基于PLC 的炭基材料生產裝備自動控制系統優化

呂大飛，鞏雪樺，曹昌興，嚴子深

（1.河北天善生物技術有限公司 河北省炭基重金屬土壤污染修復技術創新中心，河北唐山 063000；2.國家地質實驗測試中心河北天善分中心 利用農業廢棄物制備炭基土壤修復材料重點實驗室，河北唐山 063000）

0 引言

生物質炭基材料是應用于土壤地力提升、污染土壤修復的新能源生態環保材料，其主要是面向重金屬修復、鹽堿地治理、礦山修復、荒漠化治理等區域根據不同性質土壤、不同環境條件、不同污染來源、不同污染種類和不同污染程度，有針對性地研制出的土壤修復材料。

生物質炭基材料的生產工藝是一種新能源環保工藝，是將農林廢棄物等生物質原料先進入原料前處理系統進行干燥、壓制為要求入爐的尺寸及形狀，經過上料系統送入炭化爐，通過復雜的生物質熱裂解反應將原料分解得到以生物質炭為基質的生物質炭基材料。熱裂解過程產生的生物質燃氣通過凈化系統進行凈化，處理后的純凈氣體進入儲存系統，為后續的生物質燃氣新能源利用系統提供氣源用于生物質燃氣發電或者生物質燃氣鍋爐，從而實現農林廢棄物的節能環保再利用。

炭基材料生產裝備自動化控制系統是以生物質炭基材料生產工藝為基礎，具有以采用PLC、電氣控制系統、儀表采集檢測系統對主要包括原料前處理系統、上料系統、炭化系統、生物質燃氣凈化系統、氣體儲存系統、生物質燃氣新能源利用系統等組成單元進行炭氣聯產自動控制的功能，所有單元的生產工藝參數由現場儀表檢測元件采集并傳送到PLC，再通過工控軟件在主控室操作界面顯示。主控室人員根據生產工藝要求對相關參數進行分析和處理，設定控制參數輸出進行生產狀態控制，實現對生產工藝的自動化控制。

在生產線投入初期，炭基材料生產裝備自動控制系統的效果顯著，在一定程度上能滿足生產工藝的要求，但在持續使用過程中也出現了一些問題，如爐內溫度調節系統有時受原料填料、料位高低、料面透氣性等影響較大，現有的工藝監測點不能完全體現工藝過程，爐內熱裂解過程不直觀，產出燃氣在管道中壓力有過壓情況需進行安全壓力檢測及泄壓控制等，因此需要在原自控系統基礎上進行優化，以滿足新的工藝要求。

1 串級控制炭化爐內溫度

炭化爐是生產工藝核心裝備，生物質熱裂解技術的關鍵就是要控制爐內溫度的平衡穩定，但是現有生物質炭化爐溫度控制反應較慢，出口溫度有一定滯后性，造成爐內原料熱解不充分甚至有時有懸料搭橋的情況，產炭質量不理想等情況，需要對自控系統進行優化，提高壓力控制精度。

原爐體溫度和電動調節閥為單閉環控制系統。現對自控系統PLC 進行串級控制編程，將爐體溫度和電動調節閥作為副調節器，將爐體出風口溫度和電動調節閥作為主調節器，通過控制調節生物質炭化爐進氣口的電動調節閥閥門開度大小來控制進風量，使爐內溫度保持在設定范圍內。

當一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量同方向變化時（即同時變大或變小），對于主控制器來說由于它的測量值升高，根據控制器的反作用關系輸出將在穩態時的基礎上減小，也就是副控制器的設定值將減小，而副控制器的測量值將增大。根據副控制器的反作用關系，上述干擾都將使副控制器的輸出減小，最終調節電動調節閥閥門的開度減小。

當一次干擾和二次干擾造成主副變量反方向變化（即一個增大另一個減小）時，假設一次干擾引起主變量下降，二次干擾引起副變量升高，對主控制器來說，由于其測量值減小，其輸出值將增大、也使副控制器的設定值增大；對于副控制器來說，由于測量值增大，設定值也增大，如果同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號偏差沒有改變，控制器的輸出也就沒有改變，閥門開度不變；實際上這是用二次干擾補償了一次干擾，電動調節閥門不需調節。如果兩個干擾引起副控制器的設定值和測量值的同向變化不相同，也就是二次干擾還不足以補償一次干擾時，副控制器再根據偏差的性質做小范圍的調節就可將主變量穩定在設定值上。

從串級控制系統的工作過程可以看出，兩個控制器為串聯控制，是以主控制器為主導，保證主變量穩定為目的，因此其控制質量必然高于之前系統的單閉環控制系統。

當溫度傳感器檢測到生物質炭化爐爐內溫度過高時，PLC元件對溫度設定值和溫度反饋值進行PID 運算并輸出運算差值，通過運算差值控制電動調節閥的開度，使其開度降低、生物質炭化爐爐內進風量降低，從而減少爐內炭化反應需要的氧氣含量，進而控制爐內炭化反應進程，達到降低爐內炭化溫度的目的，最終使爐口出氣溫度下降到設定值（圖1）。

圖1 串級控制爐體溫度系統

2 增加設備工藝檢測點位

檢測點位增加使工控監測可以覆蓋整個生產工藝過程，能實時掌握生產狀況，生產工藝參數運行管理更加全面（表1）。

表1 設備工藝檢測點位對比 個

（1）在壓力方面，增加了氣柜后總管壓力、汽水分離器前總管壓力、冷凝器B1 支管后端壓力、冷凝器B2 支管后端壓力、熱成像儀冷卻水前段壓力、熱成像儀冷卻水后段壓力6 個檢測點位。

（2）在溫度方面，增加了爐體左側中部溫度、爐體右側中部溫度、熱成像儀冷卻水前段溫度、熱成像儀冷卻水后段溫度、氣柜前端支管溫度5 個檢測點位。

（3）在差壓方面，增加了篩網過濾器差壓、氣柜前后差壓、汽水分離器前后差壓3 個檢測點位。

（4）在流量方面，增加了安全閥放散氣體流量、熱成像儀冷卻水流量2 個檢測點位。

（5）在輸入/輸出開關量方面，增加了熱成像儀冷卻水供水電磁閥開啟、開到位、關閉、關到位和2 組安全閥開啟、開到位、關閉、關到位共12 個檢測點位。

3 增設爐內熱成像儀

為更直觀、更方便地觀察爐內生產狀況，在爐內設置紅外熱成像監控系統。由爐頂插入熱成像儀鏡頭來采集爐內生產狀況，熱成像儀采用水冷式降溫保護，避免熱成像儀外套通入冷卻水吸收帶走爐內工作溫度對熱成像儀的高熱影響，保證攝像頭穩定可靠運行。同時熱成像儀有溫度標定功能，可以隨時進行溫度標定，保證采集檢測溫度的精確和可靠。

通過紅外熱成像探測技術可以對布料前后整個爐內的溫度分布狀況、爐內氣流的走向、正常料面情況、異常情況下的料面塌料、搭橋、布料不勻等都能進行直觀展示，能夠為主控室人員提供豐富的爐內運行信息，如溫度數據趨勢圖、歷史數據趨勢圖、溫度分布曲線圖，采集傳遞爐內料面溫度信息，幫助主控室人員直觀掌握料面高度變化，掌控料面分布情況，監測熱解區域分布狀況，可以為主控人員提供實時數據支持，有效提高爐內操作精度，保證爐內生產順利進行（圖2）。

圖2 炭化爐內熱成像圖

4 增加安全壓力智能放散控制系統

生物質炭基材料生產工藝凈化生產線熱裂解后產生的生物質燃氣含有水蒸汽、CO2、甲烷等多種成分，需要進行完全凈化后使用，這樣需要多種凈化裝置同時使用才能達到凈化效果，但是與此同時凈化設備裝置生產線過長，整個凈化生產線采用羅茨風機從炭化爐內引出燃氣，并導入到后端儲存系統。在實際使用中當某個凈化設備因堵塞或其他原因引起管路氣體壓力迅速升高，如不及時排放會有管路超壓爆裂隱患，造成安全事故。因此，需要在凈化系統管路中采用安全壓力檢測放散裝置來檢測壓力異常并放散降壓來保證人身及設備安全。

為此，設計出一種生物質燃氣凈化裝置用安全壓力智能放散控制系統，其主要由安裝在多段凈化設備管路上的各壓力傳感器、多回路智能測控儀表、氣體專用電動放散蝶閥、排氣管、閃光報警器等組成（圖3）。

圖3 安全壓力智能放散控制系統組成

凈化燃氣支管與凈化主管路連接，用于將異常的高壓氣體從主管路中引出，排出到設備外部，防止因異常高壓氣體造成管路爆裂或破損。電動放散蝶閥與多回路測控儀表連接，用于控制支管管路的通斷，正常情況下，電動放散蝶閥保持關閉，氣體通過主管路進入凈化裝置進行凈化，當有高壓異常情況時會控制電動放散蝶閥打開，此時高壓氣體經過支管通過放散管排出到外界。隨著高壓氣體的持續排出，壓力會下降，當壓力下降到設定的下限值正常值時，多回路測控儀表控制電動放散蝶閥關閉，氣體繼續通過主管路進入凈化裝置進行凈化。同時多回路測控儀表將壓力及控制開關量傳遞到PLC 系統，提供給工控監控畫面顯示和監測。

5 結束語

通過對現有炭基材料生產裝備自控系統進行的多種優化措施，使新的自動控制系統較以往控制系統在穩定性、控制性能、產品品質上均得到極大提升，能有效、及時處理具體控制目標和生產任務，滿足目前生產工藝的要求，大大提高生產效率，保障炭基材料生產的順利進行。