单闭环比值随动控制在萤石自动配料系统中的应用

自1997年以来，重庆水泥厂的3条湿法生产线由于原材料方面的因素，熟料质量较差，其主要原因是熟料中的fCaO居高不下。为了降低熟料中的fCaO，提高熟料质量，工艺上提出在石灰石中按一定比例自动连续地掺加萤石的措施(原生料工段每班由铲车加萤石，未计量)。1998年6月，我们根据湿法线的实际工艺，在石灰石原料库附近增加1个萤石库，并在其库底安装了预给料机，1台全荷式配料皮带秤，同时在石灰石至生料磨头仓的皮带运输机上安装1台悬浮式计量皮带秤，通过STD总线工业控制计算机，以单闭环比值随动控制的方式实现了萤石自动配料的技术改造，通过近2年的运行，控制效果良好，达到了工艺的要求。

1　单闭环比值随动控制原理

　　单闭环比值随动控制实际上是一个以从动量Q₂为闭环控制，而Q₂又按一定比值关系随动于主动量Q₁的控制系统。其控制原理见图1。
　　

图1　单闭环比值随动控制原理

　　在系统稳定的情况下，两种物料量应满足Q₂=KQ₁(K是比值系数)。当主动量Q₁不变时，若从动量Q₂受到干扰，则通过从动回路自动调节，迅速克服干扰，以保持从动量Q₂不变，进而保持设定的比值关系。当主动量Q₁发生变化时，比值器的输出去改变调节器的给定值，使从动量Q₂以新的量值与主动量的变化相适应，从而保持设定的比值关系。若主、从动量Q₁、Q₂一起受到干扰，则调节器在克服从动量Q₂的干扰的同时，又根据主动量Q₁经比值器输出的新的设定值去改变从动量Q₂，以保持原来的比值不变。
　　

在该控制方式中，从动量Q₂闭环回路的任务是快速准确地随动于主动量Q₁变化。比值器的任务是将主动量Q₁按要求的比例乘上某一倍数，作为从动量Q₂流量调节的给定值，使从动量Q₂与主动量Q₁之间始终保持一定比值不变。
　　

由于该控制方式能比较准确地实现主、从物料之间的比值随动控制，而且结构简单，调整操作方便。因此，我们采用了该控制方式来实现石灰石中按比例掺加萤石的自动配料系统。其中:石灰石为主动量Q₁，萤石为从动量Q₂。

2　控制系统组成

　　根据配料系统的功能要求，本着操作简单、设计合理、使用可靠、维修方便、价格适宜为原则，我们选用四川建材科研所自控室提供的STD总线工业控制计算机为配料控制系统的主机。该机的模板器件全部为抗干扰能力强、温度性能好的CMOS器件，具有标准度高、可靠性好、功能齐全、使用方便等优点。
　　

主机硬件系统与外界6个部分联系，完成自动配料。这6个部分是:毫伏放大器、富士通FVR型变频调速控制器、萤石预给料皮带机、萤石全荷式恒速皮带秤、生料石灰石悬浮式皮带秤和独立的稳压电源。系统控制方框图见图2。
　　

　　图2　配料系统控制方框图

3　控制系统的调试

　　
3.1　比值系数K₁的计算
　　

由于工艺上所要求的石灰石、萤石两物料的比值是重量之比，而计算机上体现参数与参数之间的关系是相应的电信号，因此，比值系数的计算就是把工艺上要求的流量比折算成在计算机上设置对应的电信号之比。
　　

石灰石计量秤与萤石配料秤上的瞬时流量与其压力传感器输出的毫伏电信号成线性关系。而流量由零变至最大值时，信号放大后所对应的电压值为0～5V，则流量的任一中间值Q所对应的电压U为:
　
　　那么，比值系数K₁与K的关系为:
　　K=K₁·A
　　

两台皮带秤量程分别为:Q_1max=100t/h，Q_2max=5t/h，根据原材料的质量，工艺下达的比值系数K=0.7%～1.2%，因此，比值系数K₁=0.14～0.24。

3.2　控制参数的整定
　　

从动控制回路选用比例积分(PI)的控制算法。整定时，将T_i放在最大档，然后，逐步减小比例度δ，直到过渡过程处于振荡与不振荡的临界状态。继之，再适当提高比例度，逐步减少积分时间，直到过渡过程稍有一点过调。此时，δ=42%，T_i=1.4，控制回路工作在最佳状态，调整完毕。

4　效果分析

　　系统安装调试完后，于1998年6月20日进行了首次实物标定，其当量误差、控制精度都小于1%，见表1。在以后的多次实物标定中，当量误差、控制精度仍小于1%。系统投运两年来，效果良好，故障率为零，逐步降低了fCaO，提高了熟料质量，见表2。

表1 系统实物标定结果

秤别	标定 次数	标准实物 重量/kg	过料控制 时间/s	比值 系数/%	示值 /kg	偏差 /kg	当量 误差/%	控制 精度/%	实际比值 系数/%	标定 时间	备注
石灰石秤	1	4260.5	180	1	4296.7	＋36.2	＋0.85		1.04	9:10	大约80%量程
萤石秤		44.3			44.6	＋0.3		＋0.67
石灰石秤	2	4166.4	240	1	4203.5	＋37.1	＋0.89		0.94	10:05	大约60%量程
萤石秤		39.2			39.0	－0.2		－0.51
石灰石秤	3	3820.6	360	1	3793.1	－27.5	－0.72		1.12	11:20	大约40%量程
萤石秤		42.8			43.1	＋0.3		＋0.70

注：1998年下半年开始采用随动控制系统。
　　

但系统不足之处是石灰石皮带秤未实现测速，设计时将皮带的速度1.25m/s作为常数C与其单位长度上的重量G相乘而得出瞬时量，即:Q=CG。由于实际电网频率变化，电压变化或皮带张力的变化，皮带速度不可能是恒定不变的，因此整个系统的精度必将受到影响。