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现代工业窑炉智能控制系统的研究
2005-12-15
来源：陶城报 谭绍祥 谭汉杰
责任编辑：admin
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当今陶瓷窑炉的发展方向是由过去提出的辊道化、自动化、煤气化、轻型化、大型化向绿色（环保、节能和智能型）窑炉方向发展。
绿色窑炉的标准是低消耗（节能型），低污染（环保型）、低成本、高效率。
实现绿色窑炉的努力方向是：研究新的自动控制方式和方法、降低窑炉风机电耗和噪音、研究先进的燃烧器、使用新型的耐火材料和涂料、建立废气净化研究检测中心。
实现绿色窑炉的目标是：燃料消耗进一步下降１０％－２０％、窑炉热效率提高１０％－２０％、电力消耗下降１０％－３０％、噪音和烟尘有较大程度的下降。这样对原有的窑炉控制手段和方法提出了更高的技术要求。
目前窑炉的控制方法，已由９０年代的手动调节控制发展为智能控制；由分散型控制变为集散型控制；温度由以前的单纯ＰＩＤ调节方法变为ＰＩＤ加上模糊控制的调节方法；传动由常规控制变为变频技术的线速度控制等。随着窑炉长度的增加（１５０－２５０ｍ）生产量的提高（６０００－１５００ｍ２／日），烧成周期的缩短（６０－３０ｍｉｎ）等因素变化，加上窑炉控制目标是一个多输入、多输出、多变量、大滞后、非线收的变化量，使得我们过去的控制方法越来越不适应当前窑炉的发展要求。
随着计算机技术和电子技术的发展，计算机控制技术逐渐取代了传统控制技术，利用计算机技术和系统控制中的容错技术对窑炉的控制实现了可能。
１、窑炉系统总体设计
１．１系统的管理
利用过程控制级计算机和先进的控制软件在软件中加上先进的容错技术、依靠计算机本身的高可靠性，高稳定性对各项过程进行控制，实现系统的实时监视，实时管理、实时控制、出错实时报警、实时控制过程中的数据存储，并且通过光纤通讯管理人员管理计算机进行通讯，完成技术数据的监控，记录存储和报表打印。
１．２风机系统的控制
利用独立的可编程序控制器，风机用变频器和外用控制硬件组成，以及可编程的通讯端口和过程控制级计算机通讯，实现计算机的管理控制，结合容错技术、在检测到风机及控制设备出现故障时自动切换到另一台备用电机运行，确保设备的正常运行。
１．３传动系统的控制
利用独立的速度反馈信号模块和电机专用三相交流模块，对传动电机实现线速度的闭环控制，利用专用的ＲＳ２３２／ＲＳ４８５信号通讯模块，同过程控制级计算机实行通讯，可以方便，可靠，准确地设置每台传动电机之间的速度差，保证产品在窑内烧成段的运行不重叠。同时利用容错技术、检测设备的实时运行情况，一旦发现异常、自动切换到备用控制回路，保证传动的正常运行，防止堵窑事故的发生。
１．４窑炉温度的控制
窑炉的温度是一个大滞后的非线性量，在窑炉的控制中占有非常重要的地位。如何解除温度的滞后性，是窑炉温度控制的关键所在。利用计算机的混沌模糊控制技术，外加容错技术的方法，取代传统智能仪表。外加计算机管理是常规模式。
１． ５其他控制
窑炉控制除以上方法外，还有气氛、压力、报警等控制。其中报警控制由报警输入模块和报警输出模块组成，并用过程控制级计算机连接。
２、系统的优缺点
２． １整机系统的优点
（１）利用高可靠的控制软件和人机界面，实现了友好的人机对话，使操作更为方便、快捷。
（２）减少了由车间设备管理员每时、每日向上一级领导递送报表的繁锁程序。
（３）在系统软件设计中，利用混沌模糊控制技术和超强容错技术，保证了设备运行中的高可靠性。
（４）在温度控制过程中，利用模糊控制技术，使控制温度的精确度和准确度提高了，可达≤±５℃，避免了在窑炉设备压力和气氛变化过程中温度出现超调和欠调的现象。
（５）利用三相交流电机模块和速度反馈模块，对传动电机实行闭环控制，实现传动电机的线速度控制，避免了传统变频器调速的不一致性，使传动电机的速度更准确，同时，也避免产品在窑内运行过程中前后不一致的现象。
（６）实现了无纸自动记录实时控制过程中的有关参数，方便以后备查，打印和调用。
（７）通过网络技术，实现管理人员同时直接管理设备，随时进行实时数据，报表的打印，随时撑握设备的运行工况。
（８）准确、实时、完善的报警功能使设备运行更安全、更可靠。
（９）本系统运行后，产品质量可提高５％－８％，节能率达３％－５％，达到较好的节能增效目的。
２．２ 系统的缺点
（１） 系统集成性、可靠性、安全性要求的提高导致项目设备成本增加。
（２）对负责维护、修理的技术人员提出了更高的技术水准。
３ 喷雾干燥塔自动控制系统
３．１过去存在的问题
以前很多陶瓷厂的喷雾干燥系统，全部采用人工操作，缺陷如下：
（１）采用微波炉烘干称重测量，时间长，不准确。采用微波炉加热一般需要４－５ｍｉｎ，时间过长。微波炉加热存在温度过高和不均匀现象，不能准确反映粉料水份的真实状况。
（２）测量采用抽检方式，不能全面反映粉料水份分布情况。
（３）测量时间长，采用抽检方式，不能为操作人员提供实时的参数依据，不易及时控制。
（４）人工记录现场的参数不可靠，不准确，给管理和考核带来困难。
（５）采用人工操作的方式，人力成本高；喷料初期不稳定时向长，资源浪费大。当粉料水份有偏差时，人工调节波动大，调节时间长，粉料品质得不到保证。
针对以上存在的问题，设计出新的喷雾干燥塔自动控制系统。
３．２喷雾干燥塔自动控制系统优点
喷雾干燥塔自动控制系统，主要是要实现粉料水份的在线控制，其自动控制系统的优点主要有：
（１）系统采用在线水份测量仪进行粉料水份的监视。在线水份测量仪每５秒钟显示一次水份值，能实时反映粉料的水份值。采用在线测量，所有粉料都通过检测设备，能全面反映粉料水分的分布。
（２）在线粉料水分测量仪精度在０．３％内，测量准确。
（３）系统具有粉料水分超限报警实时纪录功能，并实现自动定时报表输出。
（４）系统根据在线测量当前的水分值，采用动态趋势控制的观点，实现了水分的真正在线控制。
（５）系统根据粉料水分及热风炉出口温度计算后，输出一信号来控制燃油量大小，进而来控制含水量在规定范围内。
（６）系统中粉料水分的控制是一个大时延，大滞后环节，系统加入热风炉出口温度与粉料水分值组成一串级控制系统，改善了系统的动态特性，使系统有较好的控制效果。
（７）自动调节与手动调节相比，有着调节精度高，响应快，效果好等特点。
４、喷雾干燥自动控制系统的组成及功能
喷雾塔无人监控系统由温度控制子系统，供浆控制子系统，燃烧控制子系统，负压控制子系统及平台系统六部分组成，其功能如下：
（１）温度控制子系统
功能：该系统负责将喷雾塔内的温度控制在规定的范围内，当水分偏差超过规定范围时，将塔内温度进行相应的升高或降低操作（要求是已安装在线水份仪的前提下）。
组成：通过温度传感器接收现场的温度信号，同时接收在线水分仪所测的粉料水分信号。当水份变化超出控制范围时，如果水分增大，应升高塔内温度；如果水分减少，应降低塔内温度。同时，该系统根据温度的变化需求输出一指令给燃烧控制子系统，使其进行相应的调节。
（２）供浆控制子系统
功能：当水分波动不大时，可通过控制浆料的流量来控制粉料的水分，并可通过供浆压力的大小来控制粉料的颗粒级配。
组成：系统通过控制供浆压力来控制粉料的水分。如水分增大时，则减少供浆压力，如水分降低，则增大供浆压力。系统还具有喷枪堵塞自动控测功能，当发现喷枪堵塞时自动报警。
（３）燃烧控制子系统
功能：当喷雾塔内的温度要求升高或降低时，该系统控制热风炉的燃油供给，同时控制合理的风油比，确保安全优质的燃烧。
组成：该子系统接收温度控制子系统来的控制信号，当温度需要升高时，应增加燃烧器油阀的开度；当温度需要降低时，应减少燃烧器油阀的开度。同时，当油阀动作时，风门档板开度也应随之进行相应的比例调节，以确保燃烧的经济性。
（４）负压控制子系统
功能：为保证粉料大小颗粒的合理，特别是减少微粉颗粒的影响，塔内需要保证一定的负压，该系统确保将塔内负压控制在规定的范围内。
组成：该系统通过压力传感器来检测喷雾塔的负压，当压力升高时，需要开大引风机的抽力，反之则减引用机的抽力。
（５）启停控制子系统
功能：该子系统负责整个系统的启停操作。
组成：通过逻辑控制和联锁保护实现系统的自动起停及故障保护。
（６）系统平台
功能及组成：此系统平台通过硬件及软件系统实现以上各子系统的控制功能，包括数据输入输出卡，工业控制软件等。此子系统是整个系统的核心，以上所有子系统都是在这个系统平台上实现的。
５、喷雾塔自动控制系统实现的可行性
喷雾干燥是以喷雾干燥塔为主体，并有供浆系统，热风系统，除尘系统，及控制系统等构成的设备。工作时，泥浆由泵压送到雾化器内，将泥浆雾化成细滴，进入干燥塔内受到热空气干燥脱水，颗粒受重力作用下落，带有微粉及水气的空气经旋风分离器收集微粉再经水浴除尘器后从排风机排出。要控制好粉料的稳定性，喷雾塔内的进出 风温度，风量，泥浆的压力以及泥浆的含水量等是关键要素，可见喷雾干燥塔的控制也是一个多变量的模糊控制系统。
喷雾干燥系统长期以来不能实现自动控制的原因，是喷雾塔粉料的品质无法得到控制，就如同人没有眼睛，自从在线水分测量仪在喷雾干燥系统使用以来，喷雾塔自动控制系统就成为现实。
以技术方面来看，喷雾干燥系统的结构简单，控制的对象就是热风炉的燃烧器和泥浆泵的压力，这比窑炉控制要简单得多。此外，喷雾干燥塔体积较大，热惯性大，自稳定能力强，所以目前的技术完全能够实现该自动控制系统。
６、经济效益
（１）系统采用在线检测粉料水分的设备，可以省去现场测量粉料的人员；由于采用在线检测设备，可以实现三台喷雾塔一个人定期抽检的方式实现，减少了操作工人及现有测量设备的能耗。
（２）系统实现在线粉料水分的控制，同样可以采用一个操作工人监护三台喷雾塔，减少了人工操作失误造成的损失。
（３）初步核算，仅以上两项与过去方式相比，最多可节约操作工人２０个，按目前每人１年工资加管理费１５０００元计，每年可节约人力成本３０万元。从目前测量水份的方法耗电角度来看，采用微波炉测量水分，我们计算如下：一台微波炉功率为１２００瓦；
年耗电＝１．２千瓦×２４小时×３００＝８６４０千瓦小时
电费（元）＝８６４０×０．８元＝６９１２元／１年
（４）由于实现了料粉水分在线检测和自动控制温度稳定了粉料的质量，减少压砖分层，粘模，强度低等半成品缺陷，可提高产品质量５％８％，能耗下降５％左右。
７、其他
（１）该系统是成熟设备，安装调试时间一个月，系统控制部分为工控机，使用年限一般为５０万小时，系统稳定耐用性强。
（２）以投入来讲，可分步实施，先做一个喷雾塔的自动控制系统，试用结果达到要求后，再做其余两个塔的控制。
- END -
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