[摘要]：針對(duì)皮化產(chǎn)品干燥過(guò)程工藝控制的具體特點(diǎn)，介紹了美國(guó)OPTO 22公司SNAP I/O分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、控制關(guān)鍵及系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的效果。這種方法同樣適用于采用同種干燥工藝的其它產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。 [關(guān)鍵詞]：噴漿順流干燥 增量型PID MIMO系統(tǒng)解耦算法 　　 一、 工藝過(guò)程簡(jiǎn)介 　　 由配料崗位生產(chǎn)的料液放入儲(chǔ)罐中待用，料液必要的理化指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)合格后即可投入生產(chǎn)。干燥介質(zhì)（空氣）在換熱器中經(jīng)熱風(fēng)爐煙道氣加熱至所需溫度后，由塔頂經(jīng)布風(fēng)板進(jìn)入干燥塔內(nèi)。具有一定溫度及濃度的料液由計(jì)量泵加壓后經(jīng)塔項(xiàng)孔板噴出，在干燥塔內(nèi)上部空間形成具有一定分布密度的料幕區(qū)。料粒與熱空氣自上而下，順流進(jìn)行熱量及水份交換，大部分干物料由塔底泄出，部分細(xì)粉料隨空氣由引風(fēng)機(jī)從塔底出風(fēng)抽入旋風(fēng)除塵器中，定期由旋風(fēng)下料器排出。（圖1所示） 二、 系統(tǒng)規(guī)模 　　 系統(tǒng)規(guī)模為：模入AI：26點(diǎn)，模出AO：10點(diǎn)，開(kāi)入DI：28點(diǎn)，開(kāi)出DO：14點(diǎn)，共計(jì)：78點(diǎn) 　　 三、 控制系統(tǒng)選型： 　　 由于該工程為計(jì)算機(jī)改造項(xiàng)目，沒(méi)有條件將系統(tǒng)（特別是計(jì)算機(jī)部分）安置在一個(gè)環(huán)境相對(duì)較好的控制室中，只能與原來(lái)的儀表盤一起放在現(xiàn)場(chǎng)操作室內(nèi)。環(huán)境相當(dāng)惡劣，粉塵嚴(yán)重，且特別易吸潮，強(qiáng)腐蝕性；整個(gè)操作平臺(tái)上有嚴(yán)重的震動(dòng)；另因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫元件及信號(hào)線沿用已有的，這些信號(hào)線與大型風(fēng)機(jī)等的動(dòng)力線混敷設(shè)，無(wú)任何抗干擾措施。針對(duì)以上情況并考慮能夠盡量節(jié)能挖潛，所以我們選用了以下設(shè)備作為控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)： 　　 1 計(jì)算機(jī)及外設(shè)（操作站）： 15”高分辯率彩顯/研華媒體工控機(jī)/500VA UPS供電完成工藝過(guò)程監(jiān)視、數(shù)據(jù)表顯示、控制回路設(shè)定、趨勢(shì)曲線圖、報(bào)警顯示記錄、報(bào)表打印及系統(tǒng)自診斷等。 　　 2、控制系統(tǒng)（控制站）： 選用美國(guó)OPTO 22公司SNAP 現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O控制系統(tǒng)該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：各硬件組成結(jié)構(gòu)緊溱，歐式PIN接插件可靠性強(qiáng)于金手指型，優(yōu)質(zhì)鋁合金外殼封型較好，因此特別適宜于安裝在環(huán)境惡劣的工作場(chǎng)所，與上位機(jī)通信靈活，一根電纜進(jìn)控制室即可，節(jié)約了大量的電線，且系統(tǒng)軟硬件環(huán)境的開(kāi)放性使得其擴(kuò)展及網(wǎng)絡(luò)化集成工作非常容易實(shí)現(xiàn)。另外其現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊采用4000VDC光電隔離，具有及強(qiáng)的抗電磁干擾能力，各通道分別設(shè)置看門狗，且質(zhì)量終身保用；控制器可雙機(jī)熱備，RAM/EEPROM方式仍你選擇，完成控制策略的執(zhí)行及分發(fā)，并負(fù)責(zé)與主機(jī)的通信；單元控制器，協(xié)調(diào)本單元內(nèi)各模塊、通道的工作，完成單元內(nèi)的工程單位轉(zhuǎn)換、非線性處理、PID運(yùn)算、報(bào)警處理、濾波、開(kāi)方等基本操作，并與控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，向控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求等。該系統(tǒng)采用多級(jí)CPU并行處理模式，可靠性高，運(yùn)算速度快，非常適用于實(shí)時(shí)測(cè)控領(lǐng)域。 3、控制軟件：OPTO 22公司的FACTORYFLOOR工控軟件，完成控制應(yīng)用程序的組態(tài)、調(diào)試、實(shí)時(shí)人機(jī)界面、通信控制以及實(shí)現(xiàn)工廠級(jí)管控一體化等。與其它組態(tài)軟件比較，其完全開(kāi)放的系統(tǒng)模式及第三方產(chǎn)品（只要是用Microsoft VB/VC++開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序）的良好兼容性，為用戶提供了最友好的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境。 　　 4 現(xiàn)場(chǎng)儀表及執(zhí)行器： 　　 1） 37KW引風(fēng)機(jī)、11KW送風(fēng)機(jī)及爐膛鼓風(fēng)機(jī)，采用西門子公司ECO系列變頻器控制； 　　 2） 日本生產(chǎn)的大氣露點(diǎn)儀，用于監(jiān)視環(huán)境濕度的變化； 　　 3） 密度式料液濃度計(jì)； 　　 4） 笛型管配套電容式差壓變送器，對(duì)熱風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)； 　　 5） 電容式差式變送器測(cè)負(fù)壓，監(jiān)視換熱器及干燥塔的工作狀態(tài)； 　　 6） 利用鎧裝熱電阻快速準(zhǔn)確測(cè)量料液溫度； 　　 7） 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)蝶閥，對(duì)經(jīng)過(guò)換熱器的熱載體部分旁路，進(jìn)行塔頂溫度修正； 　　 四、 控制關(guān)鍵： 　　 1、開(kāi)關(guān)量部分： 　　 1） 根據(jù)人工指令，并結(jié)合高位槽料位情況以及料液溫度控制料泵的運(yùn)行； 　　 2） 根據(jù)人工指令、熱風(fēng)溫度及熱風(fēng)量的大小以及運(yùn)行中隔膜泵的壓力變化，控制隔膜泵的運(yùn)行。 　　 3） 根據(jù)爐膛溫度與其設(shè)定值的偏差，進(jìn)行送煤機(jī)的時(shí)間比例（TPO）控制； 　　 4） 按熱風(fēng)爐操作規(guī)程進(jìn)行排渣提醒，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)人工排渣過(guò)程時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)制定時(shí)排渣； 　　 5） 高位槽、低位槽及水沫除塵料位報(bào)警； 　　 6） 對(duì)人工停車指令進(jìn)行確認(rèn)，按規(guī)程中的指標(biāo)要求完成整個(gè)工藝過(guò)程（含熱風(fēng)爐、換熱器）自動(dòng)停車的全部順序控制； 　　 2、模擬量（工藝參數(shù)）部分： 　　 干燥過(guò)程工藝參數(shù)監(jiān)控的最終目的是為了保證產(chǎn)品水分、不溶物及有效成分含量等理化指標(biāo)符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，但就目前國(guó)內(nèi)而言，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)以上工藝指標(biāo)的連續(xù)在線檢測(cè)，但在工藝設(shè)備正常的情況下，只要把影響干燥過(guò)程熱量平衡及物料平衡的操作參數(shù)進(jìn)行平穩(wěn)控制，并根據(jù)一些不可控因素（大氣濕度、溫度、料液溫度、濃度）的變化，適當(dāng)修正操作參數(shù)，仍然可使產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)較小的波動(dòng)，從而獲得較好的控制效果。 　　 另外，從控制的角度來(lái)看此具體干燥工藝，是一個(gè)典型的多輸入/多輸出系統(tǒng)（MIMO），其中某些耦合關(guān)系還存在較復(fù)雜的非線性特征；由于隔膜泵結(jié)構(gòu)所限，無(wú)法對(duì)其打料進(jìn)行自動(dòng)流量控制，也就是說(shuō)，在系統(tǒng)處于全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，料液流量在任何情況下都有相對(duì)穩(wěn)定（除非設(shè)備管道故障），這就限制了所采取的調(diào)節(jié)手段只能在熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行（比如：風(fēng)量、進(jìn)塔/出塔溫度、進(jìn)塔出塔負(fù)壓等），無(wú)論是熱風(fēng)系統(tǒng)本身還是環(huán)境、原料屬性（溫度、流量、壓力及濃度等）引起的干燥狀態(tài)的改變，都只能由熱風(fēng)參數(shù)的變化來(lái)得到修正。如前述，由于熱風(fēng)爐固有的熱慣性及其對(duì)進(jìn)塔熱風(fēng)溫度有嚴(yán)重的純滯后影響，這就很難保證干燥狀態(tài)在任何情況下（工藝設(shè)備管道故障除外）都能得到較好的穩(wěn)定。因此若采用常規(guī)PID算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自調(diào)幾乎是不可能的。　 針對(duì)以上情況，在系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)上，我們?cè)诟鱾€(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制環(huán)節(jié)分別采取了以下措施： 　　 1） 熱風(fēng)爐爐溫自動(dòng)控制； 　　 首先計(jì)算塔頂溫度與其設(shè)定值的偏差Et1及塔底溫度與其設(shè)定值的偏差Et2的加權(quán)和，并將其作為爐溫設(shè)定值（初值由人工給定）的修正增量對(duì)爐溫設(shè)定值進(jìn)行在線實(shí)時(shí)修正。 　　 對(duì)爐溫的具體控制，同步采取了兩種手段：一是根據(jù)爐溫的偏差對(duì)送煤機(jī)進(jìn)行時(shí)間比例（TPO）控制；同時(shí)也利用爐溫偏差對(duì)熱風(fēng)爐送風(fēng)機(jī)進(jìn)行增量型PI控制。其目的在于盡量減小熱風(fēng)爐熱慣性的影響并最大可能地保證煤的完全燃燒。增設(shè)煙道氣負(fù)壓及換熱器出口溫在線檢測(cè)，對(duì)換熱器及爐尾引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。 　　 2） 干燥狀態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)： 　　 即是指利用熱風(fēng)量、爐溫及干燥引風(fēng)機(jī)對(duì)干燥過(guò)程的各工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，工藝參數(shù)包括熱風(fēng)是量、熱風(fēng)溫度、進(jìn)塔/出塔空氣負(fù)壓、出塔斯社尾氣溫度等。如前所述，在運(yùn)行過(guò)程中，需根據(jù)一些不可控因素的變化對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)定值作相應(yīng)調(diào)整。 　　 具體實(shí)施時(shí)，利用矩陣分析方法對(duì)某些工藝參數(shù)進(jìn)行多重解耦控制，從而達(dá)到盡量減小控制回路間串?dāng)_的目的，見(jiàn)下框圖（圖3）； 附：解耦前工藝參數(shù)影響關(guān)系： 　　 如圖所示，對(duì)于象大氣溫度、濕度以及料液溫度、濃度這樣漸變的，但又不可忽視的不可控干擾，利用來(lái)實(shí)時(shí)在線修正工藝參數(shù)設(shè)定值，但系統(tǒng)具有前饋校正的特性，從而改善由于熱風(fēng)系統(tǒng)存在大的純滯后特性而對(duì)控制品質(zhì)造成的不良影響。 　　 3） 所有PID環(huán)節(jié)都采用增量型算法，即： 　　 U（K）=A＊E（K）-B＊E（K-1）+C＊E（K-2） 　　 A=Kc（1+T0/T1+Td/To） 　　 B=Kc（1+2＊Td/To） 　　 C=Kc（Td/To） 　　 E（k）=Qr（k）-Q（K） 　　 式中： 　　 U（K——為第K次采樣周期時(shí)系統(tǒng)的控制作用； 　　 E（K）——為第K次采樣周期的偏差； 　　 Qr（K）——為第K次采樣周期的給定值； 　　 Q（K）——為第K次采樣的實(shí)測(cè)參數(shù)值； 　　 Kc——比例環(huán)節(jié)主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)； 　　 T0——受控環(huán)節(jié)主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)； 　　 T1/Td——分別主積分/微分時(shí)間 　　 五 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況： 　　 1 工藝參數(shù)的控制質(zhì)量指標(biāo)： 　　 1） 爐溫的穩(wěn)定度為：一般情況下，偏差<=2.5℃，設(shè)定值大幅度調(diào)整時(shí)，其最大超調(diào)不超過(guò)10℃； 　　 2） 負(fù)壓的調(diào)整精度為：偏差<=50Pa. 　　 3） 進(jìn)/出塔氣體溫度的穩(wěn)定度為：偏差<=±0.5℃; 　　 4） 在大氣濕度不變的前提下，風(fēng)量的波動(dòng)<=5%; 　　 5） 投入自動(dòng)時(shí)不需要象常規(guī)PID那樣要求有嚴(yán)格的前提條件；工藝設(shè)備不正常（主要指隔膜泵壓力不穩(wěn)）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切入手動(dòng)操作模式。 　　 2 各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)考核結(jié)果： 本系統(tǒng)自去2000年9九月份投運(yùn)后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到合同要求。在能耗（煤、電）基本不變的前提下，單產(chǎn)量度增加了18%以上，由原來(lái)的313Kg/h（合同規(guī)定）增加到370Kg/h以上；產(chǎn)品水分波動(dòng)范圍由原來(lái)的7.5%-12%縮小到0.5%以內(nèi)，不溶物含量也由原來(lái)的0.3%-0.55%減小到0.2%以內(nèi)，從而使鉻含量的穩(wěn)定度大大提高。另外在生產(chǎn)過(guò)程中，由于原料量（隔膜泵開(kāi)度）保持不變，系統(tǒng)處于均衡生產(chǎn)狀態(tài)下，從而減小了故障停車時(shí)間，原來(lái)幾乎每個(gè)班要撤換或清洗一次孔板，同時(shí)由于滴料等原因造成的結(jié)塊現(xiàn)象嚴(yán)重，幾乎每出2桶粉料就有1桶塊料。投入本系統(tǒng)后，只要隔膜泵不出故障（比如卡彈），可作到24小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間的不間斷生產(chǎn)，每個(gè)班所出的塊料不到1桶（原來(lái)為7-8桶）。 　　 熱風(fēng)爐處于微負(fù)壓運(yùn)行狀態(tài)，且爐溫也平衡下來(lái)，不再出現(xiàn)以前那種忽高忽低、波動(dòng)范圍達(dá)20-30℃的情況，而且爐膛送風(fēng)機(jī)一般不會(huì)工作在最大負(fù)荷下，因此熱風(fēng)爐及其輔設(shè)的故障率也大大地降低了。 　　 在去年上半年我們到該廠考察期間，經(jīng)常遇到熱風(fēng)爐故障（比如：正壓燃燒或溫度過(guò)高造成爐墻開(kāi)裂，水冷管爆裂等，以及送煤機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及爐尾引風(fēng)機(jī)燒毀等）。自投入本系統(tǒng)至元旦節(jié)前，由于熱風(fēng)爐故障引起的停車共計(jì)2次，其中 一次為煤斗提升裝置機(jī)械故障所致。而且還未出現(xiàn)過(guò)燒毀電機(jī)、爐墻開(kāi)裂這樣較嚴(yán)重的事故。