礦漿預(yù)熱器串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對鎳鈷濕法冶金高壓酸浸礦漿的預(yù)熱生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜機(jī)理以及參數(shù)波動頻繁情況，提出了一種基于串級-前饋控制的理論，在傳統(tǒng)的PID的閉環(huán)回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了前饋補(bǔ)償。設(shè)計(jì)了信息管理和過程控制兩層結(jié)構(gòu)組成的高壓酸浸生產(chǎn)過程綜合自動化系統(tǒng)，通過對三級預(yù)熱給料泵的前饋-串級控制策略的現(xiàn)場調(diào)試、運(yùn)行。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制方案較好的克服二次干擾效果顯著，穩(wěn)定了預(yù)熱器的液位波動，從而達(dá)到間接控制高壓釜生產(chǎn)效率，使系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步的改善。

關(guān)鍵詞：前饋補(bǔ)償；串級控制；高壓酸浸；礦漿預(yù)熱

引言

高壓酸浸是鎳鈷濕法冶金工藝中的核心技術(shù)，而礦漿預(yù)熱是高壓酸浸生產(chǎn)工藝中進(jìn)入高壓釜前對礦漿處理的基礎(chǔ)及重要組成部分，礦漿預(yù)熱過程的安全、穩(wěn)定控制是保證高壓酸浸生產(chǎn)過程工藝參數(shù)穩(wěn)定以及后續(xù)浸出產(chǎn)品質(zhì)量與效率的重要因素。[1]

文章通過對礦漿預(yù)熱過程中的擾動變量的研究，針對閃蒸槽蒸汽壓力變量具有波動大、預(yù)熱器給料泵流量相應(yīng)速度快和預(yù)熱器液位變量滯后大等特點(diǎn)，提出一種前饋補(bǔ)償?shù)腜ID串級控制策略對預(yù)熱器的液位進(jìn)行控制，并實(shí)際應(yīng)用在現(xiàn)場環(huán)境中，運(yùn)行正常、可靠。

1 礦漿預(yù)熱工藝描述

礦漿由低溫預(yù)熱器給料泵的驅(qū)動下從低溫預(yù)熱器頂部沖入，從后續(xù)工藝低壓閃蒸槽返回的蒸汽從低溫預(yù)熱器底部進(jìn)入，經(jīng)過內(nèi)部熱交換隔板的實(shí)現(xiàn)上下對流，完成第一次預(yù)熱，使礦漿達(dá)到指定溫度。在熱交換過程中，礦漿順熱交換隔板與蒸汽充分接觸，吸收熱量使溫度升高，而蒸汽由于溫度降低，壓力減少，部分蒸汽冷凝為液體，使預(yù)熱器的液位增加。預(yù)熱后的蒸汽，沿著預(yù)熱器頂部出口管道進(jìn)入到排氣緩沖器，再接受洗滌、冷凝、再利用等處理。[2]依次通過低、中、高三級礦漿預(yù)熱，使礦漿溫度達(dá)到230～270℃，壓力達(dá)到4～5MPa的高溫高壓條件，滿足生產(chǎn)工藝生產(chǎn)需要。

2 礦漿預(yù)熱控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用于某大型冶煉企業(yè)，集成生產(chǎn)信息管理、監(jiān)視與操作和流程控制的DCS系統(tǒng)。采用Honeywell公司EPKS系統(tǒng)完成整個礦漿預(yù)熱計(jì)算機(jī)控制。選配2臺服務(wù)器（冗余配置），2臺操作員站，2臺工程師站和4臺C300控制器（冗余配置）等。日常運(yùn)行中，操作員通過操作員站完成礦漿預(yù)熱的監(jiān)控，工程師或者其他管理者通過服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)的管理、設(shè)置、備份及控制程序的下裝、激活、修改等系統(tǒng)管理功能。

2.2 控制回路設(shè)計(jì)

預(yù)熱器液位受多種因素干擾，其過程參數(shù)多為動態(tài)變化。為保證預(yù)熱器升溫過程中液位的穩(wěn)定，同時為更好的仰制各種因素的干擾，本設(shè)計(jì)采用前饋-串級控制結(jié)構(gòu)，保證礦漿預(yù)熱過程的順利進(jìn)行。如圖1所示。

圖1 預(yù)熱器串級-前饋控制回路設(shè)計(jì)原理圖

控制回路分為液位PID控制器、流量反饋控制器和前饋補(bǔ)償控制器。預(yù)熱器液位控制作為外環(huán)，以預(yù)熱器核液位計(jì)檢測值作為反饋值，采用反饋PID控制器模塊，實(shí)時計(jì)算使得預(yù)熱器液位保持核定的流量設(shè)定值；預(yù)熱器流量控制作為內(nèi)環(huán)，根據(jù)外環(huán)計(jì)算的流量設(shè)定值和實(shí)際進(jìn)口礦漿流量檢測值進(jìn)行比較，以偏差作為輸入信號，利用流量PID控制器模塊，通過改變預(yù)熱器給料泵的頻率值，從而改變預(yù)熱器進(jìn)料量，能夠有效的克服礦漿流量的波動，使得預(yù)熱器液位保持在設(shè)定值區(qū)間內(nèi)。同時采用前饋補(bǔ)償控制器對預(yù)熱器進(jìn)口流量的設(shè)定值進(jìn)行前饋補(bǔ)償，以達(dá)到穩(wěn)定預(yù)熱器液位的目的。[3] [4]

3 系統(tǒng)調(diào)試

現(xiàn)場通過手動模式設(shè)定預(yù)熱器給料泵的初始啟動頻率，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要和預(yù)熱器給料泵的實(shí)際情況，啟動預(yù)熱器給料泵，逐漸改變泵的輸出頻率，在出口流量達(dá)到目標(biāo)值后，把流量控制回路投入自動模式。通過逐漸改變流量設(shè)定值，在實(shí)際液位達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定后，副環(huán)流量環(huán)投入自動控制狀態(tài)，主環(huán)投入串級-前饋運(yùn)行。分別設(shè)置比例增益（P）、積分時間（I）、微分時間（D），保持液位穩(wěn)定在一定區(qū)間后調(diào)整前饋系數(shù)，并在實(shí)時趨勢窗口觀察預(yù)熱器液位、流量、蒸汽壓力等曲線，反復(fù)調(diào)整幾個參數(shù)，直到得到滿意的控制曲線。

從兩個趨勢圖中可以看出，采用串級-前饋回路控制系統(tǒng)投入后，雖然受到進(jìn)料的影響，對三級預(yù)熱器的液位產(chǎn)生一定的影響，但是液位波動基本在設(shè)定液位±2%范圍內(nèi)變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于預(yù)熱器在單回路控制時液位受到干擾量的波動范圍，能夠很好的滿足高壓酸浸工藝的需要。如圖2所示。

圖2 預(yù)熱器控制回路運(yùn)行趨勢圖

4 結(jié)束語

文章針對礦漿預(yù)熱器過程內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，且干擾變量動態(tài)變化的情況，提出一種基于前饋補(bǔ)償?shù)念A(yù)熱器液位串級控制系統(tǒng)，同時引入前饋控制克服蒸汽壓力和溫度不可控?cái)_動參數(shù)對系統(tǒng)的干擾。串級-前饋回路控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)在質(zhì)量指標(biāo)上進(jìn)行比較，預(yù)熱器液位變化范圍大大縮小，液位變化受蒸汽壓力波動的影響較小，整個礦漿預(yù)熱的自動調(diào)節(jié)過程，基本達(dá)到物料、能量平衡，確保了高壓酸浸產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭興華.鎳的高壓濕法冶金[J].世界有色金屬，2002，1：25-26.

[2]時新江，劉孝章，李婷，等.原礦漿預(yù)熱器的焊接工藝[J].焊接，2005，3：28-30.

[3]任彥碩.自動控制系統(tǒng)[M].2007，238-245.

[4]于航，李鳳霞.OPC技術(shù)在HONEYWELL平臺的應(yīng)用[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2010.