矿浆预热器串级控制系统的设计与实现

摘 要：针对镍钴湿法冶金高压酸浸矿浆的预热生产过程工艺复杂机理以及参数波动频繁情况，提出了一种基于串级-前馈控制的理论，在传统的PID的闭环回路调节系统的基础上增加了前馈补偿。设计了信息管理和过程控制两层结构组成的高压酸浸生产过程综合自动化系统，通过对三级预热给料泵的前馈-串级控制策略的现场调试、运行。结果表明：所设计的控制方案较好的克服二次干扰效果显著，稳定了预热器的液位波动，从而达到间接控制高压釜生产效率，使系统的性能得到进一步的改善。

关键词：前馈补偿；串级控制；高壓酸浸；矿浆预热

引言

高压酸浸是镍钴湿法冶金工艺中的核心技术，而矿浆预热是高压酸浸生产工艺中进入高压釜前对矿浆处理的基础及重要组成部分，矿浆预热过程的安全、稳定控制是保证高压酸浸生产过程工艺参数稳定以及后续浸出产品质量与效率的重要因素。[1]

文章通过对矿浆预热过程中的扰动变量的研究，针对闪蒸槽蒸汽压力变量具有波动大、预热器给料泵流量相应速度快和预热器液位变量滞后大等特点，提出一种前馈补偿的PID串级控制策略对预热器的液位进行控制，并实际应用在现场环境中，运行正常、可靠。

1 矿浆预热工艺描述

矿浆由低温预热器给料泵的驱动下从低温预热器顶部冲入，从后续工艺低压闪蒸槽返回的蒸汽从低温预热器底部进入，经过内部热交换隔板的实现上下对流，完成第一次预热，使矿浆达到指定温度。在热交换过程中，矿浆顺热交换隔板与蒸汽充分接触，吸收热量使温度升高，而蒸汽由于温度降低，压力减少，部分蒸汽冷凝为液体，使预热器的液位增加。预热后的蒸汽，沿着预热器顶部出口管道进入到排气缓冲器，再接受洗涤、冷凝、再利用等处理。[2]依次通过低、中、高三级矿浆预热，使矿浆温度达到230～270℃，压力达到4～5MPa的高温高压条件，满足生产工艺生产需要。

2 矿浆预热控制系统

2.1 控制系统设计

本系统应用于某大型冶炼企业，集成生产信息管理、监视与操作和流程控制的DCS系统。采用Honeywell公司EPKS系统完成整个矿浆预热计算机控制。选配2台服务器（冗余配置），2台操作员站，2台工程师站和4台C300控制器（冗余配置）等。日常运行中，操作员通过操作员站完成矿浆预热的监控，工程师或者其他管理者通过服务器进行系统的管理、设置、备份及控制程序的下装、激活、修改等系统管理功能。

2.2 控制回路设计

预热器液位受多种因素干扰，其过程参数多为动态变化。为保证预热器升温过程中液位的稳定，同时为更好的仰制各种因素的干扰，本设计采用前馈-串级控制结构，保证矿浆预热过程的顺利进行。如图1所示。

图1 预热器串级-前馈控制回路设计原理图

控制回路分为液位PID控制器、流量反馈控制器和前馈补偿控制器。预热器液位控制作为外环，以预热器核液位计检测值作为反馈值，采用反馈PID控制器模块，实时计算使得预热器液位保持核定的流量设定值；预热器流量控制作为内环，根据外环计算的流量设定值和实际进口矿浆流量检测值进行比较，以偏差作为输入信号，利用流量PID控制器模块，通过改变预热器给料泵的频率值，从而改变预热器进料量，能够有效的克服矿浆流量的波动，使得预热器液位保持在设定值区间内。同时采用前馈补偿控制器对预热器进口流量的设定值进行前馈补偿，以达到稳定预热器液位的目的。[3] [4]

3 系统调试

现场通过手动模式设定预热器给料泵的初始启动频率，根据现场实际需要和预热器给料泵的实际情况，启动预热器给料泵，逐渐改变泵的输出频率，在出口流量达到目标值后，把流量控制回路投入自动模式。通过逐渐改变流量设定值，在实际液位达到目标值并稳定后，副环流量环投入自动控制状态，主环投入串级-前馈运行。分别设置比例增益（P）、积分时间（I）、微分时间（D），保持液位稳定在一定区间后调整前馈系数，并在实时趋势窗口观察预热器液位、流量、蒸汽压力等曲线，反复调整几个参数，直到得到满意的控制曲线。

从两个趋势图中可以看出，采用串级-前馈回路控制系统投入后，虽然受到进料的影响，对三级预热器的液位产生一定的影响，但是液位波动基本在设定液位±2%范围内变化，远远好于预热器在单回路控制时液位受到干扰量的波动范围，能够很好的满足高压酸浸工艺的需要。如图2所示。

图2 预热器控制回路运行趋势图

4 结束语

文章针对矿浆预热器过程内部机理复杂，且干扰变量动态变化的情况，提出一种基于前馈补偿的预热器液位串级控制系统，同时引入前馈控制克服蒸汽压力和温度不可控扰动参数对系统的干扰。串级-前馈回路控制系统与单回路控制系统在质量指标上进行比较，预热器液位变化范围大大缩小，液位变化受蒸汽压力波动的影响较小，整个矿浆预热的自动调节过程，基本达到物料、能量平衡，确保了高压酸浸产品质量稳定。

参考文献

[1]兰兴华.镍的高压湿法冶金[J].世界有色金属，2002，1：25-26.

[2]时新江，刘孝章，李婷，等.原矿浆预热器的焊接工艺[J].焊接，2005，3：28-30.

[3]任彦硕.自动控制系统[M].2007，238-245.

[4]于航，李凤霞.OPC技术在HONEYWELL平台的应用[J].小型微型计算机系统，2010.