水泥篦冷机回路优化控制设计及编程实现

万春红 张东宁 杨彩铃 汪 敏 赵桂林 周一戟

(1.昆明电器科学研究所，云南昆明 650221;2.云南国资水泥红河有限公司，云南开远 661600)

0 概述

在预分解窑系统中，水泥篦冷机是水泥生产过程烧成系统中极其关键的热工设备，它与旋风筒、换热管道、分解炉、回转窑等热工设备密切配合，构成一个完整的新型干法水泥熟料煅烧体系，完成高温熟料骤冷、熟料输送、热量回收等功能，对节约能源、改善熟料强度及易磨性等具有重要作用[1]。水泥篦冷机属穿流骤冷式气固换热设备，冷却空气以垂直方向穿过篦床上的熟料层，使熟料得以冷却，篦冷机一室篦下压力是窑系统保持最佳热工制度的重要工艺参数，不仅表示篦冷机篦床阻力，也可表示窑内烧成带温度变化。根据流体力学理论，气体通过料层的阻力，与料层厚度成正比关系，因此可用一室篦下压力来间接反映料层的厚度，当一室篦下压力增高时，篦床速度需要随之加快，反之亦然，以稳定料层厚度，改善熟料冷却状况。然而在实际生产中，篦冷机一、二段篦速调节回路，以及篦冷机系统中的其他调节回路，如:各冷却风机出口风量与风门开度，窑头罩微负压与窑头排风机转速等，大多仍采用人工手动调节，未达到控制性能和工艺性能的优化。本文根据云南国资水泥红河有限公司5号窑2000t/d熟料生产线DCS回路优化控制的要求，基于Cimplicity 6.0组态软件和Concept 2.6编程软件，设计并实现了二室篦下压力与一段篦速PID、二段篦速比例调节、窑头罩微负压与窑头排风机转速PID、各冷却风机出口风量与风门开度PID等回路的优化控制，并实现手自动无扰切换。经调试和试运行表明:篦冷机系统回路优化控制可有效保障篦床上的料层厚度，使熟料冷却均匀、入窑二次风稳定、篦冷机安全运行，满足工艺要求性能，达到预期优化控制的目标。

1 篦冷机系统工艺简介

5号窑2000t/d熟料生产线采用国产第三代控制流充气梁、水平推动式篦冷机，其构成如图1所示[2]。

篦冷机钢壳体的内部装有由固定篦板和活动篦板相排列的篦床，篦板向上倾斜，使篦床呈锯齿状。在篦板上有许多长孔或圆孔，熟料由回转窑进入篦冷机，在卸落过程中，就被篦孔下部及篦板缝隙向上运动的空气直吹急冷，在传动装置的作用下，活动篦板沿固定篦板的表面作往复运动，对熟料层不断进行耙拨，使熟料由高温区向出口端运动。在篦板下部空间用钢板隔成几个空气室，以便按冷却需要对各室适当地分配空气量。每一空气室分别用管道与一台中压风机相连，管道上设有阀门，通过阀门的执行机构来调节开启程度，分配合适风量。

图1 水平推动篦冷机构成图

篦冷机的主要作用是冷却熟料、回收热量，篦冷机的操作决定了二次风温和三次风温的高低、热回收效率的高低、熟料的冷却效果和煤磨的安全运转，同时篦冷机的操作也直接影响熟料的质量，因此篦冷机系统的回路优化控制显得尤为重要。篦冷机的回路控制主要有:一、二端篦床速度控制、冷却风机用风量控制、窑头罩微负压控制等。一段篦床速度一般根据二室篦下压力来调整;二段篦床速度根据篦床一段速度按比例来调整，并始终保持二段篦速＞一段篦速;冷却风机用风量阀门开度根据各风机出口压力来调整;窑头负压表征着窑内通风及篦冷机入窑二次风之间的平衡，窑头排风机变频器转速根据窑头罩微负压来调整，正常生产中，窑头负压一般保持在－0.05～－0.1kPa，决不允许窑头形成正压，如产生正压，将导致窑头喷火，危及窑头比色高温计及看火电视等仪器。

2 PID控制算法

PID控制适用于线性连续系统，具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性好等特点，是一种非常重要的回路控制算法，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，可将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，仍然可使用PID控制，因此在工业过程控制中得到广泛应用，有95%以上的控制回路都具有PID结构。其控制作用表达式为[3]:

式中，Kc为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。

在5号窑2000t/d熟料生产线DCS中，下位编程软件Concept 2.6是满足可编程逻辑控制器国际标准IEC 61131－3的编程软件，支持指令清单语言(IL)、结构化文本语言(ST)、梯形图语言(LD)、功能块图语言(FBD)和顺序功能图(SFC)等五种编程语言，下位控制程序使用FBD语言开发。在FBD环境下，Concept 2.6提供了丰富的FFB模块库，其中也包括PID模块，其传递函数表达式为:

该PID功能块如图2所示。图中模块外标注的为输入输出端的数据类型，如:“BOOL”为布尔量，“REAL”为浮点型，“TIME”为时间型等。

图2 PID功能块

PID功能块输入输出端描述如表1、表2所示。篦冷机系统回路的优化控制算法选择该PID模块。

表1 PID功能块输入端描述

表2 PID功能块输出端描述

3 篦冷机系统回路优化控制设计及编程实现

5号窑2000t/d熟料生产线DCS的应用软件包，基于美国GE FANUC公司的Cimplicity 6.0上位组态软件和法国Schneider公司的Concept 2.6下位编程软件共同开发，篦冷机系统回路优化控制是在原有应用软件基础上进行的改进和完善，因此设计的前提必须保持原应用软件的所有功能和操作界面风格，特别必须保持原控制回路的手动调节功能，使新增的优化控制方式和原手动调节方式实现无扰切换，保持控制量的平稳和连续，保证设备安全和热工状态稳定。

3.1 二室篦下压力与一段篦速PID

根据Concept 2.6 FFB模块库里PID功能块的控制原理，可很方便地实现PID控制，其具体编程的要点如下。

(1)PID输入输出变量定义

PID输入输出变量定义如表3所示。

表3 PID输入输出变量表

(2)上位操作面板设计

一段篦速调节回路的操作面板如图3所示，其中PID操作面板是在原来手动操作面板的基础上新增的，其操作变量与表3中的输入输出变量相对应。

(3)下位程序编制

一段篦速回路下位控制程序如图4所示。

①程序组成

程序主要由两部分组成:

一是回路的手动调节程序“S367(35)”;二是新增回路的PID优化控 制程序“FBI_16_72(33)”。“S367(35)”的“LSP”端和“RSP”端分别为手动调节输入端和PID调节输入端，按图3操作面板的“设定”按钮，选择“手动”方式，变量“SIC367_A”为“0”时为手动调节;按“设定”按钮选择“自动”方式，变量SIC367_A为“1”时为PID调节。“FBI_16_72(33)”程序模块的“MAN”端为PID模块工作方式选择端，“MAN”端为“1”时为“手动”调节模式，“MAN”端为“0”时为“PID”调节模式。

手动调节时，可根据工况和实际情况，从图3操作面板手动设定一段篦速值至变量“SIC367_LSP”，再通过“S367(35)”程序模块传送到输出端“Y”，由“Y”传送给下位PLC的模拟量输出(AO)模块，完成手动开环调节一段篦速。

PID调节时，PID输出端“Y”通过变量“SIC367_PIDOUT”连接至手动调节程序“S367(35)”的“RSP”端。在图3的PID操作面板整定P、I、D参数和PID输出上限值和下限值，根据工艺要求和操作经验，设定二室篦下压力目标值“PT332_PISD”，按“设定”按钮选择“自动”方式，再按“PID投”按钮，则PID模块投入运行，根据二室篦下压力反馈值“PT332_PI”与目标值“PT332_PISD”的偏差，自动闭环调节一段篦速。

图3 一段篦速回路调节上位操作面板

②手动调节和PID调节的无扰切换

一段篦速回路具有手动和PID两种调节方式，要求两种调节方式无扰切换，以保证调节方式改变时篦速稳定平滑，避免控制量跳跃引起对设备的冲击，以及由此引起的热工状态和工艺性能的波动。在无扰切换程序设计时，设计了“手动给定1”中间变量“SIC367_LSP1”，通过该变量实现两种调节方式下手动给定值、PID输出值间的“中转”，具体实现过程如下:

——手动调节转PID调节时的无扰程序实现

如图4所示，当“SIC367_PIDTQ”和“SIC367_A”均为“0”时，“MAN”端为“1”，调节方式为“手动”，此时将手动设定的一段篦速值赋给变量“SIC367_LSP”，再通过“16.323(32)”SEL程序块送至“YMAN”输入端，根据“FBI_16_72(33)”程序块的特性，PID输出端“Y”与“YMAN”输入端变量“SIC367_LSP”的值相等，手动设定值送出。当“SIC367_PIDTQ”和“SIC367_A”均为“1”时，“MAN”端转为“0”，调节方式为PID时，PID输出的初始值即为手动调节的当前值，实现手动调节到PID调节的无扰切换。

——PID调节转手动调节时的无扰程序实现

如图4所示，当调节方式为PID时，其输出端“Y”以手动调节的当前值“SIC367_LSP”为初始值，并且根据反馈“PT332_PI”与给定“PT332_PISD”的偏差，经 PID运算连续输出控制量，经变量“SIC367_PIDOUT”传送到“S367(35)”的“RSP”端，控制量由“Y”端送出，从而自动闭环调节一段篦速。PID输出变量“SIC367_PIDOUT”的值，通过“16.325(168)”MOVE 程序块赋给中间变量“SIC367_LSP1”，再将“SIC367_LSP1”的值通过“16.323(32)SEL”程序块赋给“YMAN”输入端，保证调节方式转为手动时，手动调节的初始值等于PID调节输出的当前值，从而实现PID调节到手动调节的无扰切换。

图4 一段篦速下位控制程序

3.2 二段篦速比例调节

二段篦床速度根据一段篦床速度按比例来调整，并始终保持二段篦速＞一段篦速。其具体编程的要点如下。

(1)比例调节输入输出变量定义

比例调节输入输出变量定义如表4所示。

(2)上位操作面板设计

二段篦速回路调节操作面板如图5所示，操作面板是在原来手动操作面板的基础上，新增比例调节操作面板，其操作变量与表4中的输入输出变量相对应。

(3)下位程序编制

表4 比例调节输入输出变量表

图5 二段篦速回路调节上位操作面板

二段篦速回路下位控制程序如图6所示。

图6 二段篦速下位控制程序

图6中的“S368(52)”为二段篦速回路调节的程序模块，“LSP”端为二段篦速手动调节输入端，“RSP”端为二段篦速比例调节输入端。“SIC368”为控制方式控制字，“SIC368_A”为控制字“SIC368”的位变量，当“SIC368_A”为“0”时为“手动调节”方式，为“1”时为“比例调节”方式。“比例调节”方式时，一段篦速值变量“SIC367_PIDOUT”与比例系数变量“SIC368_K”相乘，赋值给“RSP”端，完成二段篦速比例调节设定，输出端“Y”即送出比例调节控制量。

3.3 其他调节回路

窑头罩微负压与窑头排风机转速PID、各冷却风机出口风量与风门开度PID的设计原理与二室篦下压力与一段篦速PID类似，在此不再详述。

4 调试及试运行

以上回路的调试及试运行均在工程师站上完成，按以下步骤进行:一是静态调试，二是动态调试，三是试运行。需要特别强调的是，整个调试过程必须在管理人员、工艺人员和操作人员密切配合和充分协调的情况下，有计划、有步骤、有保障措施的前提下分步完成，确保安全第一和工况稳定。

4.1 静态调试

(1)程序变量“打点”

静态调试是指工艺设备处于停止状态，充分应用Concept 2.6下位编程软件的在线监视功能“Read all selected variables”，监视所编制程序中有关变量值的变化情况，同时结合对应上位操作面板中的设定值和显示值进行检查和调整。静态调试的目的是检查各输入输出变量的上位下位对应关系是否准确无误，可称之为程序变量“打点”。

(2)参数初始化

在回路调节操作面板上，有被控量设定值、P、I、D参数、比例系数，还有Max、Min限值等。可按照工艺要求设定被控量设定值，例如:二室篦下压力、窑头罩微负压、各冷却风机出口风量等，P、I、D参数值则可以按经验进行初始化整定。特别注意PID调节回路的Max、Min限值必须按照手动调节的上下限值进行设定，否则会影响手动调节回路的输出。

(3)无扰切换调试

以冷却风机出口风量与风门开度PID为例，在各冷却风机停止的情况下，在“手动”方式下，手动给定风门开度，此时风门执行手动调节，并反馈风门开度值。按操作面板的“设定”按钮，调节方式由“手动”转为“自动”，风门开度PID调节的初始值为手动给定值，因为冷却风机停止，冷却风机出口风量达不到目标值，随后风门开度将连续变化。再将调节方式由“自动”转为“手动”，风门开度手动调节的初始值应为PID输出的当前值。

4.2 动态调试和试运行

(1)动态调试是指工艺设备处于运行状态，各回路工作在手动调节方式，系统工况稳定。动态调试采用单回路调试方式，依次调试每一个回路。

(2)动态调试是一个反复积累经验值的过程，因为参数整定需要不断比较和不断调整，最后才能选择符合工艺要求的参数。

(3)动态调试后，回路调节可进入试运行，试运行期间，注意观察控制效果，遇有异常情况马上转为手动调节进行人工干预。

5 结论

(1)基于美国GE FANUC公司Cimplicity 6.0上位组态软件、法国Schneider公司Concept 2.6下位编程软件，在原有DCS应用软件的基础上，设计并实现了二室篦下压力与一段篦速PID、二段篦速比例调节、窑头罩微负压与窑头排风机转速PID、各冷却风机出口风量与风门开度PID等回路优化控制，并实现手自动无扰切换。经调试和试运行表明:篦冷机系统回路优化控制可有效保障篦床上的料层厚度，使熟料冷却均匀、入窑二次风稳定、篦冷机安全运行，满足工艺要求性能，达到预期优化控制的目标。

(2)水泥制造企业在不断提高设备管理水平和工艺管理水平的基础上，使用回路优化控制逐步取代原有靠人工经验来保持水泥生产热工稳定的手动控制，将是水泥制造企业提高产能、稳定质量、降低能耗、实现精细化管理的有效途径，也是不断提高工艺优化水平和控制优化水平的必由之路。国内外通过多年的研究和实践表明:水泥生产过程调节回路的优化控制是水泥生产过程自动化的发展方向，以多条单回路优化控制来实现水泥生产过程自动化是行之有效的。近几年来，回路优化控制已在水泥生产过程中得到越来越多的应用，运行效果良好。

[1] 肖争鸣，李坚利.水泥工艺技术[M].北京:化学工业出版社，2009.

[2] 赵应武，过伦祥，张先成等.预分解窑水泥生产技术与操作[M].北京:中国建材工业出版社，2005:32～36.

[3] 郭阳宽，王正林.过程控制工程及仿真—基于MATLAB/Simulink[M].北京:电子工业出版社，2009:31～36.