稀土焙燒回轉(zhuǎn)窯爐運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

盧帆興，戴 睿

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

稀土焙燒回轉(zhuǎn)窯爐運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

盧帆興，戴 睿

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

針對(duì)鈰組混合型稀土礦硫酸焙燒提取工藝所使用回轉(zhuǎn)窯的分段溫度控制精度要求高，且受硫酸用量、精礦粒度、重油燃燒室溫度等因素影響的特點(diǎn)，采用模糊PID控制并結(jié)合CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)出回轉(zhuǎn)窯爐溫控制系統(tǒng).工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，回轉(zhuǎn)窯各溫區(qū)溫度控制區(qū)間和穩(wěn)定性較未使用本系統(tǒng)前改善10%，礦物分解反應(yīng)速度和系統(tǒng)抗干擾能力得到提高.

稀土焙燒回轉(zhuǎn)窯;爐溫控制;模糊PID;CAN總線

鈰組混合型稀土礦由于含有常溫下難以用酸分解的稀土磷酸鹽，目前在工業(yè)中只能通過硫酸焙燒和氫氧化鈉溶液分解兩種工藝方法提取稀土［1］.較之后者前者有些優(yōu)勢(shì)，但兩種方法在環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)成本等方面都分別存在一定缺陷;因此，有效改造焙燒回轉(zhuǎn)爐窯，準(zhǔn)確控制爐窯各溫區(qū)溫度變化范圍、改善精礦分解條件、節(jié)約耗材、減小廢氣廢渣對(duì)環(huán)境的影響，是非常值得研究的重要課題.本文結(jié)合爐溫控制系統(tǒng)的非線性時(shí)變性和滯后性特點(diǎn)，在充分考慮燃燒重油與精礦及硫酸的進(jìn)給量、窯體高中低溫區(qū)溫度、尾氣廢渣排放的可測(cè)控性基礎(chǔ)上，利用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)出基于模糊PID的硫酸焙燒混合型稀土精礦回轉(zhuǎn)窯溫度控制系統(tǒng)［2］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程各重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析優(yōu)化，有效減輕了廢氣廢渣對(duì)環(huán)境的影響.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)通過CAN總線驅(qū)動(dòng)，整體包括上位機(jī)、CAN總線適配卡、4個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)、3個(gè)紅外掃描測(cè)溫儀［3］(CS200E)、2個(gè)氣體傳感器、多個(gè)繼電器、上位機(jī)等主要器件，系統(tǒng)整體構(gòu)成圖如圖1所示.上位機(jī)通過適配卡與CAN總線相連，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控管理.通過系統(tǒng)配置，將回轉(zhuǎn)窯高(600～800℃)、中(300～600℃)、低(150～300℃)溫度區(qū)溫控范圍設(shè)定值經(jīng)由CAN總線發(fā)送給相應(yīng)的智能節(jié)點(diǎn)，并且定時(shí)對(duì)各智能節(jié)點(diǎn)巡檢，監(jiān)控其是否工作正常.如果高溫區(qū)溫度異常，通過相應(yīng)智能節(jié)點(diǎn)和繼電器控制重油電磁閥的開啟度，若如果中、低溫區(qū)溫度異常，則由相應(yīng)智能節(jié)點(diǎn)和繼電器分別調(diào)節(jié)料斗的精礦或硫酸的進(jìn)給量.智能節(jié)點(diǎn)4定時(shí)監(jiān)測(cè)來自HF與SO2氣體傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，如有異常立即報(bào)警.上位機(jī)與CAN總線實(shí)行雙向通信，并完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采 集、控制及通信任務(wù).

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成圖Fig.1 Structure scheme for the system

2 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)構(gòu)成硬件部分主要包括CAN總線適配卡和CAN智能節(jié)點(diǎn)，兩者結(jié)構(gòu)基本相同，均由單片機(jī)P89LPC912、通信控制器SJA1000、總線驅(qū)動(dòng)器MCP2551和光電偶合器6N137等組成.其中的P89LPC912是一款單片封裝的16位微控制器，適合于要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求.該芯片采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期，且集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本;SJA1000是一種獨(dú)立、高集成度CAN控制器，具有總線訪問優(yōu)先權(quán)、成組與廣播報(bào)文功能及硬件濾波功能;總線驅(qū)動(dòng)器MCP2551是一款滿足ISO－11898標(biāo)準(zhǔn)、可容錯(cuò)的高速CAN收發(fā)器，SJA1000的TX0、RX0引腳通過高速光電偶6N137與MCP2551相連，有效實(shí)現(xiàn)了總線各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，增強(qiáng)了CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力.系統(tǒng)硬件構(gòu)成及其與焙燒窯監(jiān)控參數(shù)點(diǎn)的連接如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure scheme

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件

智能節(jié)點(diǎn)軟件主要包括3部分:CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收.初始化主要包括工作方式的設(shè)置、濾波方式接收、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器設(shè)置、通信速率參數(shù)設(shè)置以及中斷允許寄存器的設(shè)置等.在完成通信控制器SJA1000初始化設(shè)置以后，通信控制器便回到工作狀態(tài)，進(jìn)行正常的通信任務(wù).報(bào)文接收和發(fā)送程序框圖如圖3所示.

圖3 程序框圖Fig.3 System program diagram

3.2 模糊PID控制實(shí)現(xiàn)

鑒于模糊PID控制［4～6］較傳統(tǒng)PID具有適應(yīng)性強(qiáng)、上升時(shí)間tr較小、魯棒性好等特點(diǎn)，結(jié)合稀土礦焙燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度參數(shù)所固有的非線性大時(shí)滯且干擾因數(shù)多等因素，本系統(tǒng)采用如圖4所示Fuzzy－PID控制器，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)重油、精礦和硫酸的進(jìn)給量來控制稀土礦焙燒回轉(zhuǎn)窯高、中、低溫段的爐溫.經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析得出，回轉(zhuǎn)窯高、中、低溫區(qū)的最佳目標(biāo)溫度值分別為700、500和220℃.

圖4 Fuzzy－PID控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure scheme for the Fuzzy－PID controller

本系統(tǒng)選擇溫度誤差e及其誤差變化量ec為輸入，3個(gè)控制量分別為KP、KI、KD，由此得到稀土焙燒回轉(zhuǎn)窯溫度模糊PID控制器［7］結(jié)構(gòu)圖4.設(shè)定誤差e和誤差變化率 ec的模糊論域均為［－3，3］，KP的變化范圍為［－0.6，0.6］，KI的變化范圍為［－0.03，0.03］，KD的變化范圍為［－0.3，0.3］，量化等級(jí)分別為 NB(負(fù)大)、 NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等7級(jí)，通過分析總結(jié)得到的模糊控制規(guī)則庫(kù)［8］如表1所示.

表1 焙燒爐爐溫控制模糊規(guī)則表Table 1 Fuzzy rules of the temperature control for the roster

4 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

本控制系統(tǒng)是結(jié)合某稀土分離企業(yè)硫酸焙燒混合型稀土精礦回轉(zhuǎn)窯設(shè)備改造項(xiàng)目而開發(fā)的.在解決了于回轉(zhuǎn)窯體相應(yīng)部位安裝監(jiān)測(cè)元件及調(diào)節(jié)控制元件等技術(shù)難題后，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行需要解決的問題成功設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，并在焙燒回轉(zhuǎn)窯改造驗(yàn)收過程中一次性完成了相關(guān)測(cè)試.測(cè)試過程中，系統(tǒng)能較快進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯各溫度區(qū)合理的溫度區(qū)間穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的上升時(shí)間為11 min左右，低溫區(qū)的溫度220±40℃ ，中溫區(qū)溫度區(qū)間為500±20℃ ，高溫區(qū)溫度區(qū)間為700±30℃，由于CS200E均布置在各溫區(qū)的中間，故在系統(tǒng)測(cè)試中主要監(jiān)控中溫區(qū)熱電偶溫度的變化.該控制系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)調(diào)節(jié)重油、稀土精礦和硫酸的進(jìn)給量，中溫區(qū)的檢測(cè)溫度可以很好地穩(wěn)定在500±20℃范圍內(nèi)，溫度穩(wěn)定性較原系統(tǒng)提高10%，有效地克服了溫控系統(tǒng)非線性時(shí)變大滯后的影響，節(jié)約了耗材，提高了稀土精礦的分解率，減小了尾氣尾渣對(duì)環(huán)境的不良影響.刻意增調(diào)回轉(zhuǎn)窯各進(jìn)給量，系統(tǒng)通過尾氣監(jiān)測(cè)能有效實(shí)施報(bào)警.測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)和企業(yè)技術(shù)參數(shù)要求，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值.

圖5 模糊PID算法流程圖Fig.5 Fuzzy PID algorithm flow chart

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The monitoring system of operation parameter for the rare earth roasting rotary kiln

Lu Fanxing，Dai Rui
(Jiangxi University of Science＆Technology，Jiangxi Ganzhou 341000，China)

Aimed at the rotary kiln for extracting the cerium group rare earth ore with sulfuric acid，a temperature control system for the kiln was designed by using the fuzzy PID control and CAN bus technology.The pilot tests showed that the temperature control range and the stability are improved by 10%compared with one without the authors’system.The system anti－interference ability and the mineral decomposition rate are increased.

rare earth roasting rotary kiln;temperature control;fuzzy PID;CAN bus

TP 29

A

1671-6620(2014)01-0028-04

2013-07-12.

稀土對(duì)鋁硅的活化和鍵合作用機(jī)理及其在地聚合物中的應(yīng)用 (No.51264009).

盧帆興 (1965—)，男，江西理工大學(xué)副教授，E－mail:lfx_gz@126.com.