陶瓷隧道窑智能优化控制系统的研发应用

1．隧道窑的结构特点及工艺要求

   （1）结构特点

　隧道窑全长61米，其中预热带为21米、烧成带为15.6米、冷却带为24.4米。烧成带共设八对燃烧窑，烧嘴采用全热风雾化比例烧嘴，氧化气氛烧成，烟囱自然排烟，烧成主要产品为系列颜色釉陶瓷制品，烧成周期约20小时。

  （2）工艺要求

   根据工节艺要求共设定了38个测点，其中温度26点，其中燃烧室温度16点，窑内温度10点，用热电偶检测，补偿导线传送信号；     

压力9点，控制、检测分别选用微差压变送器和霍尔变送器；     　

烟气含氧量1点，采用智能氧化锆分析仪检测显示，并送工控机；    　　

油温检测1点；耗油量1点在工控机中进行累积。     

产品工艺要求窑的温度、压力分布，空气过剩系数A的值的控制技术指标为： 

   　　炉温 950℃-1350℃；    　　

1＃~3＃ 燃烧室为给定值±12℃；    　　

4＃~6＃ 燃烧室为给定值±10℃；    　　

7＃~8＃ 燃烧室为给定值±7℃；     　　

窑温 烧成带主偶度为目标值±4℃；     　　

窑压 烧成带两端压力为给定值的±1.5Pa；     　　

烟气含氧量控制在6~8％；    　　

供油温度为给定值±3℃；     　

　供油压力为给定值±0.05Mpa 。    　　

2、对象的特性分析

　经对温度参数特性分析，其关系可表示为：

　　（2）式中Kij为传递矩阵，描述了窑体的传递特性，它除了依赖于窑体的结构外，还与入窑制品、进车速度等因素有关。通常认为Kij的变化是很小的，因此只要确保燃烧温度控制的精度，总可以得到期望的窑温分布曲线。其控制框见图1。　　

若该系统的给定值是各个监测点的温度（共8点），而各控点的给定值Ri可随之调节，便形成的多变量调节系统。

上述调节系统的调节关系式为：

         （2）

式中：Ri（I=0，1，…，7）--控制点给定值；

    　　εi（I=0，1，…，7）--监测温度与监测点给定值之间偏差；

   　　Dij（I=0，1，…，7）--是调节规律。

由于隧道窑容量滞后较大，控制周期不能小于对象的纯滞后时间加上测量滞后时间。而上位机控制系统，是一个控制周期可变的采样调节系统，所以很容易实现温度控制。

以上分析虽然较全面地描述了窑体的传递特性和采用的调节规律，但在窑炉实际烧成过程中，低温炉口的作用主要是分解及氧化阶段，而决定产品烧成质量的关键部位是高温区各燃烧室温度的相对稳定即可。所以，对低温炉口采取单回路定值反馈控制可满足要求，而对高温炉口（6＃、7＃）与主偶窑温之间采取了RMPO控制，达到稳定一般保证重点的目的。     　　

6＃、7＃炉口与主温点的关系式可表示为：

   R6 = f(θ6) = a0 + a1ε6 

  　　R7 = f(θ7) = b0 + b1ε7

  式中：R6·R7分别为窑体两侧对称的6＃、7＃炉口目标设定值；a0、b0、a1、b1为传递系统。

窑内压力制度的相对稳定是温度稳定的关键。一般来说，烧成为氧化气氛的窑炉，烧成带初端和末端的压力分布应分别为微负压（PY）和微正压（PZ）。若忽略次要因素对系统进行简化，烧成带末端窑压（PZ）是窑尾风（PW），急冷风（Pj）,抽出（Pr）和燃料燃烧气体的变化（△PS）等综合作用的结果，用关系式表示为：

Pz = f(Pj,PW,Pr,△PS)    （3）

实际，我们把Pj，PW稳定，由于其它因素引起Pz的变化作为Pr的干扰量来处理，通过调节整热风输出来达到消除这些干扰因素的影响，这样，正压关系式也可用单变量函数表示为：Pz = f(Pr)

同理分析可得负压的调节关系式为：

PF = f(PY)

式中： PY -- 烟道底部压力，PF -- 窑内负压力（烧成带初端压力）。

3、系统结构及工作原理

（1）RMPO控制系统

本系统由一台工控机，并配置一套PLC或专用控制器作为下位机组成，其特点为：

①工控机是国际标准总线的适用于工业现场控制的微型计算机，有丰富的全光电隔接口，可靠性强

②工控机数据处理能力强，通过通讯接口可方便与控制器连接来，实现现场数据传递处理，参数修改，人机对话，并利用其丰富的软件开发能力组成一个功能齐全，操作简便的相结合的控制系统。

（2）输出执行机构

①16路温度控制回路采用电动执行器，调节烧嘴开度，改变油量以控制燃烧室的达到窑内给定温度的稳定。

 ②2路窑压控制回路：烧成带末端压力由电动执行器调节热风抽出量进行控制；烧成带初端的压力由电动执行器调节主烟道闸板开度来实现；

③油温、温压靠安装在窑上的调节单元，由计算机进行定值控制，保持油温、油压的相对稳定；

 ④烟气含氧检测回路，由氧化锆分析仪测取烧成带排出烟气的含氧量，调节助燃风量，达到燃料的最佳燃烧。

为保证系统在特殊情况下的操作，各回路均设有自动-手动无扰切换及阀位跟踪功能。

（3）系统工作原理
   在工控机定时器的控制下，CPU每隔一定的时间分别对38个监测点与控制回路进行巡回检测，信号经传输送入现场控制器，经放大板进行信号调整及A/D转换后经并行口输入计算机CPU进行处理，其结果输出显示，对于从控制回路采样来的数据，进行变系数的PID运算后，输出控制量到D/A板作为阀门驱动器的控制信号，调节阀门（闸板）开度，达到工艺参数的给定值。

二、软件设计

1、软件结构

窑炉控制系统软件主要分成二大部分，主控制算法程序和域值控制算法。

2、软件设计的几个关键点

　（1）隧道窑中，如温度参数，其特性是惯性加容量滞后。采样周期T的投定是控制系统中一个关键，它是影响系统稳定性的主要参数，经前人研究数可作为一阶惯性加时滞环节来描述，如果对象的纯滞后时间为t，当T＞t时，理论已经证明，一次采样调节即可达到系统稳定，如果总的过渡时间为To，只要T＞To+t，闭环系统是稳定且无静差的。

  实践证明，T的选取不适当，过大或过小会使系统动态品质变坏，甚至导致系统不稳定，它应在理论的指导下结合对象特性，在实际运行中整定。而窑压相对窑温滞后小。现场整定中我们把窑压的变化周期作为基本采样周期，而温度的控制周期根据温度高低、控制方式以基本采样周期的倍数分成几级：如高温级、低温级、串级，以控制不同的炉口温度。高温级控制频率高于低温级（基本采样周期为13～15秒）。

   （2）控制算法采用积分分离式增量控制算法。其增量式：

Un=Un-Un-1=Kp△en+Tien+KD△2en    (4)

    式中：Kp--比例系数TI--积分系数； KD--微分系数；△2en = △en-△en-1 = en-2en-1+en-2；△en = en-en-1；en = R-Yn；R--给定值；Yn--n次采样平均值。

增量式算法优点是：计算机只输出控制量的增量，不会大幅度改变阀门（闸板）位置，既使有误差操作也影响不大。但看到在停机启动或大幅度改变给定值时，由于短时间内产生很大偏差，会造成系统在消除偏差时会出现较大的超调和较长时间的振荡，为了克服这一缺点，算式中引入积分分离，现引入逻辑系数L；（4）式变成：

△Un = Kp△en+L·TIen+KD△2en       (5)

其中：

　E0--门限值当en＞E0时，L=0，积分项为零，仅PD调节；当en≤E0时，L=1，积分起作用。这样可减少超调量，使调节性能得到改善。     　　

三 系统采取的抗干扰措施

1、硬件措施

（1）接口板为全光电隔离，阻断了地线之间对主机的干扰；

（2）对测量的微弱信号，选用双端输入差分放大器板，有效地防止了共模干扰；

（3）根据不同类型的信号，一二次仪表，分别采用浮地，接地，合理布线；     　　

（4）电源输入端安放抗干扰抑制器和高质量开关电源，以增强对电源的干扰处理

2、软件措施　　

采样信号进行数字滤波，以防止随机干扰所引起的信号误差。

 RMPOV1.0控制系统实现了对隧道窑的监控，保持了烧成工艺的最佳工况，从而提高产品质量，增加了产量，取得了显著经济效益。