炭素回轉窯是煅燒石油焦的設備，煅燒石油焦是為了提高炭質原料的密度和機械強度,提高原料的導電性能和化學穩定性,為生產鋁電解用陽極提供合格的原材料。

在炭素回轉窯中，冷卻窯排料溫度是炭素回轉窯生產的一個非常重要的指標，但冷卻窯的排料冷卻過程是一個大慣性、純滯后、非線性、時變性和多干擾的生產過程，這就給控制設計人員提出了一個難題。目前炭素回轉窯的排料溫度均屬于手動操作，自動化程度低，沒有實現閉環控制，排料溫度波動范圍很大，嚴重影響煅后焦的質量，同時也加大了工人的勞動強度。

因此，本文是以國內某大型電解鋁廠炭素回轉窯控制技術改造為背景，結合現場工人操作經驗，采用串級PID控制算法進行控制器的設計，實現了冷卻窯的自動控制，并使得排料溫度控制在合理的溫度區間內，達到提高煅后焦質量的最終目標。

炭素回轉窯生產過程分析

炭素回轉窯分為煅燒窯和冷卻窯兩部分，即我們通常說的大窯和冷卻窯，石油焦經由大窯窯尾進料口進入大窯進行高溫煅燒，煅燒后的成品從窯頭進入冷卻窯進行冷卻，冷卻后的成品經皮帶運送到倉庫，再經過壓縮，成型，為鋁電解提供陽極原材料[2]。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 回轉窯結構示意圖

從大窯窯頭進入冷卻窯的料溫一般在800-1100℃之間，因此，我們必須在冷卻窯內進行煅后焦的冷卻，來達到正常生產的目的。冷卻窯的冷卻主要依靠冷卻窯直接冷卻水和間接冷卻水進行控制，但間接冷卻水量是固定的，因此，我們只有控制直接冷卻水來達到控制排料溫度的目的，而直接冷卻水流量是通過進水閥門開度進行控制的，因此我們只需要控制直接冷卻水閥門開度，即可達到排料溫度穩定的目的。

控制策略及實現

1、控制目標

正常生產時要求排料溫度控制在60±10℃，其原因為：

(1) 如果排料溫度過高，如經常在80℃以上，高溫排料將損壞煅后焦運輸皮帶，造成煅后皮帶更換次數增加，嚴重影響生產的正常進行，同時也有發生火災的危險，給現場安全生產帶來隱患；

(2) 如果溫度過低，則會造成濕料情況發生，導致排料進倉時發生堵料情況，需要工人人工淘出濕料，同樣影響正常生產。

因此，通過調節直接冷卻水流量，控制煅后焦溫度穩定在60±10℃，達到提高煅后焦質量和安全、高效生產的最終目標。

2、排料溫度的控制方案

冷卻窯的排料冷卻過程是一個大慣性、純滯后、非線性、時變性和多干擾的生產過程，煅后焦從進入冷卻窯到出料大約需要20分鐘，煅后焦溫度的測量在冷卻窯窯尾，而直接冷卻水冷卻高溫物料卻在冷卻窯窯頭，這樣就造成了排料溫度的測量和水流量調節控制之間的大滯后，從而給控制帶來了難度。

圖2是現場采集的蒸汽溫度和排料溫度曲線,反映了兩者之間的相關性。根據測試數據的相關分析可知，排料溫度滯后蒸汽溫度17至23分鐘左右，因而蒸汽溫度基本能反映20分鐘后的排料溫度。

圖2 蒸汽溫度和排料溫度之間的關系

根據現場工作經驗，只要蒸汽溫度控制穩定，那么排料溫度也基本穩定，因此提出了以蒸汽溫度為被控量，通過控制直接冷卻水流量使其穩定即可，如圖3所示，這樣可以克服系統固有的大滯后問題。

圖3 蒸汽溫度和排料溫度之間的關系

直接冷卻水流量通過調節直接冷卻水調節擋板開度。然而，根據現場數據可知，直接冷卻水流量和擋板開度之間是嚴重的非線性，而且不同時刻不同水壓下水流量也不一樣，為此我們進行了現場試驗，由于現場正常生產時對擋板開度的操作要求在15%以下進行控制，因此我們只需得出擋板開度在15%以下時擋板開度和直接冷卻水流量之間的關系即可，如表1所示。

表1 擋板開度和直接冷卻水流量之間的關系

根據表1中的現場試驗數據，利用Matlab繪出擋板開度和直接冷卻水流量的關系，如圖4所示。

圖4 擋板開度和直接冷卻水流量之間的關系

從圖中我們可以看到，擋板開度和水流量之間是嚴重的非線性，在不同的時刻不同的水壓下，同一擋板開度對應的直接冷卻水流量都不一樣，而且現場并沒有安裝水壓測量裝置，這給控制帶來了極大的不便。

因此，我們采用直接利用水流量來控制目標值，但是水流量是靠擋板開度來控制的，因此我們可以考慮采用串級PID控制[3]，即外環采用控制水流量調節蒸汽溫度，內環采用控制調節閥開度調節直接冷卻水流量，這樣可以消除系統的非線性所帶來的控制上的不便。其控制框圖如圖5所示：

圖5 帶有下料量前饋的模糊串級PID控制結構圖

3、控制系統實現

整套系統采用二級系統的控制方案：一級采用AB公司的Logix 62系列PLC 完成現場數據的采集和基本回路控制; 二級采用工控機，使用RSVIEW SE組態軟件作為主要開發軟件,使用VC并結合matlab開發復雜控制策略,完成帶有下料量前饋的模糊串級PID控制，通過DH+網絡實現兩系統之間通訊。其上位機控制畫面如圖6所示：

圖6 現場操作畫面

在圖6中，操作人員可以在界面上設置蒸汽溫度來控制排料溫度，從圖6中可以看到，當蒸汽溫度設定在95℃時，調節閥開度為6.0%，直接冷卻水流量為1365kg/h。排料溫度反饋為69℃，蒸汽溫度反饋為98℃。該系統現已投入正常生產，基本上滿足實際工程生產的要求。

現場控制效果

自動控制投入前后分別如圖7和圖8所示：

圖7 自動控制投入前歷史曲線

圖8 自動控制投入后歷史曲線

從以上兩個圖可以看出：

• ①自動控制投入前排料溫度在30℃到100℃之間大幅震蕩；而投入自動控制后排料溫度基本穩定在60±10℃。
• ②自動控制投入前蒸汽溫度波動范圍較大：80℃到140℃；而投入自動控制后，蒸汽溫度波動明顯減小。
• ③直接冷卻水流量的手動調節造成調節滯后大，流量波動范圍較大，從900 kg/h變化到3500kg/h；投入自動控制后，直接冷卻水流量基本上穩定在1400 kg/h。
• ④調節閥擋板開度波動范圍明顯減小，減輕了電磁閥的磨損。

總之，引入自動控制后，冷卻窯系統各工況參量--蒸汽溫度、排料溫度、直接冷卻水流量和直接冷卻水流量調節閥開度均能穩定控制，使系統保持在一個較好的工況環境，從而達到了良好的系統控制效果。

結論

本文在分析炭素回轉窯冷卻窯生產過程工藝參數及其相關特性的基礎上，提出了一種新的冷卻窯排料溫度的串級PID控制方法，解決了冷卻窯排料溫度控制上存在的非線性、大滯后等控制難題，實際系統在自動控制的基礎上，實現排料溫度的穩定，保證煅后焦質量和現場的安全生產。

目前該系統已經投入生產現場使用，現場使用結果表明，該系統能夠實現煅后焦溫度穩定在60±10℃的控制目標。冷卻窯排料溫度的自動控制不僅能大大降低現場操作人員的勞動強度，對延長煅后焦皮帶的使用壽命，防止煅后焦濕料堵料，保證安全生產、提高生產效率和節約資源具有重要意義，同時對炭素回轉窯的技術人員具有一定的參考價值。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基于串級PID控制算法的炭素回轉窯排料溫度的自動控制”，作者為程紅、楊紅亮等。）