蜂窝式脱硝催化剂挤出机温度控制系统的设计

2015-06-05庞喜书

综合智慧能源 2015年3期

庞喜书

庞喜书

（华电青岛环保技术有限公司，山东青岛 266000）

以可编程控制器（PLC）为控制核心，运用模糊自适应比例-积分-微分（PID）控制技术，设计独立运行的温控单元，将蜂窝式脱硝催化剂挤出机分为4个温度控制部分，利用4个统一协调并独立运行的温控单元实现对挤出机温度的精确控制，达到了提高产品质量的目的。

脱硝；蜂窝式催化剂；温度控制系统；自动控制

0 引言

蜂窝式脱硝催化剂对生产条件的要求比较严格，尤其是薄壁蜂窝式催化剂，对成型部分工作环境的要求更加严格。温度调整的好与坏，直接影响催化剂生产的效率、合格率和催化剂本身的质量。首先，在挤出成型过程中，挤出机产生大量热量，过多的热量会导致蜂窝脱硝催化剂出现裂纹，降低催化剂的机械强度和寿命，试验发现：挤出催化剂的温度在30℃左右时，催化剂挤出效率和合格率最高。其次，温度是影响物料塑性的重要参数，塑性调整直接影响挤出机的生产效率和产品的合格率。所以，需要精确控制温度，保证挤出时催化剂的温度不过高。

在挤出过程中，挤出温度受环境及原料温度等因素干扰，传统的比例-积分-微分（PID）控制不能满足需求。基于可编程控制器（PLC）的模糊自适应PID控制技术具有很好的动态性能，目标参数能够根据系统现状自动调整。同时，将挤出机合理分区、分程控制，可使温度控制更精确、更及时，而且在实际运用中取得了良好效果。

1 系统概述

该套温度控制系统主要用于蜂窝式脱硝催化剂挤出机，将挤出机中物料的温度维持在稳定的范围内。国内外大多采用双螺杆真空挤出成型机，下面以日本宫崎铁工生产的MV-310E型挤出机为例进行说明。

挤出机本身预留冷却水循环系统，冷却水能够遍布和物料接触的各个部分。该套温度控制系统以循环水为媒介，通过对水温的控制达到控制产品温度的目的。挤出机不同部位的产热量不同，每段的温度要求也不同。根据这些情况，将挤出机分成了4个温度控制区域，每个区域由一个温控单元单独控制，既能满足生产需要，又能节省资源。操作人员可通过触摸屏对4个温控单元进行设置，最终达到生产脱硝催化剂所需要的温度控制效果。

该套系统由自动控制系统、冷却水供给系统和温控单元3部分组成。自动控制系统负责温度信号的采集、运算和控制，是模糊自适应PID控制技术实现的基础。冷却水供给系统负责给温控单元提供冷却水。温控单元设置4个，负责给挤出机提供符合要求的循环水。

2 温度控制原理

温度控制的技术核心是基于PLC的模糊自适应PID控制技术。如图1所示，模糊控制器是由SFC1，SFC2和SFC3子模糊控制器构成的复合模糊控制器。模糊推理系统利用系统误差和误差变化率作为输入，依据设计好的模糊推理规则进行模糊推理运算，分别控制PID控制器的参数ΔKp，ΔKi和ΔKd，使系统达到较好的动态、静态性能。

图1 模糊自适应PID控制原理

该控制系统利用采样得到的温度信号和给定值相比较，得出系统的误差和误差变化率，再通过量化得到系统的输入变量e和ec，输出变量ΔKp，ΔKi和ΔKd。

3 系统设计

3.1 自动控制系统的设计

该系统采用西门子公司生产的PLC和S7-300，包括CPU314，I／O卡，触摸屏和继电器等电气元器件。用触摸屏作为人机交互接口，实现系统启停操作以及各个温控单元温度设定、设备运行情况的显示等，具体实施步骤如下。

（1）PLC系统搭建。根据模糊自适应PID控制设计原理，进行逻辑控制组态，并将现场的温度、压力、流量、液位及阀门等交接信号接入I／O卡。

（2）触摸屏画面组态。利用触摸屏组态软件WinccFlexible对触摸屏组态，画好系统流程图，设置操作按钮和数据显示框，实现温控单元的温度设置等。

（3）触摸屏和PLC之间用以太网进行通信，以太网的速率要比传统现场总线快得多，完全可满足工业控制网络不断增长的带宽要求。以太网共享信息能力强，通过交换机可以和多态设备进行通信，实现“控管一体化”。以太网通信设置比较简单，大多数软件都能匹配以太网通信协议。

（4）PLC依据采集到温度信号，通过模糊控制技术求出ΔKp，ΔKi和ΔKd的值并加以修正，和常规的Kp′，Ki′，Kd′分别相加，得到PID调节器的实际控制参数Kp，Ki和Kd，依据PID控制算法计算输出控制量。

3.2 冷却水供给系统

冷却水供给系统由冷水机组、循环泵和水箱组成。水箱内部分隔成3个不完全隔离的区域，第1区域接收来自温控单元的水，第2区域接收来自冷水机组的冷水和去温控单元的水，第3区域就是将第1区域和第2区域进行简单分隔，保证冷却水第1时间去温控单元，更利于温控单元的控制。根据挤出机产热量和温度要求，计算出冷水机组的产冷量为216MJ／h，出口流量为53.0 L／min。冷水机组随温控系统的启动而启动，保证水箱的温度在-5～20℃内可调。防冻液用30%乙二醇水溶液。

3.3 温控单元的设计

温控单元是该套系统的核心，图2所示温控单元由循环泵、保温箱、加热器、调节阀和相关仪表组成。温控单元控制保温箱水温，温控单元根据触摸屏的设定值自动运行，将水温控制在2～20℃内可调。当保温箱水温高于设定温度时，电动调节阀开度增大，增加来自冷却水系统的水，促使保温水温下降。当保温箱水温低于设定值时，调节阀开度减小，减少来自冷却水系统的水，从而升高水温。当操作人员大幅提高设定值时，电加热器会辅助水温尽快升高。