CF库外置生料计量仓进料控制程序的优化

张龙林

在水泥生产工艺中，CF连续流式生料均化库均化系数可达10～16[1]，均化效果好，可有效保证入窑生料成分的稳定，因此，在一些新建项目设计中优先采用此种均化库。均化库常见卸料流程示意见图1。为节省基建投资，水泥厂生料计量仓一般设置在均化库外或在预热器上。CF库七个区的卸料斜槽的物料先通过一个很小的混合仓，再经汇集斜槽和中转提升机送入生料混合计量仓。

图1 均化库常见卸料流程示意图

保持生料计量仓的仓重稳定，尽量减少仓内压力波动，可有效防止生料转子秤喂料量大幅波动，从而保证入窑生料喂料量的稳定。本文主要介绍我公司设计的南方HK水泥项目在调试过程中遇到的生料卸料方面的问题和解决优化措施。

1 调试中存在的问题

本项目生料均化库采用CF库，CF库的工作原理是依靠充气和重力卸料，物料在库内实现轴向及径向混合均化，各个卸料区可控制不同流速，再加上小混合室的空气搅拌，使物料充分混合均化。库底各区电动球阀卸料时序如图2所示。

由时序图可见，虽然总的均化周期是1 800s，但七个大区主斜槽充气轮换一个循环只需要300s，程序实际上一直频繁地在执行换区工作命令。由于各区卸料流量差异较大，并且换区后斜槽料流从开始流动到流量稳定需要10～20s的时间，这就造成进入中转提升机的料量很不稳定，中转提升机的电流有时甚至会突然超过额定电流（163A），有过载压死的风险。虽然库底各区的流量阀可以手动调节，但由于换区频繁，完全依靠人工调节流量是不现实的。最初的设计是通过PID程序监控计量仓仓重，自动调节库底流量阀。此设计对于设在库内的计量仓是很容易达到仓重稳定的目的，但是由于增加了中转斜槽和提升机，使从阀门调整到仓重发生变化的延时较长，导致很难将仓重稳定在理想的范围内。通过观察生料转子秤的负荷率和转速变化趋势发现，尽管在计量仓内设置了减压锥，但计量仓仓重的变化还是会很快地反映到生料转子秤负荷率的变化上，当仓重变化较快时，甚至会引起生料喂料量波动。因此，保持仓重的稳定对生料喂料量的稳定和回转窑的热工制度稳定至关重要。

2 调试中的改进措施

图2 库底各区电动球阀卸料时序图

为稳定计量仓仓重，防止中转提升机被冲料压死，在程序上允许操作员给每个区的流量阀分别设置流量上下限，使各区的流量阀在给定流量区间内运行。另外，为了减少换区过程中料流频繁启动引起的扰动，将一个循环周期从300s改为600s。以上措施的实施大大提高了料流的稳定性，取得了一定的效果。但是，因为各区下料量仍然存在较大差异，提升机电流还是会大幅波动到163A以上，所以人工干预仍然是必不可少的。

用仓重的变化控制库底的流量阀存在严重的滞后，这是引起提升机电流大幅波动的主要原因。考虑到此因素，由于库底斜槽内生料流速很快，时滞很小，我们决定先将提升机电流作为目标设定值，以此来调整库底流量阀。将原PID（以下称PID1回路）的PV和SP变量由仓重修改为提升机电流后，再通过简单的PID参数调整就达到了预期的效果，使提升机电流可稳定在设定值的±7A以内。

虽然解决了提升机冲料的问题，但是仓重仍需人工监控，需要通过改变提升机电流设定值进行调整。为了减少操作负担，在DCS技术人员的配合下，又增加了用仓重变化来控制提升机电流的PID2回路。通过仓重传感器测得PV值，和设定值SP值进行比较，将PID2运算的输出作为前述电流PID1回路的设定值SP，组成一个串级PID控制回路（如图3所示）。通过不断观察和修改PID参数，最终达到了令人满意的效果。表1是程序修改前后几个参数的波动情况对比。

3 改进的技术要点

（1）在本例中，仓重属于“温度、质量等参量滞后较大，且控制质量要求较高的系统”[2]，正是串级PID适用条件之一；而物料输送的路径长，调节时间滞后，换区时存在料流剧烈变化等情形，也是串级PID控制回路的适用条件。在此，提升机电流波动大是因料流扰动引起的，所以能通过流量阀快速直接有效控制提升机电流，控制精度要求也不太高。另外，仓重的变化相对较慢，又需要较高的灵敏度，需要精细调节，因此必须加强积分控制作用，并引入微分控制作用进行超前调节。

（2）PID模块的设置必须重视量程的转换。量程的数量级和范围直接影响比例系数的大小，可以选用参数的自然量程。如PID1回路中PV和SP值量程采用0～163A（额定电流），输出0～100，正好是执行器的开度范围。PID2回路中PV和SP值量程采用仓重的量程0～150t，因为系统限制PID模块的输出只能以0～100来表示，而此处作为PID1回路输入，量程应当是斗式提升机电流的正常范围0～163A，所以此处需要加入量程转换模块。

图3 串级PID控制示意图

表1 程序修改前后参数对比

（3）对PID的输出设定适当的范围，既可以将输出限制在安全范围内，又可以减少无效输出时间，大大改善调节的效果。如此处PID1回路输出的是流量阀开度，可以根据实际需要限定最大和最小输出范围。PID2回路的输出转换成PID1回路的电流设定值，对于空载电流以下的设定值是没有意义的，因此可以设定PID2输出最小值对应的PID1输入值在空载电流附近。输出的最大值不可过大，需要满足够用和安全（不引起过载）的要求。

（4）关于参数的整定，需要耐心地观察PID回路的输出变化趋势。首先断开PID2，先整定PID1，调整好之后再投入PID2并整定参数。两级串联后观察系统反应时间，如果不能满足要求，可能还需要重新调整PID1的参数，直至达到满意的控制效果。比例、积分和微分时间的组合很难确定哪个值是最优的，满足控制要求即可。大的原则是先要确定比例系数的数量级，首先给定一个极小的比例系数，再根据调节的灵敏度逐步增大。由于时间差的存在，需要引进较大的微分作用进行超前调节，调试过程中需要注意观察，在仓重下降时，即使仓重显示值高于设定值，也要判断是否仍然能增加输出量，如果不能，就需要加大微分时间。需要注意的是，某些系统PID模块默认的微分时间和积分时间范围可能不够用，必要时可以调大微分时间或积分时间的输入范围。

4 结语

在水泥厂设计和调试过程中，DCS工程师往往主要负责编制程序，不负责具体操作工艺设备，所以很难将控制参数调到最优。本技改在公司技术人员和DCS工程师的相互配合下，经过带料状态下的耐心调整，成功解决了提升机冲料和仓重控制不稳导致的生料转子秤喂料量波动问题，也充分证明了各专业密切配合的重要性，为以后的调试积累了宝贵的经验。