铝业厂自动控制系统设计与优化.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：安中林（1984-），男，汉族，贵州余庆人，本科，中级，遵义铝业股份有限公司，研究方向为自动控制工程。-30-铝业厂自动控制系统设计与优化 安中林 遵义铝业股份有限公司，贵州 遵义 563100 摘要：摘要：作为重要有色金属之一，铝用量较大。科技是第一生产力，自动化技术水平的提升也促进了工业生产自动化的发展，可为铝业安全高效以及优质生产提供支持。近些年我国铝工业发展迅速竞争日趋激烈，自动控制系统成为企业关注的重点。本文简介铝业自动化发展，重点结合实例分析氧化铝自动控制系统改进情况，旨在为相关系统设计以及优化工作提供些许参考。关键词：关键词：铝业厂；自动控制系统；设计；优化 中图分类号：中图分类号：TD97 近些年，我国工业现代化水平不断提高，而工业自动化系统则是工业现代化生产的重要组成部分。随着科学技术不断进步以及生产的持续发展，自动化系统内涵不断丰富与深化，在全球范围内受到重视。计算机技术、信息技术等技术在工业生产中应用的拓展推动了自动控制系统在铝业生产中的应用。下文将就氧化铝自控系统设计与优化进行探讨。1 氧化铝生产自动化概述 与钢铁类似，铝也是一种基础金属材料，具有密度小、延展性强以及耐腐蚀的特点，在工业以及日常生活中均有所应用，我国是铝工业、铝资源以及铝消费大国之一。当前铝资源以铝土矿为主，就铝土矿已探明储量而言位列世界前茅，且分布较为集中。科技的发展与应用对工业生产具有极大地推动作用，加之城市化建设的不断推进对资源、能源需求量明显上升，这为铝业行业发展带来了动力。我国自 20 世纪 80 年代便引进铝冶炼先进技术工艺，其中霍尼韦尔、三菱、ABB 以及西门子进口以及自动化控制设备得到大量应用1。历经数十年发展，铝业产业技术水平得到提升，其中氧化铝生产在 2007 年就已经跃居世界第一。氧化铝生产属于高耗能，随着其产能的增加对氧化铝节能增效越发重视。近些年国家出台新政策鼓励新技术应用，推动铝工业朝着新型工业化道路迈进。我国氧化铝工业原料多为一水硬铝石，具有低铁、高硅高铝以及难溶出的特点，以混联法工艺以及碱石灰烧结法较为常见，这导致在自控技术方面要求较高，无法套用国外成功此类型技术，而是需要寻求更适合我国氧化铝生产工艺的自动控制技术2。现阶段生产自动控制系统成为研究者关注的一个热点课题，其研究在不断深入，实践也在不断丰富。就拜耳法氧化铝生产来讲，一些生产工序（原料、溶出、蒸发以及焙烧等）已经实现了 PLC 或者 DCS 控制系统的自动控制3。2 铝业厂自动控制系统设计与优化 大型氧化铝厂多采用沸腾焙烧炉，其热利用率更合理且技术更成熟，受工业生产自动化水平提升影响，焙烧工艺中传统手动控制已完全被自动控制所替代。本文结合氧化铝沸腾焙烧炉自动控制系统实例分析改进思路与效果，在当前系统工作现状的基础上针对性提出改进方案。2.1 沸腾焙烧炉工作现状 焙烧过程主要是将物料经物料烘干系统烘干，后送入沸腾焙烧炉体下部，经鼓风机送风，物料在炉体、再循环旋风收尘器以及流化密封槽间循环流动，氧化铝进入流化密封槽参与到循环焙烧中，经流化密封槽的氧化铝会有部分以成品进入到下一级冷却系统，冷却后进入到氧化铝仓中。其中炉顶与炉底压力差即炉内压差可对焙烧过程中炉体内中略偏下位置物料浓度进行控制，从而使得焙烧更为充分均匀，正常情况下炉内物料与压差成正比的；炉内物料控制主要通过流化密封槽的排料阀开度对出料量进行控制来实现，排料较多时会对温度造成影响，如炉内温度、流化密封槽物料温度等，而天然气调节阀进入炉内燃料量则是最直接的温度影响因素。现有的沸腾焙烧炉由 PID 单闭环控制系统（两个）组成，分别为密封槽温控系统与主炉温控系统，例如后者按照氧化铝生产要求温度通常在 900-1000范围内，将天然气调节阀作为执行中国科技期刊数据库 工业 A-31-机构，利用工业仪表热电偶（温度传感器）所测温度与设定温度值二者进行比较计算进而对执行机构动作实施控制，发挥调节阀的调节作用4。结合主炉的 PID单闭环控制系统运行来讲，该系统存在一定不足：采用的单闭环控制在抗干扰方面不具备优势；主炉温度控制系统调节后，温度变化并不够及时，而是存在滞后性，会出现温度升高后天然气调节阀被动调节以降低温度，这导致温度难以维持在较为稳定的范围内；流化密封槽内的氧化铝成品排出量会对主炉温度造成影响。而且经实际运行中的多次试验观察发现流化密封槽温度、炉中温度、排料阀以及天然气调节阀动作与 PID控制运行间有相互影响情况存在，即两个 PID 控制回路存在耦合干扰温度调节稳定性，天然气调节阀动作会对流化密封槽温度改变造成影响，而流化密封槽排料阀动作也会对主炉中温度变化产生影响。上述提及的温度耦合性与滞后性均会影响温度调节精确性。针对上文总结不足制定自控系统改进方案：改进硬件设备，针对原有硬件设备温控反应不及时的问题予以改进，如增加执行机构排料阀精密度，加装更为先进的风量调节阀控制风量更为稳定使灼烧变得更为充分，从而提升资源利用率降低能耗；深入研究焙烧最佳控制参数；改进焙烧滞后性，提升稳定性。其中最佳焙烧工艺参数利用正交试验，因素包括炉中温度、炉内压差与流化密封槽温度，通过正交试验设计获得合格率更高的控制参数（炉底温度、主炉温度 950、炉内压差 9.0kpa、流化密封槽温度 930）。由于炉内压差主要是对炉内物料量的反映，当物料量恒定时压差影响便不会太大，而进料流量稳定时压差也无需特别调整，炉底温度则用作循环流化顺畅与否判定也并非再循环的主要指标，因而出于参数作用与影响考量，炉内压差与炉底温度并未纳入后续控制范围。2.2 沸腾焙烧炉温控模型建立与实施 其一，分析沸腾焙烧炉温度控制耦合性。实际生产过程中主炉温度系统调节过程中，PID 对天然气调节阀进行调节时也会对流化密封槽温度造成影响，实验中主炉温度设定值与控制范围分别为 950、930-970，流化密封槽温度设定值与控制范围分别为975、955-995；流化密封槽温度 PID 也存在主炉温度类似情况，如其 PID 调节排料阀开度变化时会对主炉温度造成影响，进行测试，维持进料量、天然气调节阀开度二者数值恒定，对流化密封槽排料阀开度进行调节同时将密封槽温度控制在 920-950范围内并记录相关数据（开度调节后隔 15min 记录一次），结果发现炉中温度在最低值、最高值时均较密封槽温度有滞后情况；炉中温度 PID 调节方面执行机构动作会对流化密封槽温度产生较大影响，其排料阀动作对炉中温度同样有较大影响。其次滞后性方面，如将天然气调节阀开度减小，主炉温度（950降到 900）下降过渡时间较长，主炉温度滞后性影响 PID 调节的响应速度。鉴于此，针对耦合性问题，鉴于再循环系统温度调节类似于多输入多输出系统，因而能够采用前馈补偿解耦方式（多情况解耦叠加分情况）将焙烧温度控制的耦合性消除，耦合性分析可能存在输入输出不匹配而误差较大、系统所转化的相对增益矩阵中存在不合格元素这两种影响稳定性的因素，对此通过简化方式-忽略部分次要因素运用部分解耦获得简化控制模型。本实例中涉及炉中温度、流化密封槽温度二者耦合的解决，简化要点主要指流化密封槽排料阀开度变化而存在耦合性，如果控制系统对工艺参数低或者对参数耦合影响有限未波及正常生产时则可将其忽略。将天然气调节阀控制作为主要的主炉 PID 正常调节执行机构，减小/提高温度则通过天然气流量控制（天然气调节阀控制实现）进行；对排料阀开度进行改变从而实现流化密封槽温度的控制。鉴于流化密封槽作用（氧化铝流存缓冲器、分流器）忽略不计主炉温度 PID调节对其影响。补偿原理为：若密封槽温度过高则适当增加排料阀的开度使得密封槽温度降低，并给予天然气调节阀增量提高主炉温度从而与密封槽温度降低主炉温度的影响抵消，反之则调小排料阀开度，并运用补偿降低主炉温度同时抵消炉内温度因密封槽温度上升而上升的影响。通过实验求得天然气调节阀开度值补偿量：首先将压差（8.5-9.2）、焙烧炉进料量（65%）维持在适宜值，对流化密封槽排料阀开度进行调节（密封槽温度维持在 920-940范围），密封槽、主炉温度均维持稳定，此时密封槽基准温度与主炉温度约为932、930；对排料阀开度调节时并调节焙烧炉天然气阀开度，间隔 3min 观察 1 次温度变化情况，并于15min 记录下开度值，经过多次排料阀开度改变测试，求得天然气调节阀开度补偿量，根据实际工作需要降低叠加至天然气阀开度初始设定值从而实现主炉温度的合理补偿控制。上述温度条件下排料阀基础开度为中国科技期刊数据库 工业 A-32-47%，天然气调节阀基准开度则则为 62%，其中排料阀开度差为其即时开度与基准值的差，天然气调节阀开度差则为其即时开度与基准值的差，二者分别作为横坐标与纵坐标便可获得排料阀、天然气调节阀差补偿二者的关系曲线，结果得出二者动作呈现出正比例，即排料阀开度大则物料排除多、密封槽与炉中温度下降、天然气调节阀开度需增大以稳定温度。一般来讲温度控制滞后性并不罕见，如外界干扰作用随着 PID 时间常数的增大而增强，使得温度波动频繁。主炉温度调控滞后性方面，通过主副调节予以改善，利用中间变量多的串级调节解决，副回路的引入有助于控制系统动态性能的提升，自动控制质量与操作稳定性更佳。主控系统设定值为主炉温度，而副回路输入则为沸腾焙烧炉主控制器的输出，主副回路检测仪器分别使用一体化耐磨热电偶、天然气调节控制阀天然气流量，而执行机构与测量仪表分别为天然气电动调节阀、质量流量计，其中通过流量阀控制天然气调节阀动作，主炉温度仪表测得温度数据反馈计算后对主调节控制器进行控制，并且主调节控制器对副调节器实施控制从而确保第二支路流量较快地维持在给定值水平。2.3 沸腾焙烧炉温控系统改进 具体包括：控制系统操作员站 5 个、工程师站 1个、服务器 2 个、路由器 4 个以及 I/O 站 2 个，温度传感器方面运用 R 型铂铑热电偶（耐高温且维持内部偶芯测量稳定），密封排料阀选择活塞式电启动转化结构，并且排料阀带有不同功能模块，如开度反馈与定位功能，可保障物料连续性排放；天然气电动调节阀（选择比例控制阀，以 V 型球阀作为阀芯）作为主炉温度控制的执行机构，可实现天然气流量的快速控制且抗干扰性优秀。控制温度调节以及软件实施方面：DCS 系统选用霍尼韦尔 PKS 系统，自带 PID 功能模块可实现手动/自动、跟踪、自适应以及串级等多种工作状态，用户程序设计可根据不同的需求选择相适应的功能块，上文提及运用串级温度调节方式改善主炉温度滞后性，增加副 PID 控制模块；改造系统中的 HSPID 程序块，于模块下位程序输入上文排料阀与天然气调节阀补偿曲线求得的公式。此外，人机界面则根据氧化铝焙烧工艺流程进行制作，不同颜色表示不同参数。2.4 实验验证 通过将本文提及自动控制系统运行进行验证，按照上文提及的参数值范围进行实验可获得最优参数，验证了排料阀与天然气调节阀补偿曲线。同时比较改进前后控制系统效果从而分析本系统设计优化方案的可行性与实用性，结果改造后较改造前主炉温度、流化密封槽温度稳定性得到显著改善，串级调节改造前后温度 860下降至 810以及温度稳定在 810所需时间存在明显差异，改造后降温耗时以及温度稳定耗时均更短。对上述结果进行分析：温度耦合性稳定性方面，改造前温度曲线波动与温度偏差均较大，经改造流化密封槽温度与主炉温度均波动相对平稳（范围在5），随距离理想状态有一定差距但较改造前稳定性明显提高；滞后性方面，经改造主炉温度滞后有所改善，但很难彻底解决，这需要深入研究。3 结束语 综上所述，我国氧化铝生产过程自动控制起步相对较晚，工业生产自动化水平提高促进了氧化铝生产的发展。本研究结合焙烧环节实例基于沸腾焙烧炉工作现状提出氧化铝焙烧自动控制系统改进方案，详细分析焙烧温控模型建立实施与温控系统改进相关内容，后借助实验比较改进方案实施前后稳定性与滞后性情况，进而证实改造方案的可行性与实用性，结果表明该方案可一定程度改善稳定性与滞后性，丰富了此类自控系统改进优化思路，但氧化铝生产中相关问题的彻底解决仍存在较大探究空间，需进一步研究。参考文献 1朱忠旺,张荣忠.球团制粒上料智能自动控制系统设计与实现J.甘肃冶金,2021,43(06):34-37 2程江涛,刘俊杰,侯伟军.基于DCS的氧化铝沉降泥层高度模糊控制的实现J.世界有色金属,2020(2):265-266 3 李 坤 杰,刘 斌 斌,池 国 明,等.Vantage工 艺 控 制 系 统 的 防 火 墙 设 计 及 实 现 J.控 制 工程,2021,28(12):2438-2442 4刘民章.铝合金熔铸用熔炼炉+保温炉炉组与熔保一体炉的优缺点比较J.有色冶金节能,2020,36(1):31-33