炭素回转窑是煅烧石油焦的设备，煅烧石油焦是为了提高炭质原料的密度和机械强度,提高原料的导电性能和化学稳定性,为生产铝电解用阳极提供合格的原材料。

在炭素回转窑中，冷却窑排料温度是炭素回转窑生产的一个非常重要的指标，但冷却窑的排料冷却过程是一个大惯性、纯滞后、非线性、时变性和多干扰的生产过程，这就给控制设计人员提出了一个难题。目前炭素回转窑的排料温度均属于手动操作，自动化程度低，没有实现闭环控制，排料温度波动范围很大，严重影响煅后焦的质量，同时也加大了工人的劳动强度。

因此，本文是以国内某大型电解铝厂炭素回转窑控制技术改造为背景，结合现场工人操作经验，采用串级PID控制算法进行控制器的设计，实现了冷却窑的自动控制，并使得排料温度控制在合理的温度区间内，达到提高煅后焦质量的最终目标。

炭素回转窑生产过程分析

炭素回转窑分为煅烧窑和冷却窑两部分，即我们通常说的大窑和冷却窑，石油焦经由大窑窑尾进料口进入大窑进行高温煅烧，煅烧后的成品从窑头进入冷却窑进行冷却，冷却后的成品经皮带运送到仓库，再经过压缩，成型，为铝电解提供阳极原材料[2]。其结构示意图如图1所示。

图1 回转窑结构示意图

从大窑窑头进入冷却窑的料温一般在800-1100℃之间，因此，我们必须在冷却窑内进行煅后焦的冷却，来达到正常生产的目的。冷却窑的冷却主要依靠冷却窑直接冷却水和间接冷却水进行控制，但间接冷却水量是固定的，因此，我们只有控制直接冷却水来达到控制排料温度的目的，而直接冷却水流量是通过进水阀门开度进行控制的，因此我们只需要控制直接冷却水阀门开度，即可达到排料温度稳定的目的。

控制策略及实现

1、控制目标

正常生产时要求排料温度控制在60±10℃，其原因为：

(1) 如果排料温度过高，如经常在80℃以上，高温排料将损坏煅后焦运输皮带，造成煅后皮带更换次数增加，严重影响生产的正常进行，同时也有发生火灾的危险，给现场安全生产带来隐患；

(2) 如果温度过低，则会造成湿料情况发生，导致排料进仓时发生堵料情况，需要工人人工淘出湿料，同样影响正常生产。

因此，通过调节直接冷却水流量，控制煅后焦温度稳定在60±10℃，达到提高煅后焦质量和安全、高效生产的最终目标。

2、排料温度的控制方案

冷却窑的排料冷却过程是一个大惯性、纯滞后、非线性、时变性和多干扰的生产过程，煅后焦从进入冷却窑到出料大约需要20分钟，煅后焦温度的测量在冷却窑窑尾，而直接冷却水冷却高温物料却在冷却窑窑头，这样就造成了排料温度的测量和水流量调节控制之间的大滞后，从而给控制带来了难度。

图2是现场采集的蒸汽温度和排料温度曲线,反映了两者之间的相关性。根据测试数据的相关分析可知，排料温度滞后蒸汽温度17至23分钟左右，因而蒸汽温度基本能反映20分钟后的排料温度。

图2 蒸汽温度和排料温度之间的关系

根据现场工作经验，只要蒸汽温度控制稳定，那么排料温度也基本稳定，因此提出了以蒸汽温度为被控量，通过控制直接冷却水流量使其稳定即可，如图3所示，这样可以克服系统固有的大滞后问题。

图3 蒸汽温度和排料温度之间的关系

直接冷却水流量通过调节直接冷却水调节挡板开度。然而，根据现场数据可知，直接冷却水流量和挡板开度之间是严重的非线性，而且不同时刻不同水压下水流量也不一样，为此我们进行了现场试验，由于现场正常生产时对挡板开度的操作要求在15%以下进行控制，因此我们只需得出挡板开度在15%以下时挡板开度和直接冷却水流量之间的关系即可，如表1所示。

表1 挡板开度和直接冷却水流量之间的关系

根据表1中的现场试验数据，利用Matlab绘出挡板开度和直接冷却水流量的关系，如图4所示。

图4 挡板开度和直接冷却水流量之间的关系

从图中我们可以看到，挡板开度和水流量之间是严重的非线性，在不同的时刻不同的水压下，同一挡板开度对应的直接冷却水流量都不一样，而且现场并没有安装水压测量装置，这给控制带来了极大的不便。

因此，我们采用直接利用水流量来控制目标值，但是水流量是靠挡板开度来控制的，因此我们可以考虑采用串级PID控制[3]，即外环采用控制水流量调节蒸汽温度，内环采用控制调节阀开度调节直接冷却水流量，这样可以消除系统的非线性所带来的控制上的不便。其控制框图如图5所示：

图5 带有下料量前馈的模糊串级PID控制结构图

3、控制系统实现

整套系统采用二级系统的控制方案：一级采用AB公司的Logix 62系列PLC 完成现场数据的采集和基本回路控制; 二级采用工控机，使用RSVIEW SE组态软件作为主要开发软件,使用VC并结合matlab开发复杂控制策略,完成带有下料量前馈的模糊串级PID控制，通过DH+网络实现两系统之间通讯。其上位机控制画面如图6所示：

图6 现场操作画面

在图6中，操作人员可以在界面上设置蒸汽温度来控制排料温度，从图6中可以看到，当蒸汽温度设定在95℃时，调节阀开度为6.0%，直接冷却水流量为1365kg/h。排料温度反馈为69℃，蒸汽温度反馈为98℃。该系统现已投入正常生产，基本上满足实际工程生产的要求。

现场控制效果

自动控制投入前后分别如图7和图8所示：

图7 自动控制投入前历史曲线

图8 自动控制投入后历史曲线

从以上两个图可以看出：

• ①自动控制投入前排料温度在30℃到100℃之间大幅震荡；而投入自动控制后排料温度基本稳定在60±10℃。
• ②自动控制投入前蒸汽温度波动范围较大：80℃到140℃；而投入自动控制后，蒸汽温度波动明显减小。
• ③直接冷却水流量的手动调节造成调节滞后大，流量波动范围较大，从900 kg/h变化到3500kg/h；投入自动控制后，直接冷却水流量基本上稳定在1400 kg/h。
• ④调节阀挡板开度波动范围明显减小，减轻了电磁阀的磨损。

总之，引入自动控制后，冷却窑系统各工况参量--蒸汽温度、排料温度、直接冷却水流量和直接冷却水流量调节阀开度均能稳定控制，使系统保持在一个较好的工况环境，从而达到了良好的系统控制效果。

结论

本文在分析炭素回转窑冷却窑生产过程工艺参数及其相关特性的基础上，提出了一种新的冷却窑排料温度的串级PID控制方法，解决了冷却窑排料温度控制上存在的非线性、大滞后等控制难题，实际系统在自动控制的基础上，实现排料温度的稳定，保证煅后焦质量和现场的安全生产。

目前该系统已经投入生产现场使用，现场使用结果表明，该系统能够实现煅后焦温度稳定在60±10℃的控制目标。冷却窑排料温度的自动控制不仅能大大降低现场操作人员的劳动强度，对延长煅后焦皮带的使用寿命，防止煅后焦湿料堵料，保证安全生产、提高生产效率和节约资源具有重要意义，同时对炭素回转窑的技术人员具有一定的参考价值。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于串级PID控制算法的炭素回转窑排料温度的自动控制”，作者为程红、杨红亮等。）