Rockwell自动化技术在回转窑控制系统中的应用

1 引 言

　　石油焦煅烧工艺控制比较复杂，产品产量、质量及煅烧实收率完成情况受煅烧带温度、煅烧带位置、挥发份浓度、氧气浓度、窑头窑尾负压、燃料补给量、物料运动速率等各项工艺参数及窑内工况的综合影响，就煅烧实收率而言，由于没有一套完善的窑内情况自动化监控系统，煅烧温度、煅烧带位置、挥发份浓度、氧气浓度、窑头窑尾负压、燃料补给量、物料运动速率等各项工艺参数不能达到良好配置，在实际生产中，只依据操作人员的实际经验进行调整，往往存在煅烧带温度，窑头窑尾负压，给料量，窑体转速，二三次风及燃料配比，煅烧带稳定性等不合理，不规范现象。易造成煅后焦热处理波动较大，煅后焦真比重、电阻率、CO_２及空气反应速率、晶体尺寸等指标存在较大波动，直接影响到阳极理化性能，如果石油焦热处理不充分，煅后焦比电阻偏高对阳极真假比重、导电率、抗热震性能等都会带来直接影响；石油焦热处理过于充分，将加大煅后焦的抗氧化性能。阳极在电解槽内选择性氧化现象更加突出，同时对燃料消耗，煅烧实收率，阳极导热率，焦子空隙度等带来不利影响。也对产量、窑内衬寿命、沉降室寿命、燃料消耗、窑尾烟气净化、窑体转动、机械设备运转都带来不利影响。因此，对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。采用计算机控制系统是对竖炉焙烧过程实现成功控制的关键，采用新的合适的控制结构过程综合自动化系统是解决上述问题的关键。采用过程控制、过程优化的综合自动化系统。

2　煅烧过程自动化系统实现

　　回转窑煅烧过程控制系统是料场均匀化的石油焦和辅助物料通过检验合格后，经过煅烧窑自动监测系统和人工操作系统将原料（煅烧前石油焦）输送至煅烧回转窑中进行煅烧。在回转窑煅烧过程中，利用燃烧装置和煅烧过程优化监控，对物料煅烧过程及回转窑煅烧区域温度进行控制，使煅烧窑内的物料按照预定的曲线升温，从而使石油焦在预定的温度曲线下完成焦化过程。辅助控制系统是冷却窑实施内喷水全自动调节，外喷水比例调节，原料库和余热锅炉等部分实现在线监控。

回转窑煅烧主要技术参数

　　回转窑煅烧控制系统是对整个煅烧过程工艺实行监控，根据工艺规范和回转窑的煅烧温度需求，进行动态调节控制，使其在工艺要求的升温曲线和负压范围内对回转窑内的石油焦进行干燥、加热、煅烧和冷却段的控制。并对煅烧过程优化燃气配置功能。回转窑实际控制点和测量点如图1所示；其煅烧过程中工艺技术参数如表1所示。

表1 6t/h回转窑煅烧过程主要技术参数

图1 回转窑控制点和测量点示意图

　　在回转窑大窑正常生产情况下，系统的调节器众多，仅依靠独立闭环的单回路控制系统是不可能实现最优生产控制的。另外，主要调节对象（变频器、负压挡板执行机构、余热锅炉的给水控制阀门等装置控制）都是动态调节，其动态特性决定了它的控制复杂性，且生产工艺对调节质量的要求又较高。因此，只有采用多回路控制系统才能完成回转窑的最佳生产状态调节控制任务。

2.2总控制系统结构

　　随着炭素生产过程回转窑控制技术的改进，其过程控制向着大型、连续和多复合功能方向发展，对生产工艺操作规程的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂。产品的品质指标的不断提高，直接要求控制系统的精度和功能均要有较大的提升，同时对能源消耗和环境污染也有明确的限制。在这种情况下，回转窑控制系统必须采取新型控制方式——多回路控制系统。回转窑煅烧过程控制系统结构如图2所示。

图2 总控制系统结构图

2.3控制策略

　　回转窑控制系统调节对象的动态特性决定了其控制的复杂性，而工艺指标对调节质量的要求又很高。从回转窑控制单元器件而言，调节对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的关联性却高度集中，故单回路控制系统（是指用1个调节器、1个输入信号、1个闭环控制。）难以满足工艺生产要求。

　　在回转窑多回路控制系统中，关键的控制方式是由多个测量值、多个调节器、补偿器和解耦器等组成多回路控制系统。在回转窑多回路控制系统中，采用串级控制是改善调节过程较为有效的方法。回转窑控制系统中，煅烧带为主控制调节，二次风变频调节量和三次风变频调节量为副控制调节。

　　物料自回转窑尾部下料溜子进入窑体，经煅烧后从窑头底部排料口排出，其煅烧过程中产生的热量在负压作用下经过沉降室，进入余热锅炉系统，再通过除尘器、烟道外排。为了保证煅烧产品质量，必须严格控制挥发分最大析出温度和煅烧最高温度。为此，采用负压挡板开度和二、三次风变频器调节，调节对象是挥发分最大析出温度、煅烧最高温度以及回转窑壁温度（考虑回转窑体辐射热量散失）。引起煅烧热力场温度变化的扰动因素主要来自2个方面：物料和助燃风量。在物料方面主要是物料下料流量、物料入口温度、物料化学成分和物料停留时间；在助燃风量方面主要是三次风量偏差、二次风量偏差和漏风量。这些扰动量，由于作用地点不同，其对煅烧温度的影响也不一样；当石油焦下料流量波动时，会造成水分干燥段温度的波动。因此，设计煅烧带（即负压）控制为主控制回路，三、二次风为副控制回路，窑体变频转速为辅助主变频控制回路，能够较好地满足回转窑的控制工艺要求。在回转窑串级控制中，采用了三级调节控制，这三级调节器串在一起，各有其自己的温升状态响应。三次风调节器为前端的控制，负责物料波动时的“粗调”，而二次风调节器担负物料波动较大情况下的调整，负压为最后的稳定调整。这样就可以在物料方面发生扰动时，能够快速把煅烧温度调节到最佳的状态段内。

2.4回转窑煅烧控制原理

　　随着生产过程向着大型、连续和高控制方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能有相当多的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。这种多回路测量值、多调节器和解耦器组成的控制系统。其回转窑煅烧带优化控制原理如图3所示。

图3 回转窑煅烧带优化控制原理图

　　在回转窑煅烧带控制系统中，主环（PI调节）和副环（PID调节）的波动频率不同，副环频率较高，主环频率较低。在整定时，要尽量加大副调节器的增益以提高副环频率，目的是使主、副环的频率错开，各层副环频率的要求最好相差三倍以上，以减少相互之间的影响。

　　预测控制优点诸多：首先，采用滚动优化的控制策略，通过预测值设计控制算法。预测控制就是不断修正控制作用，在每一步都向最优的目标前进，其目标是随时调整。虽然滚动优化控制的结果可能并非最优，但由于能够适应模型失配、扰动影响诸多因素。因此，是预测控制具有很强的适应性；其次，预测控制采用预测模型。它既产生被控变量的预估值，同时又作为控制器的设计依据。当模型与被控对象一致时，能够使两者的误差为零，当模型失配时，能够通过反馈校正，及时调整失配程度。故预测控制具有良好的鲁棒性；此外，预测控制采用基于模型输出的预测和基于估计误差的预测技术，使模型失配和扰动影响下都有很强的校正作用。虽然，从被控过程看，控制系统接近开环控制，但由于对误差实施的控制是闭环控制。因此，控制系统稳定性对系统参数的灵敏度下降，鲁棒性得以提高。

2.5煅烧带正常生产控制量和测试量矢量图

　　在煅烧动态区域控制系统中，根据窑头喷嘴位置和二次风供给的风道位置，预置轴向物料温度扫描测试装置，通过计算机控制的高精度煅烧带定位系统，自动扫描跟踪煅烧带温度最高点、煅烧带与加热带的界面。采集两个物理温度点以后，将温度状态电信号传送至中央控制室，进行煅烧带定位系统监控，同时根据角度换算得出煅烧带的距离。预置轴向物料温度扫描测试装置是在窑头罩上安装两个高温辐射扫描仪，该扫描仪装置在两个独立的转动煅烧带定位系统上（该系统由计算机控制驱动），一个通过计算机控制追踪煅烧带最高温度点，另一个追踪煅烧带的界面，以此方式确定动态煅烧带的位置。通过确定煅烧带的位置和煅烧指标，反馈控制燃烧系统的给气量和窑体转速。在通过计算机的对应模型解算，得出对应的煅烧带动态分布状态和温升曲线。同时计算机控制煅烧带定位系统定位，监控煅烧带的主要物理监控点，如果监控点的煅烧带最高温度变化低于1250℃，则启动燃气喷嘴提供燃料输入；若监控点的煅烧带界面温度低于900℃，则适当加大引风量，使煅烧带后移；否则，就适当减小引风量。根据物料排料温度参数、煅烧带高点温度、煅烧带界面温度和窑内负压引力参数，通过控制状态的解析，发出控制火焰长度或二次风供给风量的调节指令，驱动执行机构，完成该系统控制。其煅烧带控制量与测试量分析如图4所示。

图4 正常生产煅烧带控制量与矢量分析图

3　系统实现

　　在回转窑煅烧过程中，通过煅烧窑燃烧装置和控制系统，对物料煅烧过程及回转窑煅烧区域温度进行控制，使煅烧窑内的物料按照预定的曲线升温，石油焦产品得以在预定的温度曲线下完成焦化过程，生产出优质的煅后焦，满足后续的预焙阳极生产要求，同时达到降低能耗，减少污染，保护环境的作用。

3.1系统硬件结构

　　系统的硬件结构，如图5所示。监控计算机（2台）均为IBM公司PC机，操作系统为Windowsxp。计算机控制系统采用美国Rockwell公司ControlLogix系统，包括CPU模块，电源模块，开关量输入输出模块，模拟量输入、输出模块、控制网(ControlNet)通讯模块、设备网(DeviceNet)通讯模块等。其系统内通过控制网通讯模块进行通讯，控制室上位机设有以太网网通讯接口，为今后实施设备网络化管理提供方便；智能优化程序将计算结果通过控制网传至各分控制站。中央监控机直接通过控制网与各分站PLC进行信息交换。其控制分站有余热锅炉系统、原料系统、除尘系统、小窑控制系统，燃烧系统、循环水系统等6个站组成，其共有8个机架（6个本地站分别设有1个机架；1个远程站设有2个机架）。每个站对应1台控制柜和操作控制器（Allen Bradley SLC 5/04; Allen Bradley view 1000、触摸屏等控制界面）；回转窑中央控制站实现对回转窑燃烧待温度、进料温度和冷却窑温度的检测。各控制站通过独立的控制功能实现本系统内所有控制装置的控制参数的给定、状态参数的显示（如变频器的频率设定和状态监测），并将相关数据通过网络传输给回转窑煅烧控制中央上位机。各控制站的处理器通过冗余的ControlNet网，以Producer/Consumer的通信模式实现数据开放。

图5 回转窑煅烧控制系统硬件结构图

3.2系统软件结构

　　整个控制系统所使用的软件均选用RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32等Rockwell公司的配套产品。监控计算机配有RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32应用软件，使用Microsoft Windows2000操作环境，编程软件由RSLogix5000和RSView两部分组成，其中RSLogix5000为PLC软件开发环境，RSView为监控画面开发环境，RSNetWorx为网络组态软件。各控制站的控制程序是在RSLogix5000软件基础上开发的^[8]，ControlLogix系统的结构体系是一个技术先进的控制平台，它集成了多种控制功能：顺序控制，过程控制，运动控制等。ControlLogix系统是模块化的，根据其内存量、控制器个数和网络类型均可通过实际应用具体选择大小、类别。这种柔性结构能实现在同一个机架内使用多个控制器、网络通讯及I/O模块。并在多个控制器之间分配资源和划分任务。ControlLogix数据传输总线利用Producer/Consumer技术是一种高性能的分布式方案。通过通讯接口模块能实现ControlLogix与计算机、分布式处理器和分布式I/O的互连等功能。其每个站的控制程序中，又分别包涵着一个连续任务和一个周期性任务。其中连续任务下有1个主程序，主程序下有分为多个子例程，如故障状态控制、烘窑预生产过程控制、正常生产过程控制等子例程。

　　RSView32是一个功能强大的控制系统监控软件[12]，可以按用户的要求编制监控程序及友好的操作界面。可以编制复杂的计算处理程序，智能优化模型的开发就是基于VBA软件设计的。本系统中监控画面的主要组成是：回转窑煅烧工艺流程图、自动控制参数总览、设定值及PID参数控制面板、设备运行状态图、故障报警画面等模拟状态图。通过这些操作界面，能准确、及时地实现回转窑煅烧总系统过程的远程监控和操作，实时监视回转窑煅烧工艺中的温度、压力、流量等关键部位参数变化趋势，对设备异常、故障报警及时显示，可以使操作员随时对现场进行生产过程进行准确判断和干预。

4　应用效果

　　回转窑控制是石油焦煅烧生产过程控制的关键。回转窑生产过程输入有空气量、加热天然气量和石油焦；输出有沉降室温度、煅烧带温度和小窑冷却温度。输入与输出之间具有强耦合，过程机理复杂，如石油焦的进出、热量的传递、化学反应，而且不确定因素多。此外，石油焦成分特性和含水量高低的不同，加热天然气流量的波动，二三次风的给定变化，煅烧带实际温度在线测量困难等因素的存在，使得回转窑煅烧带控制任务更加复杂，合理的系统结构及先进的控制技术是保证可靠控制的关键。回转窑煅烧过程实现智能优化过程控制，通过对回转窑煅烧过程的煅烧带温度、石油焦给定量、二三次风流量、冷却水喷洒量的优化控制，达到了石油焦较为理想的煅烧过程控制目的。其大窑工艺流程监控画面如图6所示，重要参数设定画面如图7所示。

图6 煅烧回转窑大窑运行状态监控画面

图7 煅烧回转窑小窑运行状态监控画面

6　结束语

　　本文针对回转窑煅烧过程的特点，应用Rockewll自动化技术和智能控制方法，提出了由滚动优化、预测控制和反馈校正等控制方法组成的回转窑煅烧生产过程综合自动化系统。本系统在我公司3台石油焦煅烧回转窑上成功应用，实现了回转窑煅烧生产过程的优化控制和优化运行的目的。据统计，其煅后焦的质量明显地得到提高；烧损率降低至7.4%（改造前平均11.3%）；提高了生产的稳定性，改善了一线操作人员工作环境和劳动强度，减少了资源消耗，提高了设备运转率。

参考文献
[1]Developing a Logix5000TM Projects Using RS Logix5000 Software. Rockwell Automation. 2001.1

[2] ControlNetTM Networks Procedures Guide for Use with RSNetWorxTM for ControlNet Software, Rockwell Automation. 2001.3

[3]ControlNetTM Networks Documentation Reference Guide. Rockwell Automation. 1998.5

[4]Developing Integrated RSView32TM Projects Using RSView32 Software. Rockwell Automation. 1998.6

[5] RSNetWorxTM Procedures Guide for DeciveNetTM Software, Rockwell Automation. 2000.3

[6]石油焦煅烧回转窑设计手册与操作使用说明书，沈阳有色铝镁冶金设计院 1987.6

作者简介

韩敏（1967.10-）男，高工；先后在电解和炭素从事多年设备技术管理和维修工作；现从事设备状态检测和技改工作。