一混合機(jī)入料總量；Sm-水分目標(biāo)值；Si-一混入料水分估算值。

式中，Ss-實(shí)際加水量；So-一混合機(jī)出料水分。

式中，Sx-偏調(diào)水量。

由式（1）、式（2）和式（3）求出水分實(shí)際調(diào)整量:

式中，St-實(shí)際調(diào)整的水量。

4.3 工作原理

控制系統(tǒng)架構(gòu)見框圖3。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的一混主要完成任務(wù)：（1）啟停控制（入料、出料、混合機(jī)及污泥泵等）；（2）混合料入料量檢測；（3）混合料出料水分檢測；（4）清水的流量檢測及控制；（5）污泥流量檢測及控制。

系統(tǒng)的二混主要完成任務(wù)：（1）啟停控制（入料、出料、混合機(jī)等）；（2）混合料出料水分檢測；（3）清水的流量檢測及控制。

系統(tǒng)的一混入料（混合前）的重量由γ 探測器測得，估算獲得其水分值。一混出料水分的目標(biāo)值，由工藝要求確定。工控機(jī)根據(jù)物料估算的水分值和目標(biāo)值，計(jì)算出一混加水量。一混電磁流量計(jì)監(jiān)測水量，PLC 控制一混清水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)一混自動(dòng)加水。一混的快中子水分儀實(shí)時(shí)檢測一混出料水分，回傳給系統(tǒng)，系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整加水量。系統(tǒng)還依據(jù)設(shè)定的濃度值，根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)控制污泥泵啟停。

系統(tǒng)的二混，根據(jù)一混的來料量、出料水分?jǐn)?shù)值，二混出料的水分目標(biāo)值，計(jì)算出二混加水量，也由電磁流量計(jì)監(jiān)測水量，PLC 控制清水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)二混自動(dòng)加水。二混的快中子水分儀實(shí)時(shí)檢測二混出料水分，上傳給系統(tǒng)，及時(shí)修正加水量。

根據(jù)需要，系統(tǒng)可大流量快速加水、小流量加水及延時(shí)加水。系統(tǒng)還備有緊急停車功能，能快速關(guān)閉總供水閥門，切斷一混和二混的供水水源，確保失控時(shí)也不會(huì)發(fā)生超限加水現(xiàn)象。

5 工作模式

控制系統(tǒng)兼有手動(dòng)和自動(dòng)操作兩種工作模式。

手動(dòng)功能：系統(tǒng)工作模式為“手動(dòng)”模式時(shí)，操作員手動(dòng)操作可完全取代自動(dòng)控制功能。根據(jù)工藝要求，操作員進(jìn)行手動(dòng)控制電動(dòng)閥的開度，完成加水。

自動(dòng)功能：系統(tǒng)工作模式為“自動(dòng)”時(shí)，操作員點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)將會(huì)按照預(yù)置的各種參數(shù)，自動(dòng)完成對各設(shè)備的控制。停機(jī)時(shí)，自控系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥。

6 控制能力評定

燒結(jié)一混合料的水分，一般控制在5.50%～7.50%范圍內(nèi)，具體值根據(jù)生產(chǎn)工藝確定。設(shè)備改造完成后，在調(diào)試現(xiàn)場對二混燒結(jié)料取樣，每次取3 個(gè)（連續(xù)3 天）烘干測水，數(shù)據(jù)見表1。

表1 混合料水分測定值

分析表l 數(shù)據(jù)，混合料的實(shí)測水分值波動(dòng)小，較接近目標(biāo)值，說明系統(tǒng)水分控制精準(zhǔn)、平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

7 結(jié) 論

中子水分儀的特性決定了中子水分儀不受現(xiàn)場環(huán)境的干擾，適用于工況現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣的場所。改造后的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給水，穩(wěn)定燒結(jié)原料水分配比，提高燒結(jié)機(jī)效率，消除人為誤差。控制系統(tǒng)已從2009 年6 月運(yùn)行至今，運(yùn)行狀態(tài)良好，參數(shù)穩(wěn)定。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以滿足燒結(jié)過程中各種生產(chǎn)工藝控制的要求。

［1］ 王欣.對真空燒結(jié)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣改造［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（6）：110-112.

［2］ 呂書婷，李習(xí)亮.燒結(jié)混合料水分測量過程控制方法［J］.中國計(jì)量，2011（3）：100-101.