CN104006651B - 回转窑控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转窑控制系统，包括：窑转速控制模块，其包括第一反馈控制器、第一比例控制器和限幅器；二三次风机控制模块，其包括第二反馈控制器、第二比例控制器、第三比例控制器和第四比例控制器；以及引风机控制模块，其包括第三反馈控制器、第一前馈补偿控制器、第二前馈补偿控制器和求和器。通过采用根据本发明实施例的回转窑控制系统，对窑转速、二次风机、三次风机和引风机进行综合协调控制，精确控制了回转窑的多个工艺参数，从而实现了回转窑煅烧的质量和产量要求，同时最大限度延长了回转窑的使用寿命。

Description

回转窑控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种回转窑控制系统。

背景技术

在建材、冶金、化工、环保等许多生产行业中，广泛使用回转窑来对固体物料进行机械、物理或化学处理，成为相应企业生产的核心设备。

回转窑的煅烧过程是一个复杂的物理化学过程，影响煅烧过程的操纵变量主要有石油焦进料速度、回转窑的大窑转速、二次风、三次风供风总量以及比例、引风机的转速；影响回转窑内石油焦煅烧过程的质量、产量以及回转窑寿命的煅烧过程的重要工艺参量包括多个参数，分别是窑头的温度和压力、窑尾的温度和压力、煅烧带的温度、位置和长度、石油焦在回转窑内的停留时间。因此回转窑过程是一个典型的多变量耦合、非线性系统。目前国内外的回转窑大部分都处于手动控制状态，其中大部分至今还用最原始的人工看火操作方法，即通过人工观察窑内“火圈”情况，判断窑内热工状态，以此来调节进给燃料。目前已经存在的有限的回转窑的自动控制方案，都是相互独立的简单回路控制策略，而没有实现回转窑煅烧的综合协调的控制方案。

因此，现有的回转窑控制方案不能很好地利用回转窑的多个控制变量来将回转窑的多个工艺参数控制在一定的范围内，从而达到回转窑煅烧的质量(石油焦的真密度、导电率)和产量(实收率、每小时产量)要求，同时最大限度延长回转窑的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是对回转窑的多个控制变量进行综合协调控制，以达到回转窑煅烧的质量和产量要求，最大限度延长回转窑的使用寿命。

为此目的，本发明提供了一种回转窑控制系统，包括：窑转速控制模块，其包括第一反馈控制器、第一比例控制器和限幅器，其中所述第一反馈控制器用于接收煅烧带温度实时测量值与其设定值之间的偏差，并输出窑转速反馈控制量；所述第一比例控制器用于接收设定的进料速度，并输出窑转速基本控制量；所述限幅器用于接收所述第一反馈控制器与所述第一比例控制器的输出的求和，并输出将窑转速限制在预设的最大窑转速与最小窑转速之间的窑转速控制量；二三次风机控制模块，其包括第二反馈控制器、第二比例控制器、第三比例控制器和第四比例控制器，其中所述第二反馈控制器用于接收残氧量实时测量值与其设定值之间的偏差，并输出总风量反馈控制量；所述第四比例控制器用于接收所述窑转速控制量，并输出总风量基本控制量；所述第二比例控制器和所述第三比例控制器分别用于接收所述第二反馈控制器与所述第四比例控制器的输出的求和，并输出二次风机控制量和三次风机控制量。

优选地，上述回转窑控制系统还包括：引风机控制模块，其包括第三反馈控制器、第一前馈补偿控制器、第二前馈补偿控制器和求和器，其中所述第三反馈控制器用于接收窑尾负压实时测量值与其设定值之间的偏差，并输出引风机反馈控制量；所述第一前馈补偿控制器用于接收所述二次风机控制量，并输出二次风扰动对于窑尾负压的补偿量；所述第二前馈补偿控制器用于接收所述三次风机控制量，并输出三次风扰动对于窑尾负压的补偿量；所述求和器用于对所述第三反馈控制器、所述第一前馈补偿控制器和所述第二前馈补偿控制器的输出进行求和，以输出引风机控制量。

优选地，上述回转窑控制系统还包括：红外成像器，所述红外成像器用于通过扫描所述回转窑的窑皮来实现窑内温度成像，并借助温度推理与校正数据来实现所述煅烧带温度的实时测量。

优选地，所述第一比例控制器的比例系数与所述回转窑的结构参数、所述设定的进料速度和物料的经验最大和最小停留时间有关。

优选地，所述第二比例控制器的比例系数与所述第三比例控制器的比例系数之和为1。

优选地，所述第二比例控制器的比例系数取值为0.5至0.7，所述第三比例控制器的比例系数取值为0.3至0.5。

优选地，所述第四比例控制器的比例系数与所述进料速度、物料的挥发份含量以及所述预设的最大窑转速与最小窑转速有关。

优选地，所述第一反馈控制器是模糊控制器；和/或所述第二反馈控制器是模糊控制器；和/或所述第三反馈控制器是比例积分微分控制器。

通过采用根据本发明实施例的回转窑控制系统，在一定进料速度的情况下，通过实时测量煅烧带温度、残氧量和窑尾负压来对窑转速、二次风机、三次风机和引风机进行综合协调控制，精确控制了回转窑的多个工艺参数，从而实现了回转窑煅烧的质量和产量要求，同时最大限度延长了回转窑的使用寿命。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示例性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了回转窑的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的回转窑控制系统的原理图；

图3示出了根据本发明实施例的第一反馈控制器的原理图；

图4示出了根据本发明实施例的第二反馈控制器的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述，应当注意，实施例是示例性的而非限制性的。

图1示出了回转窑的示意图。如图1所示，回转窑倾斜设置且窑尾101的位置高于窑头105，煅烧物料通过传送带等传送装置送入窑尾101，窑转速电机108控制回转窑的旋转，物料在回转窑的旋转下由于重力作用而进入预热带102，并且回转窑的转速越快，物料前进的速度也就越快；与之相反回转窑的转速越慢，物料前进的速度也就越慢。进入回转窑的物料越多，所提供的可燃烧的挥发份越多，进而需要二次风机和三次风机送入更多的空气以帮助挥发份燃烧。二次风机106向回转窑的窑尾101方向送风，三次风机107向回转窑的窑头105方向送风，需要控制二次风机106和三次风机107提供给煅烧带103的风量的比例，从而使得煅烧带103稳定在二次风滑环109与三次风滑环110之间，以控制煅烧带103的长度和位置。窑转速电机108可以控制回转窑的转速，从而控制回转窑内石油焦的停留时间，进而控制煅烧带103的温度。经过煅烧的物料继续前进进入冷却带104冷却，然后进入窑头105，并最终进入冷却室111冷却。进一步地，在窑尾101后方还设置有引风机112，引风机112用于在回转窑内形成负压，以进一步控制煅烧带104的位置。

图2示出了根据本发明实施例的回转窑控制系统的原理图。

如图2所示，整体而言，根据本发明实施例的回转窑控制系统可分为三个控制模块，其中窑转速控制模块用于控制窑转速，二三次风机控制模块用于控制二次风机和三次风机，引风机控制模块用于控制引风机以进一步地控制煅烧带。

窑转速控制模块包括第一反馈控制器、比例控制器K1和限幅器。将预定的进料速度u输入到比例控制器K1，得到窑转速基本控制量，即K1*u。比例控制器K1的基本作用是为了提供与回转窑煅烧的负荷(产量)成正比的可以燃烧的物料挥发分的量，以提供足够的热量来维持煅烧带温度，因此比例控制器的K1是大于零的实数：窑转速越大，回转窑内的物料挥发分挥发得越快，提供的挥发分越多，进料速度小，相应的窑转速小，回转窑内的物料挥发分溢出速度慢，可以维持小负荷(产量)的煅烧带温度。比例控制器K1乘以进料速度提供基本的燃料量，维持回转窑煅烧工况的热平衡。比例控制器K1的比例系数K1取值原理如下：

对于一定的进料速度，在回转窑内的停留时间要满足在(τ_min,τ_max)的范围内，相应地，回转窑的转速在(n_min,n_max)的范围内。如果停留时间τ太小，则不能满足物料的最小的停留时间，如果停留时间τ太大，则难以保证回转窑的产量。进料速度对于窑内物料停留时间的经验计算公式如公式(1)：

$\mathrm{\τ}=\frac{{0.1026L}^3}{Q}{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\α}}\right)}^{1.054}{\left(\frac{Q}{L^{3}n}\right)}^{0.981}{\left(\frac{L}{D}\right)}^{1.1}---\left(1\right)$

其中，Q为物料进料体积流率，即进料速度u与物料密度ρ的比值，L为窑长，D为窑内径，α为窑倾角，n为回转窑转速，θ为物料安息角，均为已知值。因此，可以根据经验已知最小停留时间τ_min和最大停留时间τ_max来计算最大窑转速n_max和最小窑转速n_min，取其平均值作为窑转速n，将计算得到的窑转速n除以进料速度即可得到系数K1。

第一反馈控制器根据实时测量得到的回转窑煅烧带温度与设定值之间的动态偏差，输出窑转速反馈控制量，从而在一定范围内反馈微调回转窑的窑转速。优选地，可以通过红外CT扫描回转窑窑皮来实现窑内温度CT成像，并借助温度推理与校正数据来实现煅烧带温度的实时测量。

窑转速的控制量应满足一定约束条件，不能超出预设的最大值和最小值，可以利用限幅器来实现对回转窑转速的限制。即根据前面得到的最大窑转速n_max和最小窑转速n_min，限幅器将比例控制器K1与第一反馈控制器的输出的求和限制在n_max与n_min之内。即当得到的窑转速小于n_min时，将窑转速取为n_min；当得到的窑转速大于n_max时，将窑转速取为n_max。限幅器的输出即为窑转速控制量。

二三次风机控制模块包括第二反馈控制器、比例控制器K2、比例控制器K3和比例控制器β。将窑转速控制量输入到比例控制器β，以得到总风量基本控制量。向第二反馈控制器输入安装在窑尾部的残氧量检测传感器所检测的残氧量实时测量值与残氧量设定值之间的偏差，以得到总风量反馈控制量。将第二反馈控制器与比例控制器β的输出的求和分别输入到比例控制器K2和比例控制器K3，以得到二次风机和三次风机的控制量。

比例控制器β的比例系数β的取值原理如下：根据回转窑的物料进料体积流率Q，计算物料的挥发份含量，从而可以计算挥发份完全燃烧所需的空气量，即可以根据一定的进料速度u得到所需要的总风量F。将总风量F除以前面计算得到的窑转速n，即得到系数β。

比例控制器K2和比例控制器K3的比例系数K2和K3的取值原理如下：K2和K3的选取原则是0<k2<1；0<k3<1；k2+k3＝1。根据K2、K3之间的比例关系来确定二、三次风之间的比例关系。确定二、三次风的比例关系主要目地是保持煅烧带温度带的稳定，不会发生飘移，从而保证煅烧带燃烧的稳定性。优选地，K2＝0.5～0.7，K3＝0.3～0.5。

为了进一步控制煅烧带，根据本发明实施例的回转窑控制系统还包括引风机控制模块。引风机控制模块包括第三反馈控制器、第一前馈补偿控制器和第二前馈补偿控制器。

实时测量回转窑窑尾的负压，将负压的实时测量值与设定值之间的偏差输入到第三反馈控制器中以得到引风机反馈控制量，并且将二次风机、三次风机的控制量分别输入到第一和第二前馈补偿控制器中，以得到二次风和三次风扰动对于窑尾负压的补偿量。然后将第三反馈控制器的输出与第一前馈补偿控制器和第二前馈补偿控制器的输出进行求和，从而得到引风机的控制量，以更好地控制煅烧带的位置。

通过将回转窑的负压反馈控制与前馈控制结合起来，设计成前馈-反馈控制系统。这样，可以利用前馈控制来克服可以预见的二、三次风对于回转窑负压的主要扰动，而对于前馈控制补偿不完全的部分，即扰动依旧作用于被控变量所产生的偏离及其余扰动，由回转窑负压反馈控制来消除。这样的回转窑负压控制系统即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得优良的控制品质。由此，实现了回转窑燃烧带的综合协调控制。

在下文中将会对根据本发明实施例的回转窑控制系统中的第一、第二和第三反馈控制器进行详细描述。

第一反馈控制器根据煅烧带温度与设定温度之间的偏差来对窑转速进行微调控制。本领域技术人员应当理解可以采用各种反馈控制器来实现这种反馈微调控制。为了实现更精准的窑转速控制，本实施例中第一反馈控制器为模糊控制器，包括模糊化计算、模糊控制规则库、模糊推理机、解模糊计算这几个组成部分。第一反馈控制器的原理图如图3所示。

第一反馈控制器利用煅烧带温度实时测量值与设定值之间的偏差作为模糊控制器的输入，将煅烧带温度实时测量值与设定值之间的偏差e₁和该偏差的导数ec₁经过模糊化计算后分别转化为模糊变量E₁和EC₁，然后经过模糊推理机(包括模糊规则库与模糊推理机制)计算后的回转窑的窑转速控制量是一个模糊变量，经过解模糊过程转换为精确的控制量输出控制回转窑的转速，从而实现回转窑转速的微调。第一反馈控制器输出的微调量与比例控制器K1输出的窑转速的基础控制量的求和作为回转窑窑转速的控制信号，实现对煅烧带温度的控制。

第二反馈控制器根据残氧量实时测量值与设定值之间的偏差来对回转窑的总风量进行微调控制。同样地，本领域技术人员应当理解可以采用各种反馈控制器来实现这种反馈微调控制。为了实现更精准的窑转速控制，本实施例中第二反馈控制器为模糊控制器，如图4所示，同样包括模糊化计算、模糊控制规则库、模糊推理机、解模糊计算这几个组成部分。

第二反馈控制器利用残氧量实时测量值与设定值之间的偏差作为模糊控制器的输入，将残氧量实时测量值与设定值之间的偏差e₂和该偏差的导数ec₂经过模糊化计算后分别转化为模糊变量E₂和EC₂，然后经过模糊推理机(包括模糊规则库与模糊推理机制)计算后的回转窑的总风量控制量是一个模糊变量，经过解模糊过程转换为精确的控制量输出控制回转窑的总供风量，从而实现煅烧带燃烧的供风量的微调。

第三反馈控制器根据回转窑窑尾的实时测量值与设定值之间的偏差来对回转窑的总风量进行反馈控制。同样地，本领域技术人员应当理解可以采用各种反馈控制器来实现这种反馈控制。由于在回转窑控制过程中负压对象的动态特性变化相对于回转窑煅烧带温度与残氧量含量对象较为简单，为了节省成本，本实施例中第三反馈控制器可以采用常规的比例积分微分(PID)控制器。PID控制器的参数可以利用常规的Z-N算法来得到。

通过采用根据本发明实施例的回转窑控制系统，在一定进料速度的情况下，通过实时测量煅烧带温度、残氧量和窑尾负压来对窑转速、二次风机、三次风机和引风机进行综合协调控制，精确控制了回转窑的多个工艺参数，从而实现了回转窑煅烧的质量和产量要求，同时最大限度延长了回转窑的使用寿命。

本领域技术人员应当理解，根据本发明实施例的第一、第二、第三反馈控制器是根据实时测量值与设定值之间的偏差来对控制量进行反馈控制，可以采用任何反馈控制器来实现，本发明实施例只是为了描述本发明，而并非对本发明作出具体限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种回转窑控制系统，其特征在于，该系统包括：

窑转速控制模块，其包括第一反馈控制器、第一比例控制器和限幅器，其中所述第一反馈控制器用于接收煅烧带温度实时测量值与其设定值之间的偏差，并输出窑转速反馈控制量；所述第一比例控制器用于接收设定的进料速度，并输出窑转速基本控制量；所述限幅器用于接收所述第一反馈控制器与所述第一比例控制器的输出的求和，并输出将窑转速限制在预设的最大窑转速与最小窑转速之间的窑转速控制量；

二三次风机控制模块，其包括第二反馈控制器、第二比例控制器、第三比例控制器和第四比例控制器，其中所述第二反馈控制器用于接收残氧量实时测量值与其设定值之间的偏差，并输出总风量反馈控制量；所述第四比例控制器用于接收所述窑转速控制量，并输出总风量基本控制量；所述第二比例控制器和所述第三比例控制器分别用于接收所述第二反馈控制器与所述第四比例控制器的输出的求和，并输出二次风机控制量和三次风机控制量；

引风机控制模块，其包括第三反馈控制器、第一前馈补偿控制器、第二前馈补偿控制器和求和器，其中所述第三反馈控制器用于接收窑尾负压实时测量值与其设定值之间的偏差，并输出引风机控反馈控制量；所述第一前馈补偿控制器用于接收所述二次风机控制量，并输出二次风扰动对于窑尾负压的补偿量；所述第二前馈补偿控制器用于接收所述三次风机控制量，并输出三次风扰动对于窑尾负压的补偿量；所述求和器用于对所述第三反馈控制器、所述第一前馈补偿控制器和所述第二前馈补偿控制器的输出进行求和，以输出引风机控制量。

2.根据权利要求1所述的回转窑控制系统，其特征还在于，该系统还包括：

红外成像器，所述红外成像器用于通过扫描所述回转窑的窑皮来实现窑内温度成像，并借助温度推理与校正数据来实现所述煅烧带温度的实时测量。

3.根据权利要求1所述的回转窑控制系统，其特征在于：

所述第一比例控制器的比例系数与所述回转窑的结构参数、所述设定的进料速度和物料的经验最大和最小停留时间有关。

4.根据权利要求1所述的回转窑控制系统，其特征在于：

所述第二比例控制器的比例系数与所述第三比例控制器的比例系数之和为1。

5.根据权利要求4所述的回转窑控制系统，其特征在于：

所述第二比例控制器的比例系数取值为0.5至0.7，所述第三比例控制器的比例系数取值为0.3至0.5。

6.根据权利要求1所述的回转窑控制系统，其特征在于：

所述第四比例控制器的比例系数与所述进料速度、物料的挥发份含量以及所述预设的最大窑转速与最小窑转速有关。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的回转窑控制系统，其特征在于：

所述第一反馈控制器是模糊控制器；和/或所述第二反馈控制器是模糊控制器；和/或所述第三反馈控制器是比例积分微分控制器。