稀土焙烧回转窑炉运行参数监控系统

卢帆兴，戴 睿

(江西理工大学，江西 赣州 341000)

稀土焙烧回转窑炉运行参数监控系统

卢帆兴，戴 睿

(江西理工大学，江西 赣州 341000)

针对铈组混合型稀土矿硫酸焙烧提取工艺所使用回转窑的分段温度控制精度要求高，且受硫酸用量、精矿粒度、重油燃烧室温度等因素影响的特点，采用模糊PID控制并结合CAN总线技术设计出回转窑炉温控制系统.工业现场测试表明，回转窑各温区温度控制区间和稳定性较未使用本系统前改善10%，矿物分解反应速度和系统抗干扰能力得到提高.

稀土焙烧回转窑;炉温控制;模糊PID;CAN总线

铈组混合型稀土矿由于含有常温下难以用酸分解的稀土磷酸盐，目前在工业中只能通过硫酸焙烧和氢氧化钠溶液分解两种工艺方法提取稀土［1］.较之后者前者有些优势，但两种方法在环境保护和生产成本等方面都分别存在一定缺陷;因此，有效改造焙烧回转炉窑，准确控制炉窑各温区温度变化范围、改善精矿分解条件、节约耗材、减小废气废渣对环境的影响，是非常值得研究的重要课题.本文结合炉温控制系统的非线性时变性和滞后性特点，在充分考虑燃烧重油与精矿及硫酸的进给量、窑体高中低温区温度、尾气废渣排放的可测控性基础上，利用CAN总线技术设计出基于模糊PID的硫酸焙烧混合型稀土精矿回转窑温度控制系统［2］，实现了对回转窑生产过程各重要参数的实时监控和分析优化，有效减轻了废气废渣对环境的影响.

1 系统构成

控制系统通过CAN总线驱动，整体包括上位机、CAN总线适配卡、4个CAN智能节点、3个红外扫描测温仪［3］(CS200E)、2个气体传感器、多个继电器、上位机等主要器件，系统整体构成图如图1所示.上位机通过适配卡与CAN总线相连，负责对整个系统的监控管理.通过系统配置，将回转窑高(600～800℃)、中(300～600℃)、低(150～300℃)温度区温控范围设定值经由CAN总线发送给相应的智能节点，并且定时对各智能节点巡检，监控其是否工作正常.如果高温区温度异常，通过相应智能节点和继电器控制重油电磁阀的开启度，若如果中、低温区温度异常，则由相应智能节点和继电器分别调节料斗的精矿或硫酸的进给量.智能节点4定时监测来自HF与SO2气体传感器的测量数据，如有异常立即报警.上位机与CAN总线实行双向通信，并完成现场数据采 集、控制及通信任务.

图1 系统整体构成图Fig.1 Structure scheme for the system

2 系统硬件配置

系统构成硬件部分主要包括CAN总线适配卡和CAN智能节点，两者结构基本相同，均由单片机P89LPC912、通信控制器SJA1000、总线驱动器MCP2551和光电偶合器6N137等组成.其中的P89LPC912是一款单片封装的16位微控制器，适合于要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求.该芯片采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，且集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本;SJA1000是一种独立、高集成度CAN控制器，具有总线访问优先权、成组与广播报文功能及硬件滤波功能;总线驱动器MCP2551是一款满足ISO－11898标准、可容错的高速CAN收发器，SJA1000的TX0、RX0引脚通过高速光电偶6N137与MCP2551相连，有效实现了总线各节点间的电气隔离，增强了CAN总线节点的抗干扰能力.系统硬件构成及其与焙烧窑监控参数点的连接如图2所示.

图2 系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure scheme

3 系统软件设计

3.1 CAN智能节点软件

智能节点软件主要包括3部分:CAN节点初始化、报文发送和报文接收.初始化主要包括工作方式的设置、滤波方式接收、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器设置、通信速率参数设置以及中断允许寄存器的设置等.在完成通信控制器SJA1000初始化设置以后，通信控制器便回到工作状态，进行正常的通信任务.报文接收和发送程序框图如图3所示.

图3 程序框图Fig.3 System program diagram

3.2 模糊PID控制实现

鉴于模糊PID控制［4～6］较传统PID具有适应性强、上升时间tr较小、鲁棒性好等特点，结合稀土矿焙烧回转窑内温度参数所固有的非线性大时滞且干扰因数多等因素，本系统采用如图4所示Fuzzy－PID控制器，通过自动调节重油、精矿和硫酸的进给量来控制稀土矿焙烧回转窑高、中、低温段的炉温.经过现场测量分析得出，回转窑高、中、低温区的最佳目标温度值分别为700、500和220℃.

图4 Fuzzy－PID控制器结构示意图Fig.4 Structure scheme for the Fuzzy－PID controller

本系统选择温度误差e及其误差变化量ec为输入，3个控制量分别为KP、KI、KD，由此得到稀土焙烧回转窑温度模糊PID控制器［7］结构图4.设定误差e和误差变化率 ec的模糊论域均为［－3，3］，KP的变化范围为［－0.6，0.6］，KI的变化范围为［－0.03，0.03］，KD的变化范围为［－0.3，0.3］，量化等级分别为 NB(负大)、 NM(负中)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等7级，通过分析总结得到的模糊控制规则库［8］如表1所示.

表1 焙烧炉炉温控制模糊规则表Table 1 Fuzzy rules of the temperature control for the roster

4 测试结果与结论

本控制系统是结合某稀土分离企业硫酸焙烧混合型稀土精矿回转窑设备改造项目而开发的.在解决了于回转窑体相应部位安装监测元件及调节控制元件等技术难题后，针对设备运行需要解决的问题成功设计了控制系统，并在焙烧回转窑改造验收过程中一次性完成了相关测试.测试过程中，系统能较快进入回转窑各温度区合理的温度区间稳定运行，系统的上升时间为11 min左右，低温区的温度220±40℃ ，中温区温度区间为500±20℃ ，高温区温度区间为700±30℃，由于CS200E均布置在各温区的中间，故在系统测试中主要监控中温区热电偶温度的变化.该控制系统能够通过自动调节重油、稀土精矿和硫酸的进给量，中温区的检测温度可以很好地稳定在500±20℃范围内，温度稳定性较原系统提高10%，有效地克服了温控系统非线性时变大滞后的影响，节约了耗材，提高了稀土精矿的分解率，减小了尾气尾渣对环境的不良影响.刻意增调回转窑各进给量，系统通过尾气监测能有效实施报警.测试结果表明，该控制系统达到了设计和企业技术参数要求，具有较好的应用推广价值.

图5 模糊PID算法流程图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.

稀土对铝硅的活化和键合作用机理及其在地聚合物中的应用 (No.51264009).

卢帆兴 (1965—)，男，江西理工大学副教授，E－mail:lfx_gz@126.com.