基于模糊PID的揮發(fā)窯窯尾溫度控制系統(tǒng)

〔摘 要〕窯尾溫度是揮發(fā)窯浸出渣處理過程的一個(gè)重要控制指標(biāo)，加料量的多少對(duì)揮發(fā)窯溫度控制影響很大。目前揮發(fā)窯加料主要采用人工加料操作，無法實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制，導(dǎo)致溫度的窯尾溫度波動(dòng)大。為此，設(shè)計(jì)1套基于模糊PID算法的自動(dòng)溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)，介紹和分析了該系統(tǒng)構(gòu)建及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。某廠采用該系統(tǒng)后，運(yùn)行效果良好，窯尾溫度較穩(wěn)定，溫度變化幅度明顯減小。

〔關(guān)鍵詞〕氧化鋅揮發(fā)窯；溫度控制；模糊PID

中圖分類號(hào)：TP273" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-0036-04

Fuzzy PID-based Temperature Control System for Volatile Kiln Tail

ZENG Mingfu

（Hunan Zhuye Nonferrous Metals Co.， Ltd.， Hengyang， Hunan 421001， China）

Abstract" The kiln tail temperature is an important control indicator in the treatment of volatile kiln leaching residue. The feeding quantity has a significant impact on the temperature control of the volatile kiln， which is mainly achieved manually at present， resulting in large temperature fluctuations in the kiln tail. A set of automatic temperature stability control system based on fuzzy PID algorithm was designed to address this issue. The paper introduces the system construction and on-site application of the automatic temperature control system. The system has achieved remarkable effect in online operation， and the fluctuation of kiln tail temperature has been significantly reduced， verifying that the designed fuzzy PID algorithm has a better control effect.

Keywords" zinc oxide volatile kiln; temperature control; fuzzy PID

0" "引言

濕法煉鋅工藝由于生產(chǎn)規(guī)模大、能耗低、環(huán)境友好、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。目前，采用濕法煉鋅工藝的鋅產(chǎn)量占世界鋅冶煉總量的80%以上，該工藝已成為鋅冶煉的發(fā)展方向[1-2]。然而，該工藝的浸出工序產(chǎn)生的大量浸出渣中含有重金屬、有機(jī)物、無機(jī)鹽等有害物質(zhì)，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)冶煉廠周圍土壤、水體和空氣造成嚴(yán)重污染。因此，綜合利用浸出渣是當(dāng)前濕法煉鋅企業(yè)減少環(huán)境污染、有效回收有價(jià)金屬元素及資源的重要研究課題[3]。

揮發(fā)窯作為處理鋅浸出渣的成熟工藝[4]，其主要工藝原理為：將浸出渣和焦炭混合后從揮發(fā)窯尾部加入，依次經(jīng)過預(yù)熱、還原反應(yīng)和冷卻，使浸出渣中的有價(jià)金屬揮發(fā)后再氧化變成煙灰，從而得到回收。在這一過程中，揮發(fā)窯窯尾溫度能反映出窯內(nèi)的反應(yīng)氣氛，是揮發(fā)窯操作、控制的關(guān)鍵指標(biāo)。窯尾溫度波動(dòng)大，直接影響有價(jià)金屬的回收率和揮發(fā)窯的能耗。然而，由于揮發(fā)窯生產(chǎn)過程具有機(jī)理復(fù)雜、多變量、強(qiáng)耦合、大慣性和非線性等特點(diǎn)[5]，人工操作難以實(shí)現(xiàn)窯尾溫度的穩(wěn)定控制。為此，技術(shù)人員針對(duì)揮發(fā)窯窯尾溫度穩(wěn)定控制問題進(jìn)行了大量的研究。王思宇等[6]為實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性和時(shí)變系統(tǒng)更精準(zhǔn)地建模和控制，適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和參數(shù)變化，建立了分?jǐn)?shù)階微積分原理系統(tǒng)的擴(kuò)展非最小狀態(tài)空間模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)原油穩(wěn)定加熱爐溫度控制，提高控制器的動(dòng)態(tài)性能，解決了給定值跟蹤和擾動(dòng)抑制問題。孟錦濤等[7]為解決塑料擠出機(jī)溫度系統(tǒng)存在滯后性、高超調(diào)量和抗干擾能力低等問題，提出了基于遺傳算法優(yōu)化的模糊PID塑料擠出機(jī)溫度控制策略。黨麗[8] 為高效安全地提取金屬合金內(nèi)的可用材質(zhì)并分析其性能，利用變論域模糊PID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱處理過程的溫度控制，提高了控制效果，縮短了溫度控制時(shí)間。殷齊森[9]為了提高溫度控制系統(tǒng)升降溫速率，改善溫控系統(tǒng)的性能，提出了使用粒子群算法優(yōu)化模糊PID控制參數(shù)初始值來提高模糊PID算法性能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)。上述相關(guān)研究為揮發(fā)窯窯尾溫度的自動(dòng)穩(wěn)定控制方法設(shè)計(jì)，提供了很好的借鑒。

本文在總結(jié)揮發(fā)窯操作特點(diǎn)以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步減小窯尾溫度的波動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了1套基于模糊PID算法的溫度自動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，基于溫度和溫度變化率實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)整混合料的加料量，通過圓盤給料機(jī)頻率的改變，自動(dòng)添加浸出渣和焦炭混合料，保證窯尾溫度的自動(dòng)穩(wěn)定。

1" "揮發(fā)窯處理鋅浸出渣的工藝機(jī)理

揮發(fā)窯以鋅浸出后的浸出渣為原料，與焦炭進(jìn)行混合后送至揮發(fā)窯，焦炭與氧氣反應(yīng)形成一氧化碳，在1 100～1 300 ℃的高溫下，將浸出渣中的鋅、鉛、銀、銦、鍺等有價(jià)金屬 （主要呈氧化物狀態(tài)，部分呈硫化物狀態(tài)存在）還原為金屬單質(zhì)進(jìn)入到煙氣中，在煙氣中被再次氧化成氧化物后進(jìn)入到收塵系統(tǒng)，煙氣中的有價(jià)金屬被收集后形成氧化物煙塵，通過收塵回收，同時(shí)尾氣經(jīng)脫硫達(dá)標(biāo)后，排放到大氣中。在揮發(fā)窯內(nèi)發(fā)生大量的氧化還原反應(yīng)，其主要反應(yīng)如下。

料層內(nèi)：

" " " " C + O2=CO2 ；

" " " CO2 + C=2CO；

" " ZnO + CO=Zn↑+CO2 ；

" " " ZnO + C=Zn↑+ CO；

" Fe2O3 + CO=2FeO + CO2；

FeO + CO=Fe + CO2；

" " "ZnO + Fe=Zn↑+ FeO；

料層上空：

2Zn（氣）+ O2=2ZnO；

" "2CO + O2=2CO2 。

揮發(fā)窯主要以回收浸出渣中的有價(jià)鋅為目的，但鋅的熔點(diǎn)為419 ℃，沸點(diǎn)為907 ℃。而氧化鋅的熔點(diǎn)為1 975 ℃，沸點(diǎn)為2 360 ℃，所以需要將混合料中的氧化鋅還原成單質(zhì)鋅。在揮發(fā)窯內(nèi)，混合料中的碳首先在窯內(nèi)進(jìn)行與氧氣和二氧化碳反應(yīng)生成具有還原性的一氧化碳，并將混合料中氧化鋅還原成金屬單質(zhì)并揮發(fā)到煙氣中，隨煙氣離開揮發(fā)窯，達(dá)到回收的目的。

揮發(fā)窯筒體內(nèi)徑4.5 m，長68 m，斜度為5%。含水量在18%以下的浸出渣與焦粉混合后，經(jīng)圓盤給料機(jī)從窯尾進(jìn)入揮發(fā)窯。由于窯體與地面呈現(xiàn)一定的角度，反應(yīng)原料隨著窯體回轉(zhuǎn)，不停地向窯頭移動(dòng)，依次經(jīng)過預(yù)熱段、反應(yīng)段和冷卻段后，并在強(qiáng)制鼓風(fēng)下，原料中的鋅、鉛、銦等元素被還原成單質(zhì)后，又被氧化，最后通過收塵系統(tǒng)回收。

揮發(fā)窯系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1" 揮發(fā)窯系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)

2" "窯內(nèi)溫度檢測(cè)、控制現(xiàn)狀

2.1" 窯內(nèi)溫度的影響分析

窯內(nèi)溫度越高，金屬氧化物的還原速度越快，回收率越高。但溫度過高，會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)窯的能耗高，爐內(nèi)反應(yīng)劇烈，窯襯壽命因腐蝕加劇而縮短，還可能造成爐料熔化，降低金屬回收率；溫度過低，會(huì)使得混合料無法發(fā)生完全反應(yīng)，降低金屬回收率。

2.2" 窯內(nèi)溫度檢測(cè)、控制現(xiàn)狀及需求

由于揮發(fā)窯的回轉(zhuǎn)特性，窯內(nèi)溫度的檢測(cè)布置在窯尾位置。窯尾溫度因?yàn)槟軌蜓杆俜从掣G內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)和窯內(nèi)反應(yīng)氛圍，因此通常作為浸出渣揮發(fā)窯的主要操控指標(biāo)。由于揮發(fā)窯這一典型非線性、大滯后的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，過程機(jī)理復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于模型的控制方法難以取得理想的控制效果。目前，現(xiàn)場(chǎng)主要采用人工操作，操作工根據(jù)窯尾溫度及變化趨勢(shì)，調(diào)整加料量，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。由于混合料中浸出渣和焦炭比例難以準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致窯尾溫度變化波動(dòng)大、工藝性能不穩(wěn)定。為此，基于窯尾的檢測(cè)溫度，開發(fā)１套窯尾溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)控制算法計(jì)算、調(diào)整加料量，實(shí)現(xiàn)窯尾溫度的自動(dòng)控制，減小揮發(fā)窯窯尾溫度的波動(dòng)。

3" "基于模糊PID的溫度穩(wěn)定控制算法

3.1" 概述

傳統(tǒng)PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單且易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在工業(yè)過程參數(shù)自動(dòng)穩(wěn)定控制上獲得了廣泛的應(yīng)用，但在非線性、時(shí)變系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)參數(shù)難以調(diào)整、超調(diào)量大等問題。模糊PID控制器是一種基于模糊控制理論的PID參數(shù)自調(diào)整方法，可以根據(jù)系統(tǒng)的誤差、誤差變化率，使用模糊推理來計(jì)算控制器PID參數(shù)的調(diào)整量。實(shí)際上，模糊PID控制即是在PID控制器上添加了1個(gè)模糊控制單元，通過該模糊控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)整[10]，具體的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2" 模糊 PID 控制系統(tǒng)

3.2" 控制原理

本文采用經(jīng)典的二維模糊控制器，把窯尾溫度誤差e和誤差的變化率ec＝de/dt作為輸入量，通過模糊化、模糊推理和清晰化處理后，用？駐KP、？駐KI和？駐KD3個(gè)參數(shù)作為輸出量，實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)。首先對(duì)窯尾溫度偏差e、偏差變化率ec 以及控制器參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，語言值對(duì)應(yīng)劃分為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，隸屬度函數(shù)選取三角形隸屬度函數(shù)。模糊推理是模糊控制的重要組成部分，是根據(jù)揮發(fā)窯溫度控制的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的一種語言控制規(guī)則[11]。3個(gè)參數(shù)的在線修正與整定的模糊規(guī)則具體如表1所示。

在獲取e、ec的響應(yīng)語言值后，由規(guī)則表以及Mamdani模糊推理算法等求取輸出量的精確值，得出？駐KP、？駐KI和？駐KD3個(gè)模糊參數(shù)修正值。最終參數(shù)KP、KI、KD設(shè)定公式為：

KP=KP'+？駐KP；

KI=KI'+？駐KI；

KD=KD'+？駐KD。

式中：KP'、KI'和KD'為比例系數(shù)初始值、積分系數(shù)初始值和微分系數(shù)初始值，而？駐KP、？駐KI和？駐KD為通過模糊推理處理后的比例系數(shù)調(diào)整值、積分系數(shù)調(diào)整值和微分系數(shù)調(diào)整值。

4" "自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

4.1" 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

系統(tǒng)采用典型的上位機(jī)/下位機(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)通過局域網(wǎng)與DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，獲取揮發(fā)窯窯尾溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，將模糊PID運(yùn)算結(jié)果，也就是圓盤給料機(jī)的頻率，通過網(wǎng)絡(luò)下傳給現(xiàn)場(chǎng)圓盤給料機(jī)的變頻器，實(shí)現(xiàn)混合料添加量的自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。上位機(jī)為了可靠、有效地獲取DCS控制系統(tǒng)采集的過程數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，開發(fā)的應(yīng)用軟件采用OPC（OLE for Process Control）技術(shù)，直接從DCS中的OPC服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

4.2" 工業(yè)應(yīng)用及效果分析

將該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試并投入運(yùn)行，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)的效果，采用平均誤差em指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。em用以衡量整體的控制性能，其計(jì)算公式為：

em=■ 。

式中：yi和y■分別為過程的實(shí)際值和設(shè)定值，n為過程中采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

系統(tǒng)上線運(yùn)行測(cè)試的結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，平均誤差由人工控制時(shí)的48.10 ℃降至17.18 ℃，溫度波動(dòng)顯著減小?？梢姡：齈ID控制方法可以保證溫度的穩(wěn)定。該系統(tǒng)投入實(shí)踐運(yùn)行后，其自動(dòng)操作的溫度波動(dòng)情況，如圖5所示。

圖5" 自動(dòng)操作的溫度波動(dòng)情況

由圖５可知，模糊PID 能顯著降低溫度控制的誤差，提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，為降低揮發(fā)窯的焦耗和提高金屬回收率創(chuàng)造了條件。

5" "結(jié)論

揮發(fā)窯窯尾溫度穩(wěn)定是揮發(fā)窯操控的一個(gè)關(guān)鍵考核指標(biāo)，窯尾溫度控制效果的好壞影響著有價(jià)金屬的回收率和揮發(fā)窯的能耗。本文針對(duì)揮發(fā)窯處理過程控制窯尾溫度波動(dòng)大的問題，設(shè)計(jì)了1套結(jié)合模糊控制和PID算法的窯尾溫度自動(dòng)控制器，實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)整加料量的大小，并自動(dòng)給料控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了窯尾溫度的自動(dòng)穩(wěn)定控制。實(shí)踐表明，實(shí)際模糊PID 控制器能有效降低窯尾溫度的波動(dòng)，為揮發(fā)窯降低焦耗和提高金屬回收率創(chuàng)造了條件。

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收稿日期：2023-12-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：61860206014）

作者簡介：曾明福（1980—），男，工程師，主要從事有色金屬冶煉過程的自動(dòng)化技術(shù)研究。