锌钡白煅烧回转窑多回路控制分析

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1、精品论文大全锌钡白煅烧回转窑多回路控制分析*莫鸿强，杜启亮，李向阳，李琦，伍建平, 毛宗源（华南理工大学，自动化科学与工程学院，广东省广州市，510641）(通讯作者：莫鸿强，电子邮件：hqiangmo)摘 要：尽管缺乏传感器和精确模型，合理的工艺流程和控制系统结构以及工人丰富的经验仍能使得回转窑过程 完全能由人工操作稳定运行。本文针对锌钡白煅烧过程，分析煅烧温度和窑炉转速的历史数据分布，结果表明人 工操作隐含的依据为稳定煅烧温度，从而说明了以此为目标的多回路控制能有效解决消色力指标无法在线测量的 问题。文章最后给出了自动控制的效果，并通过对比控制前后信号幅频特性，说明多回路控制对煅烧温度、窑

2、头 温度等关键变量的控制效果接近或优于人工操作。 关键词：锌钡白煅烧，回转窑控制，多回路控制，频谱分析，数据拟合中图分类号：TP273文献标识码：AOn the Multi-Loop Control System of the LithoponeCalcinations Rotary Kiln ProcessMO Hong-qiang, DU Qi-liang, LI Xiang-yang, LI Qi, WU Jian-pin,g, MAO Zong-yuan（College of Automation Science and Engineering, South China Univers

3、ity of Technology, Guangzhou, 510641, PRC.）(Corresponding author: MO Hong-qiang, E-mail: hqiangmo)Abstract： A calcinations rotary kiln process may operate smoothly without accurate models and enough sensors, due to proper technology and control strategy, and experiences of the operators. In this pap

4、er, the distributions of the history data are analyzed in terms of the relationship between calcinations temperature and rotation speed, which shows that the implicit control objective of manual operation is to stabilize the calcinations temperature. The results explain why the multiloop control sys

5、tem designed to meet the implicit objective can circumvent the lack of on-line sensor of achromatic-energy. Finally, the control results are presented and the specta of several vital measurable variables are analyzed, which shows that the performance of the multiloop control is equivelent to or bett

6、er than the manual operation.Key words：calcinations of lithopone, rotary kiln control, multiloop control, spectal analysis, datum fitting61 引言回转窑的机理模型通常为分布参数、大滞后的 非线性动力学过程1, 2，这类模型可以指导工艺流程 和控制系统的结构设计（如传感器和执行器的选型 和布置等），但因其复杂性难以为实际控制算法的设 计提供参考。在具备合适传感器的情况下，回转窑运行不需要复杂的控制算法也能满足要求。例如若能在线测量成品化学成分，实时调整进料配比

7、就能抑制原料 成分变化引起的扰动；即使无法在线测量产品质量， 也能通过窑内浆料流量、颗粒流量和有限几个特征 点的温度建立前馈控制模型实施有效控制3, 4。锌钡白生产利润低5, 6，我国企业考虑成本通 常不愿安装产品质量在线测量和物料流量等传感 器，因此无法直接借鉴国外先进控制技术和经验。尽管如此，锌钡白回转窑过程仍然能由人工控制稳*受教育部留学回国人员启动基金、广东省科技厅科技攻关项目（C10909）和广州市科技局工业攻关项目（2003Z3-D0091）资助。精品论文大全定运行，并不需要很多的传感器和复杂的控制算法。其中一个重要原因是合理的生产工艺流程和控制系 统结构使得回转窑的运行更加稳定且

8、易于控制。目 前国内锌钡白生产较先进的工艺采用三转炉工艺流 程，有助于稳定产品质量，降低劳动强度5, 6。在此 基础上，采用多回路控制稳定各关键变量可进一步 提高煅烧质量。刘咏平7、黄然婷8等人采用PID控 制稳定窑头温度，按窑炉转速正比调节进料电机转 速；同时采用基于化学反应速率的经验公式实现消 色力控制，以实现锌钡白回转窑过程的稳定运行， 取得了良好的控制效果。简单的控制算法和良好的 控制效果形成了鲜明对比，促使我们研究多回路控 制系统结构的合理性。刘咏平等7, 8基于化学反应速率和热传导等机 理分析推导其消色力控制的合理性，但是他们在推粉“烧”得不够，靠近红说明粉“烧”过头。颜色部分一般

9、要求在微蓝。 回转窑煅烧是保证锌钡白消色力的关键环节。某公司锌钡白煅烧回转窑结构如图 1 所示，整条转 窑长约 38 米，直径近 2.5 米，在一台变频调速的马 达带动下缓慢旋转。重油或油渣燃烧形成热空气从 窑头引到窑尾。物料由进料电机带动进料泵压入窑 尾，在重力作用下随窑炉转动逐渐往窑头部分移动， 与热空气进行热交换，经过干燥和煅烧后成为成品 从窑头的出料口排出。现场实时测量窑头温度、煅 烧温度、干燥温度、排风温度、窑炉转速和进料电 机的转速。其中，燃油流量的大小不可测量，但是 可以由阀门的开度调节。窑炉转速和进料电机的转 速都可测量，并且通过变频器控制。排风导中作了严格假设，例如需要假设窑

10、炉转速长时间不变，窑炉钢胆内温度稳定且平均分布等。此外他 们所采用的能量因子的合理性只能通过一小时才化验一次的离线消色力指标来判断，其实时可靠性不窑头 空气燃料成品出口煅烧段转窑炉体M转窑电机（变频调速）干燥段进料能保证。同时，其运算涉及指数运算，在计算能力 很弱的PLC上实现效率较低。我们发现，将算法简 化为比例控制效果依然良好。这种现象说明应该有 比机理分析更简单直接的方法讨论这种多回路控制 算法对回转窑过程的有效性。传感器不足时，操作员的经验就成为回转窑控 制的关键。其经验通过调整可控变量实施，而变量 变化特点和相互间的耦合关系总会通过数据反映出 来。基于数据而不是机理分析人工操作的经验

11、和依 据，进而讨论多回路控制方式的合理性不失为一种 可行方法。本文将从历史数据分布得到人工操作隐 含的依据，并对比控制前后变量的频谱特性以说明 多回路控制稳定锌钡白煅烧回转窑运行的合理性。2 锌钡白煅烧回转窑简介锌钡白（俗称立德粉）是一种化工颜料。其质 量主要通过消色力衡量，如 105 微蓝、99 微红等。 数字部分越高越好，100 以上为合格产品。颜色分 为蓝、微蓝、微红、红、红黑等几种。靠近蓝说明图 1 锌钡白转窑结构剖面示意图Fig.1 Section plane of the lithopone rotary kiln3 人工操作依据及其自动化实现在锌钡白三转炉工艺的煅烧段中，比较易行

12、的 控制方案是尽量稳定窑头温度以提供恒定的热能， 并防止物料堆积或过薄，在此基础上重点稳定产品 质量。经验丰富的工人每十分钟左右在出料口取样 一次，肉眼观察样品以判断粉“欠烧”或“过烧”， 然后相应调节窑炉转速、燃料和物料进给量，以减 小消色力的波动。但将该过程自动化存在很大困难， 因为产品质量指标只能每小时离线化验一次，不能 作为实时控制的依据，因此无法直接借鉴人工控制 的成功经验；而只能根据有限的可测量变量，从历 史数据中间接得到工人调节窑炉转速的依据。文献7、8针对干煅回转窑，采用近邻分析法 和多因子分析法分析了各可测变量对产品消色力的 影响，并采用偏最小二乘法建立了消色力的线性回 归模

13、型7-10：煅烧温度（）X = 0.028Tyt + 1.010Tds 1.276 ds 0.024Tgz670660+0.105 gz 0.046F（1）650其中， X 、Tyt 、Tds 、 ds 、Tgz 和 gz 分别为标准化处理后的消色力、窑头温度、煅烧温度、煅烧段 转速、干燥温度、干燥段转速，F 为进料量估计值。 式（1）表明，煅烧温度和窑炉转速是影响消色力的 主要因素。虽然其模型采用的消色力不是实时值， 因而所建立的模型并不完全可靠，但它表明有可能 能围绕煅烧温度和窑炉转速之间的关系，从历史数 据中寻找人工操作的经验。线性回归等数据分析方法对数据的噪声比较敏 感，在拟合关系前应

14、尽可能减小噪声。窑炉转速由 变频器输出提供，噪声较小。煅烧温度由插在窑体 煅烧段上的热电偶测量。如图 2 所示，窑炉转动时， 物料和热电偶的接触程度将周期性变化，导致测量值周期性波动，幅度有时达到±8。根据煅烧温度6406300100200 300 400500 600时间（s）图 3 滤波前后煅烧温度变化曲线Fig.3 Calcinations temperature before and after filtering定 为自变量，T 为因变量分析不同粉种在各段 时间的历史数据，以突出数据中隐含的规律性。图4 给出了不同粉种在不同时段下，2 天内T 随 变 化的分布图（采样周期为

15、 1 分钟）。数据分析结果表 明，所有时间段内，两者关系均符合图 4 所示的曲 线形状。说明两者关系具有对时间和粉种的不变性。为拟合这些曲线，我们尝试了多种可能的函数 形式，最终选定双曲线函数。图 5 给出了用函数信号的频谱特点，我们采用移动平均滤波对测量值T = b1 （ b1 = 671.86 ）拟合某时段数据的结进行滤波12。为使物料充分煅烧，工艺设计上一般都会保证物料煅烧时间远大于窑炉的转动周期。因 此，有效信号远离窑炉转动频率，滤波引起的信号 衰减和相移都很小，可以忽略。图 3 给出了某时段 的滤波结果，其中波动较大者为滤波前采样信号， 变化较缓者为平均滤波后信号曲线。衬底和钢胆间空

16、 隙果，简单变换可得T = b1 。这种拟合并没有减小煅 烧温度数据分布的方差（依然是 9），但它说明了 人工控制隐含的主要目标就是稳定煅烧温度。各种不确定因素对窑炉运行的影响最终都将通过煅烧温 度的波动反映出来。而自动控制系统相应调节窑炉 转速以稳定煅烧温度，就能接近甚至优于人工控制 的效果。将控制目标从稳定消色力转换为稳定煅烧70温度，这样就解决了消色力无法在线测量的困难。衬底（耐火 砖）物料T （/Hz）钢胆 60热电偶5040图 2 热电偶和物料接触程度示意图Fig.2 Thermocouple periodically contacts the solid materials3020

17、 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28（Hz）T （/Hz）70尽管经过滤波和剔除异常值等预处理，煅烧温 度T 和窑炉转速（ 取变频器输出频率，此处T 、 与式 1 区别为两变量均未经标准化处理），仍然存 在较大方差，其均值分别为 670和 20Hz，标准差 分别为 9和 2Hz。由于方差大，图示法分析历史 数据很难得到明显规律。经反复尝试，我们最终选605040302010 12 14 16 18 20 22 24 26 28（Hz）a)粉种 A 不同时段煅烧温度和窑炉转速隐含关系a) Distributions of the history data of litho

18、pone A4555T （/Hz）50 分钟），窑炉转速变化较小，则该段时间内 c1 (k ) 、c2 (k ) 和 c3 (k ) 可近似为常数。取若干这样的时间段40中的历史数据对（2）进行辨识，得到的 c (k ) 、c (k )35 1 2302512 14 16 18 20 22 2426和 c3 (k )绝大部 分落 在0.86 < c1 (k ) < 0.92 ，（Hz）6560T （/Hz）55504540353025 8 10 12 14 16 18 20 2224（Hz）b)粉种 B 不同时段煅烧温度和窑炉转速隐含关系b) Distributions of th

19、e history data of lithopone B图 4 不同时段、不同粉种煅烧温度和窑炉转速隐含关系Fig.4 Distributions of history data of different lithopones in0.01 < c2 (k ) < 0.08 和 0.02 < c3 (k ) < 0.12 范围内。由c1 (k ) 的变化范围可推算出煅烧温度变化的时间常 数大致为 712 分钟，惯性较大，且窑头温度已用 PID 控制稳定，因此，完全可以通过比例或者 PID 控制调节窑炉转速，补偿各种不确定因素的影响，稳定煅烧温度。这种控制不需要精确测量

20、物料量和 含水量、受热性等特性，这些因素变化产生的影响 将表现为煅烧温度的变化，并通过调整窑炉转速得 到补偿。这样就解决了物料量和物料特性无法测量的问题。terms of the relationship between9080706050T t（/Hz）4030T / and 4 控制效果及其分析试运行期间，将系统切换到自动控制状态，工 人不直接调节窑炉转速，而是根据煅烧情况手动调 节控制器的比例参数和煅烧温度设定值，自动运行无法满足要求时再切换回手动控制状态。表 1 给出20 5 10 15 20 25 30（Hz）图 5 双曲线函数T = b1 拟合结果了 2004 年 6 月 11 日

21、 16: 20 至 2004 年 7 月 9 日 10:15 系统运行情况记录。结果表明，自动稳定运行时，Fig.5 Fitting history data withT = b1 参数通常可以维持 3 小时以上不变，且调整并不频繁。试运行期间工人首次使用该系统，自动运行时根据人工操作的依据，可以将回转窑分为窑头 温度、煅烧温度和进料电机转速三个回路进行控制， 分别稳定三个变量。根据回转窑热传递特性及离线 辨识的结果，煅烧温度的变化近似满足：T ( k ) = c1 ( k ) T ( k 1 ) + c 2 ( k ) T yt ( k 1 )间比例已达 80。工人熟悉系统后，自动控制时间

22、占总运行时间的比例达到 90以上。试运行期间能 耗较高的微红粉和红粉所占比例非常小（分别为0.71和 0.09），也反映出控制有利于减小能耗。表 1 验证过程中运行情况记录+ c 3( k ) Tyt ( k )(2)Table 1 Records of the performance of the system during test运行方式持续时间粉种颜色自动运行占总时间小于 1，连续自动运行时间小于 20 分钟， 属过渡过程。蓝/偏蓝/微红/红自动运行占总时间约 80，参数不调整连续自动运行通常大 于 3 小时，属稳定运行。微蓝（合格）手动运行占总时间 1920。蓝/偏蓝/微红/红其中，

23、T (k ) 和 T (k 1) 分别为第 k 和 k 1 时刻的煅 烧温度， Tyt (k ) 和 Tyt (k 1) 分别为第 k 和 k 1 时刻 的窑头温度。c1 (k ) 、c2 (k ) 和 c3 (k ) 决定于窑炉转速、 物料厚薄和物料特性（如受热性等），窑炉转速越大，物料越厚，则 c1 (k ) 、c2 (k ) 和 c3 (k ) 越小；反之越大。 由于按窑炉转速正比调整进料电机转速，基本能保证物料厚薄均匀。对同一粉种，若短时间内（如 10精品论文大全图 6 和 7 分别给出了手动、自动控制下，窑头 温度和某粉种煅烧温度在 5 小时内变化的曲线。由 图 6 可知自动控制时窑

24、头温度远较手动控制时稳 定。比较图 7a 和 b，煅烧温度波动分化为大幅度长 周期波动和小幅度快速波动两种。后者由一些不可 测的快速扰动引起，其影响通常能由反馈控制克服； 前者的主要原因则在于稳定消色力毕竟不完全等同 于稳定煅烧温度，工人会根据实际煅烧情况小范围 改变煅烧温度设定值，必要时调整比例参数，不过 这种改变和调整并不频繁，一般半小时以上一次。1220120011801160窑头温度（）1140段平均值之差。手动操作下煅烧温度的幅频特性（图9a）表明，其有效成分落在 0.004Hz 以下（约 4 分 钟以上），其余如胆前温度和窑尾温度等也有类似特 性，限于篇幅不给出。该频段正处于工人能

25、较从容 处理的时间尺度范围，因而这些变量过程容易实现 手动操作，且较容易通过长时间的观察和实践积累 经验。其主要原因在于三转炉工艺将复杂的生产过 程分解为相对独立的工序，大大简化了生产管理和 操作。而在关键的干燥煅烧工序，钢胆（见图 1） 使得煅烧段温度分布更均匀，煅烧过程更平稳。窑头温度为快变化过程，人工稳定困难。由图8 可知，引入反馈控制，可以极大地改善其特性， 低频波动几乎完全消除，缺点是反馈使系统变得敏窑头温度（）122012001180050100150200250300时间（min）a. 手动控制下窑头温度变化（manual operation）感。自动控制时 0.0050.008

26、Hz 附近幅值较手动操作时大，一方面说明系统快速性提高，工人能专注 于根据煅烧情况调整窑头温度设定值；另一方面说 明当参数设置不合理时系统的稳定性有可能降低。11601140050100150200 250300时间（min）800幅值600b. 自动控制下窑头温度变化（automatic control）400图 6 手、自动控制窑头温度变化比较Fig.6 Head-end temperature under manual and automatic control煅烧温度（）67066065064020008000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01频率a. 手动操作

27、（Manual Operation）630050100150200250300时间（min）a. 手动控制下煅烧温度变化（manual operation）600幅值400煅烧温度（）670660200650640630050100150200250300时间（min）00 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01频率b. 自动控制（Automatic Control）b. 自动控制下煅烧温度变化（automatic control）图 8 手、自动控制窑头温度幅频特性图 7 手、自动控制煅烧温度变化比较Fig.7 Calcinations temperature under

28、manual and automatic control图 8、9 分别给出了控制前后窑头温度和煅烧温 度的幅频特性。因不同时段窑头和煅烧温度设定值 不一样，为保证一致性，所取数值为测量值与该时Fig.8 Magnitude response of the head-end temperature under manual and automatic control煅烧温度控制也得到类似效果。对比图 9a 和 b 易知，自动控制削弱了 0.001Hz 以下的波动，放大 了 0.0020.004Hz 附近的波动，表明系统快速性提 高，但由此出现周期为 48 分钟的波动。为保证数精品论文大全据真实

29、性，此处频谱分析没有对数据做移动平均滤波，因此图 9a、b 中在 0.008Hz（对应于窑炉转动 周期约 2 分钟）附近都会出现一峰值，为窑炉转动 引起的测量噪声。700600500幅值40030020010000 0.002 0.004 0.006 0.0080.01频率a. 手动操作（Manual Operation）艺的基础上，借鉴人工操作的经验，以稳定煅烧温度为目标引入多回路控制就能取得满意效果。但图 9 也表明，自动控制只能在一定程度上减 小而无法完全消除煅烧温度的低频波动，说明以人 工操作的经验为设计依据毕竟存在局限。控制效果 的进一步提高有赖于确定这些低频干扰的源头，引 入合适的

30、传感器和前馈控制。后续研究将重点分析 大时间尺度过程，尤其是管理不规范引起的 8 小时 以上的慢变化过程或大周期事件。这类过程变化缓 慢或随机性强，超出现场工人的经验感知能力，需 要合理利用已有的或甚至发展新的数据分析方法。700600500幅值40030020010000 0.002 0.004 0.006 0.0080.01频率b. 自动控制（Automatic Control）图 9 手、自动控制煅烧温度幅频特性参考文献 (References)1 K. Brown, L. Rastogi. Mathematical modeling and computer control of li

31、me kilns. Proceedings of the Tappi pulping conference, Atlanta, USA, 1983, 585-5922 D.B. Smith, L. Edwards. Dynamic mathematical model of a rotary lime kiln. Proceedings of the Tappi engineering conference, Atlanta, USA, 1991, 447-4553 M. Järvensvu, K. Saari, S.-L. Jämsä-Jounela. Inte

32、lligentcontrol system of industrial lime kiln process. ControlFig.9 Magnitude response of the calcinations temperatureunder manual and automatic control系统投运后，消色力从 2003 年年均的 106.3% 提高到 2005 年年均的 106.9%，氧化锌含量从 2003 年年均的 0.53%降低到 2005 年年均的 0.41%，从而 降低了锌耗、硫酸消耗。窑头温度的控制偏差可以 控制在±0.2%以内，节约了燃料油消耗。自动控制 系

33、统引入后，窑炉运行稳定，故障发生的可能性大 大降低，从而提高了过程的产量，年产销量由 2003 年的 58000 吨提高到 2005 年的 61000 吨。除此之 外，自动控制还降低了工人的劳动强度，煅烧工段 需要的操作人员由 4 人以上/班次减小到 2 人/班次。6 结论与后续研究锌钡白煅烧等以晶格变形为主，主要为物理变 化而非化学反应，所以煅烧温度和窑炉转速之间能 呈现明显的规律性。当消色力指标容许范围较宽时， 可将煅烧过程简化为线性过程处理。因而在先进工Engineering Practice, 2001, 9(6): 589-6064 M. Järvensvu, E. Juu

34、so, O. Ahava. Intelligent control of a rotary kiln fired with producer gas generated from biomass. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2001, 14(5):629-6535 中国涂料工业协会. 锌钡白生产企业情况的调查报告.中国涂料, 1989, 4: 4-106 蒋中逖，立德粉国内外情况综述，湖南化工，1990，3:22-267 刘咏平. 锌钡白干燥煅烧窑炉过程控制系统的研制. 华 南理大学硕士学位论文, 20028 黄然婷, 刘咏平, 毛宗源, 狄琤. 锌钡白生产转窑控制系 统的实现. 华南理工大学学报(自然科学版), 2003, 31(12):42-459 黄然婷. 锌钡白生产过程数据的处理与建模. 华南理大 学硕士学位论文, 200210 黄然婷, 刘咏平, 狄琤, 毛宗源. 锌钡白干煅窑炉过程 控制系统的研制()测量数据预处理技术. 华南理工大 学学报(自然科学版), 2002, 30(4): 52-5511 . 窑炉转动对温度测量的干扰及其抑制. 仪表技术与 传感器, 2005, (8): 48-50, 53