SLG型粉体表面改性机的温度调控规律

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院， 北京100083； 2. 江阴市启泰非金属工程有限公司， 江苏江阴214416)

SLG型粉体表面改性机目前已经广泛应用于粉体表面改性工业，在超细碳酸钙、尤其是轻质碳酸钙的工业化干法连续表面改性中占据主导地位[1-2]。根据粉体和改性药剂种类的不同， 可以通过调节风门和料门的开度来调整改性过程中的温度[3]。但目前SLG型粉体表面改性机在运行时其机械式温度计反应慢、 误差大， 无法及时准确地反映改性腔中温度的变化情况。 此外， 改性腔温度调节依靠人工操作， 调试制度依赖于生产经验和设备厂家的调试经验。 在全球制造业向工业4.0发展的时代背景下[4-7]， 对改性机温度控制进行自动化改造势在必行。

SLG型粉体表面改性机的改性过程不需要外部热源，针对其自生热源展开研究的文献较为少见，目前尚缺乏系统性的定量研究，从理论上建立温度变化模型还无法实现。

本文中在SLG-200型粉体表面改性机上搭建温度检测调控实验系统，对风门和料门调温规律进行分析和测试实验研究，探究改性机空载运行条件下风门和料门对改性腔温度的调控规律，建立以“风门/料门开度”为输入变量、以“改性腔温度”为输出变量的温度模型。

1 温度调控分析

改变风门与料门的开度是SLG型粉体表面改性机运行中调节改性温度的主要手段。风门与料门均采用蝶阀，蝶阀流量特性接近于等百分比特性，其调节的放大系数是变化的，即随相对流量的增大而增大。料门的阀片安装在改性机出料管路横断面上，风门的阀片安装在由改性机出料管侧壁凿开的风口上。SLG型粉体表面改性机出料端结构示意图如图1所示。

1—出料管；2—风门；3—料门；4—出料口；5—改性腔。图1 粉体表面改性机出料端结构示意图Fig.1 Schematic diagram of discharge end structure of SLG powder surface modification machine

风门与料门的开度对改性温度的调节具有耦合作用。两者开度不同，改性机内部的空气流量和散热速率均不相同。主要存在如下3种情形：

1)当风门开度较小时，料门开度由大到小进行调节，料门阀片对改性腔温度影响较小，增益小，特征时间常数大；当料门开度逐渐减小后，料门阀片对出料口处的气流阻力逐渐增大，空气流量减小，通过气流散失的热量减小，改性机内部温度开始升高；改性腔体温度升高后，改性机内外温差增大，随气流带走的热量增大。运行一段时间后，改性温度相对稳定下来，达到新的稳定平衡状态。

2)当风门开度逐渐增大时，由风门阀片进入出料管的气流量增大，使得料门到风门位置的压差减小，出料口处的气流量减小，进而使改性腔温度升高，直到温度达到新的稳态。相比于风门开度较小时的情形，此时风门对温度的影响增大，调整相同开度时，温度变化幅度增大，温度达到稳定的时间延长，即风门调节时的增益增大、特征时间常数增大。同时，由于出料口处气流的减小，料门对气流的影响作用增大，与风门开度较小时相比，若此时料门调节相同的开度，温度的变动幅度更明显。由于气流量的减小，温度变化的时间变长，因此料门调节时的增益增大，特征时间常数增大。

3)当风门开度较大时，根据蝶阀的流量特性可知， 风门处的流量几乎达到最大值。 风门开度的继续增大对风门处流量的影响减小， 甚至可以忽略， 此时风门调节的增益减小， 需要更长的时间才能将风门对温度的影响体现出来， 即特征时间常数增大。 出料管中的负压主要由风门分担， 料门位置与风门位置之间的压差也达到最小， 改性机中的气流流动主要由主机旋转带动， 出料口处的空气流量达到最小， 此时料门调节相同开度时的温度变化幅度会增大。 由于气流量小， 温度达到新稳态的时间会再次延长， 因此料门调节的增益更大， 特征时间常数更大。

综上，出料口处的空气流量决定了改性腔内的温度变化速率。流量越小，料门调节时的增益和特征时间常数越大；反之则越小。而风门开度对温度的调节作用与蝶阀的流量特性有关，当风门开度较小或较大时，对相对流量的改变作用弱，所以对温度的影响很小，增益小，特征时间常数最大；当风门由小调大时，增益先增大后减小，特征时间常数先减小后增大。

2 温度调控系统

为了对改性机温度进行自动化检测，并对“风门/料门”进行更精确的开度调节，搭建的改性腔温度自动检测与控制系统示意图如图2所示。

图2 改性腔温度检测与控制系统示意图Fig.2 Schematic diagram of automatic temperature detection and control system of modification cavity

温度测量选用PT100铂电阻温度传感器，型号为CYGWITQMA,测温范围是0～200 ℃，其温度感受端置于改性主机的3个改性腔，配套选用DY2113160温度变送器； “风门/料门”的自动调节选用蝶阀阀片的电动调节阀， 按改性机出厂时的手动“风门/料门”的安装直径进行选型； 测量和执行装置经西门子EMAM06“输入/输出”模块连接至S7-200 SMART PLC主机, PLC主机经网线连接到上位计算机。在计算机中配置PLC编程软件和组态软件，即可实现计算机自动记录温度检测数据，同时通过键盘来便捷地调节“风门/料门开度”[8-10]。

3 结果与分析

3.1 改性腔及其温度测量位置的选择

SLG型改性机主机有3个改性腔， 分别记为腔1、 腔2和腔3。为筛选作为模型输出变量的温度量的检测位置，在3个改性腔内均安装了温度传感器。改性腔内温度随时间变化曲线如图3所示。

由图3可知，腔1温度明显低于腔2、腔3温度，腔2、腔3温度曲线几乎重叠，温差很小；考虑到腔3的温度传感器在改性机的出料口附近，最接近原机械式温度计位置，更易于与原机械式温度计对比，得以续用以往积累的运行经验，故选择3号改性腔的温度为调温规律研究的输出变量。

3.2 静态模型

进行空载实验的目的是了为研究“风门/料门”不同开度组合下改性机主机的温度情况，并研究全量程范围内风门开度对温度的影响。将改性机料门固定于不同开度，分别测量风门开度从全闭合变化到全打开时的稳态温度。鉴于实际生产中料门开度范围为30%～100%，不可能将料门关闭或打开太小，故选取30%、 45%、 55%、 60%、 65%、 70%、 75%、 80%、 85%、 90%、 95%、 100%共12种料门开度进行检测；风门开度的取值范围为0～100%，按+5%递增取值，共选取21个开度。为了便于观察，图4只绘出了5种料门开度下腔3稳态温度随风门开度的变化曲线。

图3 3个改性腔内温度随时间变化曲线Fig.3 Curves of temperature variation with time in three modification cavities

图4 5种料门开度下温度随风门开度的变化曲线Fig.4 Curves of temperature changing with opening of air valve under 5 kinds of opening of material valve

由图4可以看出，当料门开度一定时，风门开度由0～100%变化过程中，改性机温度随风门开度的增大而增大；风门开度<20%或>80%时，温度增加幅度很小；当风门开度在20%～80%区间内时，改性机温度随着风门开度的增大以较快的速率增加。料门开度一定、仅调整风门时，温度的调节范围大于10 ℃，远大于调整料门时温度变化的幅度。

3.3 传递函数模型的建立

根据控制理论，常用传递函数模型来描述呈现大滞后、非线性、时变等特点的温度特性，进而实现对容积对象的温度过程控制[11-12]。

SLG粉体表面改性机的风门与料门系串联关系，两者开度对改性腔温度的影响不能截然分开，因而传递函数模型的建立方法为：固定风门(或料门)开度，然后阶跃地调节料门(或风门)开度，得到温度的阶跃响应，再利用MATLAB系统辨识工具箱求取传递函数[13-15]。比如，将风门、料门的开度分别调到20%、 45%，待改性腔温度达到稳定后，再将料门开度减小至30%，持续测量改性腔温度变化，直到温度再次达到稳定，得到温度的变化曲线。再利用MATLAB系统辨识工具箱，求得以此料门开度阶跃为输入、3号改性腔温度为输出的传递函数为

(1)

式中：L表示料门开度阶跃、风门开度恒定；s为复变量；GL(s)表示料门开度阶跃、风门开度恒定时的传递函数；-0.37为增益，负号代表负调节，不表示增益大小；283.87为时间常数。

实测温度阶跃响应曲线与传递函数模型仿真曲线的对比图如图5所示。 两者的匹配度为82.78%， 说明传递函数模型的仿真效果较好。

图5 实测温度阶跃响应曲线与传递函数模型仿真曲线Fig.5 Measured temperature step response curve and transfer function model simulation curve

依照上述方法进行多次实验。如表1所示，将实验所得改性腔温度的传递函数进行汇总，表中的符号“”表示开度的阶跃变化。GF(s)表示风门开度阶跃，料门开度恒定时的传递函数。

表1 改性腔温度的传递函数

从传递函数模型辨识的结果看，当风门开度为20%、料门开度由65%逐渐减小到30%的过程中，传递函数的特征时间常数逐渐减小，即温度达到新稳态的时间越来越短，增益逐渐增大，即当料门每次减小固定开度时，随着料门的减小，温度增大的幅度逐渐增加；当风门开度为70%时，增益变化情况与20%时一样，但此时的特征时间常数变化规律与20%时相反，逐渐增大。风门增大后，料门位置与风门位置之间的压差减小，改性机出料口位置空气流量减小，料门调整相同开度时的增益变大，特征时间常数增大。

另外，风门阶跃传递函数的对比结果表明，料门开度较小(比如为30%)时，若风门在较小开度(比如为20%)下阶跃，温度阶跃响应的增益也较大，时间常数较大，即改性腔升温速率较慢，但升温后达到新稳态的温度值较高。

4 结论

通过对改性腔温度进行分析和测试实验，研究了SLG型粉体表面改性机空载运行条件下“风门/料门”对改性腔温度的调控规律。结论如下：

1)由温度传感器、风门调控、料门调控以及“PLC+上位计算机”构成的SLG改性机温度测控系统，能够便捷地监测3个改性腔温度，能够直观精确地自动控制风门开度与料门开度。该温度测控系统的结构及“传感装置/执行装置”的选型方案，可以扩展用于其他各型SLG改性机。

2)SLG改性机“风门/料门”在0～100%开度范围内对改性腔温度的调节效果是非线性的；空载条件下，SLG-200型改性机风门调节改性腔温度的有效范围为20%～80%。

3)改性腔温度传递函数以“风门/料门开度”为输入变量、3号改性腔温度为输出变量；风门开度由小调大时，传递函数的增益先增大后减小，特征时间常数先减小后增大。

4)后续将围绕进风速度、喂料速度与改性腔温度的关系进行研究，有望探明料门开度与喂料速度的关系以及风门开度与进风速度的关系。