SLG型粉體表面改性機的溫度調控規律

(1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院， 北京100083； 2. 江陰市啟泰非金屬工程有限公司， 江蘇江陰214416)

SLG型粉體表面改性機目前已經廣泛應用于粉體表面改性工業，在超細碳酸鈣、尤其是輕質碳酸鈣的工業化干法連續表面改性中占據主導地位[1-2]。根據粉體和改性藥劑種類的不同， 可以通過調節風門和料門的開度來調整改性過程中的溫度[3]。但目前SLG型粉體表面改性機在運行時其機械式溫度計反應慢、 誤差大， 無法及時準確地反映改性腔中溫度的變化情況。 此外， 改性腔溫度調節依靠人工操作， 調試制度依賴于生產經驗和設備廠家的調試經驗。 在全球制造業向工業4.0發展的時代背景下[4-7]， 對改性機溫度控制進行自動化改造勢在必行。

SLG型粉體表面改性機的改性過程不需要外部熱源，針對其自生熱源展開研究的文獻較為少見，目前尚缺乏系統性的定量研究，從理論上建立溫度變化模型還無法實現。

本文中在SLG-200型粉體表面改性機上搭建溫度檢測調控實驗系統，對風門和料門調溫規律進行分析和測試實驗研究，探究改性機空載運行條件下風門和料門對改性腔溫度的調控規律，建立以“風門/料門開度”為輸入變量、以“改性腔溫度”為輸出變量的溫度模型。

1 溫度調控分析

改變風門與料門的開度是SLG型粉體表面改性機運行中調節改性溫度的主要手段。風門與料門均采用蝶閥，蝶閥流量特性接近于等百分比特性，其調節的放大系數是變化的，即隨相對流量的增大而增大。料門的閥片安裝在改性機出料管路橫斷面上，風門的閥片安裝在由改性機出料管側壁鑿開的風口上。SLG型粉體表面改性機出料端結構示意圖如圖1所示。

1—出料管；2—風門；3—料門；4—出料口；5—改性腔。圖1 粉體表面改性機出料端結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge end structure of SLG powder surface modification machine

風門與料門的開度對改性溫度的調節具有耦合作用。兩者開度不同，改性機內部的空氣流量和散熱速率均不相同。主要存在如下3種情形：

1)當風門開度較小時，料門開度由大到小進行調節，料門閥片對改性腔溫度影響較小，增益小，特征時間常數大；當料門開度逐漸減小后，料門閥片對出料口處的氣流阻力逐漸增大，空氣流量減小，通過氣流散失的熱量減小，改性機內部溫度開始升高；改性腔體溫度升高后，改性機內外溫差增大，隨氣流帶走的熱量增大。運行一段時間后，改性溫度相對穩定下來，達到新的穩定平衡狀態。

2)當風門開度逐漸增大時，由風門閥片進入出料管的氣流量增大，使得料門到風門位置的壓差減小，出料口處的氣流量減小，進而使改性腔溫度升高，直到溫度達到新的穩態。相比于風門開度較小時的情形，此時風門對溫度的影響增大，調整相同開度時，溫度變化幅度增大，溫度達到穩定的時間延長，即風門調節時的增益增大、特征時間常數增大。同時，由于出料口處氣流的減小，料門對氣流的影響作用增大，與風門開度較小時相比，若此時料門調節相同的開度，溫度的變動幅度更明顯。由于氣流量的減小，溫度變化的時間變長，因此料門調節時的增益增大，特征時間常數增大。

3)當風門開度較大時，根據蝶閥的流量特性可知， 風門處的流量幾乎達到最大值。 風門開度的繼續增大對風門處流量的影響減小， 甚至可以忽略， 此時風門調節的增益減小， 需要更長的時間才能將風門對溫度的影響體現出來， 即特征時間常數增大。 出料管中的負壓主要由風門分擔， 料門位置與風門位置之間的壓差也達到最小， 改性機中的氣流流動主要由主機旋轉帶動， 出料口處的空氣流量達到最小， 此時料門調節相同開度時的溫度變化幅度會增大。 由于氣流量小， 溫度達到新穩態的時間會再次延長， 因此料門調節的增益更大， 特征時間常數更大。

綜上，出料口處的空氣流量決定了改性腔內的溫度變化速率。流量越小，料門調節時的增益和特征時間常數越大；反之則越小。而風門開度對溫度的調節作用與蝶閥的流量特性有關，當風門開度較小或較大時，對相對流量的改變作用弱，所以對溫度的影響很小，增益小，特征時間常數最大；當風門由小調大時，增益先增大后減小，特征時間常數先減小后增大。

2 溫度調控系統

為了對改性機溫度進行自動化檢測，并對“風門/料門”進行更精確的開度調節，搭建的改性腔溫度自動檢測與控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 改性腔溫度檢測與控制系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic temperature detection and control system of modification cavity

溫度測量選用PT100鉑電阻溫度傳感器，型號為CYGWITQMA,測溫范圍是0～200 ℃，其溫度感受端置于改性主機的3個改性腔，配套選用DY2113160溫度變送器； “風門/料門”的自動調節選用蝶閥閥片的電動調節閥， 按改性機出廠時的手動“風門/料門”的安裝直徑進行選型； 測量和執行裝置經西門子EMAM06“輸入/輸出”模塊連接至S7-200 SMART PLC主機, PLC主機經網線連接到上位計算機。在計算機中配置PLC編程軟件和組態軟件，即可實現計算機自動記錄溫度檢測數據，同時通過鍵盤來便捷地調節“風門/料門開度”[8-10]。

3 結果與分析

3.1 改性腔及其溫度測量位置的選擇

SLG型改性機主機有3個改性腔， 分別記為腔1、 腔2和腔3。為篩選作為模型輸出變量的溫度量的檢測位置，在3個改性腔內均安裝了溫度傳感器。改性腔內溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，腔1溫度明顯低于腔2、腔3溫度，腔2、腔3溫度曲線幾乎重疊，溫差很小；考慮到腔3的溫度傳感器在改性機的出料口附近，最接近原機械式溫度計位置，更易于與原機械式溫度計對比，得以續用以往積累的運行經驗，故選擇3號改性腔的溫度為調溫規律研究的輸出變量。

3.2 靜態模型

進行空載實驗的目的是了為研究“風門/料門”不同開度組合下改性機主機的溫度情況，并研究全量程范圍內風門開度對溫度的影響。將改性機料門固定于不同開度，分別測量風門開度從全閉合變化到全打開時的穩態溫度。鑒于實際生產中料門開度范圍為30%～100%，不可能將料門關閉或打開太小，故選取30%、 45%、 55%、 60%、 65%、 70%、 75%、 80%、 85%、 90%、 95%、 100%共12種料門開度進行檢測；風門開度的取值范圍為0～100%，按+5%遞增取值，共選取21個開度。為了便于觀察，圖4只繪出了5種料門開度下腔3穩態溫度隨風門開度的變化曲線。

圖3 3個改性腔內溫度隨時間變化曲線Fig.3 Curves of temperature variation with time in three modification cavities

圖4 5種料門開度下溫度隨風門開度的變化曲線Fig.4 Curves of temperature changing with opening of air valve under 5 kinds of opening of material valve

由圖4可以看出，當料門開度一定時，風門開度由0～100%變化過程中，改性機溫度隨風門開度的增大而增大；風門開度<20%或>80%時，溫度增加幅度很小；當風門開度在20%～80%區間內時，改性機溫度隨著風門開度的增大以較快的速率增加。料門開度一定、僅調整風門時，溫度的調節范圍大于10 ℃，遠大于調整料門時溫度變化的幅度。

3.3 傳遞函數模型的建立

根據控制理論，常用傳遞函數模型來描述呈現大滯后、非線性、時變等特點的溫度特性，進而實現對容積對象的溫度過程控制[11-12]。

SLG粉體表面改性機的風門與料門系串聯關系，兩者開度對改性腔溫度的影響不能截然分開，因而傳遞函數模型的建立方法為：固定風門(或料門)開度，然后階躍地調節料門(或風門)開度，得到溫度的階躍響應，再利用MATLAB系統辨識工具箱求取傳遞函數[13-15]。比如，將風門、料門的開度分別調到20%、 45%，待改性腔溫度達到穩定后，再將料門開度減小至30%，持續測量改性腔溫度變化，直到溫度再次達到穩定，得到溫度的變化曲線。再利用MATLAB系統辨識工具箱，求得以此料門開度階躍為輸入、3號改性腔溫度為輸出的傳遞函數為

(1)

式中：L表示料門開度階躍、風門開度恒定；s為復變量；GL(s)表示料門開度階躍、風門開度恒定時的傳遞函數；-0.37為增益，負號代表負調節，不表示增益大小；283.87為時間常數。

實測溫度階躍響應曲線與傳遞函數模型仿真曲線的對比圖如圖5所示。 兩者的匹配度為82.78%， 說明傳遞函數模型的仿真效果較好。

圖5 實測溫度階躍響應曲線與傳遞函數模型仿真曲線Fig.5 Measured temperature step response curve and transfer function model simulation curve

依照上述方法進行多次實驗。如表1所示，將實驗所得改性腔溫度的傳遞函數進行匯總，表中的符號“”表示開度的階躍變化。GF(s)表示風門開度階躍，料門開度恒定時的傳遞函數。

表1 改性腔溫度的傳遞函數

從傳遞函數模型辨識的結果看，當風門開度為20%、料門開度由65%逐漸減小到30%的過程中，傳遞函數的特征時間常數逐漸減小，即溫度達到新穩態的時間越來越短，增益逐漸增大，即當料門每次減小固定開度時，隨著料門的減小，溫度增大的幅度逐漸增加；當風門開度為70%時，增益變化情況與20%時一樣，但此時的特征時間常數變化規律與20%時相反，逐漸增大。風門增大后，料門位置與風門位置之間的壓差減小，改性機出料口位置空氣流量減小，料門調整相同開度時的增益變大，特征時間常數增大。

另外，風門階躍傳遞函數的對比結果表明，料門開度較小(比如為30%)時，若風門在較小開度(比如為20%)下階躍，溫度階躍響應的增益也較大，時間常數較大，即改性腔升溫速率較慢，但升溫后達到新穩態的溫度值較高。

4 結論

通過對改性腔溫度進行分析和測試實驗，研究了SLG型粉體表面改性機空載運行條件下“風門/料門”對改性腔溫度的調控規律。結論如下：

1)由溫度傳感器、風門調控、料門調控以及“PLC+上位計算機”構成的SLG改性機溫度測控系統，能夠便捷地監測3個改性腔溫度，能夠直觀精確地自動控制風門開度與料門開度。該溫度測控系統的結構及“傳感裝置/執行裝置”的選型方案，可以擴展用于其他各型SLG改性機。

2)SLG改性機“風門/料門”在0～100%開度范圍內對改性腔溫度的調節效果是非線性的；空載條件下，SLG-200型改性機風門調節改性腔溫度的有效范圍為20%～80%。

3)改性腔溫度傳遞函數以“風門/料門開度”為輸入變量、3號改性腔溫度為輸出變量；風門開度由小調大時，傳遞函數的增益先增大后減小，特征時間常數先減小后增大。

4)后續將圍繞進風速度、喂料速度與改性腔溫度的關系進行研究，有望探明料門開度與喂料速度的關系以及風門開度與進風速度的關系。