龐喜書(shū)

蜂窩式脫硝催化劑擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龐喜書(shū)

（華電青島環(huán)保技術(shù)有限公司，山東青島 266000）

以可編程控制器（PLC）為控制核心，運(yùn)用模糊自適應(yīng)比例-積分-微分（PID）控制技術(shù)，設(shè)計(jì)獨(dú)立運(yùn)行的溫控單元，將蜂窩式脫硝催化劑擠出機(jī)分為4個(gè)溫度控制部分，利用4個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)并獨(dú)立運(yùn)行的溫控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出機(jī)溫度的精確控制，達(dá)到了提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

脫硝；蜂窩式催化劑；溫度控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制

0 引言

蜂窩式脫硝催化劑對(duì)生產(chǎn)條件的要求比較嚴(yán)格，尤其是薄壁蜂窩式催化劑，對(duì)成型部分工作環(huán)境的要求更加嚴(yán)格。溫度調(diào)整的好與壞，直接影響催化劑生產(chǎn)的效率、合格率和催化劑本身的質(zhì)量。首先，在擠出成型過(guò)程中，擠出機(jī)產(chǎn)生大量熱量，過(guò)多的熱量會(huì)導(dǎo)致蜂窩脫硝催化劑出現(xiàn)裂紋，降低催化劑的機(jī)械強(qiáng)度和壽命，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：擠出催化劑的溫度在30℃左右時(shí)，催化劑擠出效率和合格率最高。其次，溫度是影響物料塑性的重要參數(shù)，塑性調(diào)整直接影響擠出機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。所以，需要精確控制溫度，保證擠出時(shí)催化劑的溫度不過(guò)高。

在擠出過(guò)程中，擠出溫度受環(huán)境及原料溫度等因素干擾，傳統(tǒng)的比例-積分-微分（PID）控制不能滿足需求?；诳删幊炭刂破鳎≒LC）的模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)具有很好的動(dòng)態(tài)性能，目標(biāo)參數(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)，將擠出機(jī)合理分區(qū)、分程控制，可使溫度控制更精確、更及時(shí)，而且在實(shí)際運(yùn)用中取得了良好效果。

1 系統(tǒng)概述

該套溫度控制系統(tǒng)主要用于蜂窩式脫硝催化劑擠出機(jī)，將擠出機(jī)中物料的溫度維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外大多采用雙螺桿真空擠出成型機(jī)，下面以日本宮崎鐵工生產(chǎn)的MV-310E型擠出機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。

擠出機(jī)本身預(yù)留冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水能夠遍布和物料接觸的各個(gè)部分。該套溫度控制系統(tǒng)以循環(huán)水為媒介，通過(guò)對(duì)水溫的控制達(dá)到控制產(chǎn)品溫度的目的。擠出機(jī)不同部位的產(chǎn)熱量不同，每段的溫度要求也不同。根據(jù)這些情況，將擠出機(jī)分成了4個(gè)溫度控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由一個(gè)溫控單元單獨(dú)控制，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省資源。操作人員可通過(guò)觸摸屏對(duì)4個(gè)溫控單元進(jìn)行設(shè)置，最終達(dá)到生產(chǎn)脫硝催化劑所需要的溫度控制效果。

該套系統(tǒng)由自動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻水供給系統(tǒng)和溫控單元3部分組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)溫度信號(hào)的采集、運(yùn)算和控制，是模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。冷卻水供給系統(tǒng)負(fù)責(zé)給溫控單元提供冷卻水。溫控單元設(shè)置4個(gè)，負(fù)責(zé)給擠出機(jī)提供符合要求的循環(huán)水。

2 溫度控制原理

溫度控制的技術(shù)核心是基于PLC的模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)。如圖1所示，模糊控制器是由SFC1，SFC2和SFC3子模糊控制器構(gòu)成的復(fù)合模糊控制器。模糊推理系統(tǒng)利用系統(tǒng)誤差和誤差變化率作為輸入，依據(jù)設(shè)計(jì)好的模糊推理規(guī)則進(jìn)行模糊推理運(yùn)算，分別控制PID控制器的參數(shù)ΔKp，ΔKi和ΔKd，使系統(tǒng)達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。

圖1 模糊自適應(yīng)PID控制原理

該控制系統(tǒng)利用采樣得到的溫度信號(hào)和給定值相比較，得出系統(tǒng)的誤差和誤差變化率，再通過(guò)量化得到系統(tǒng)的輸入變量e和ec，輸出變量ΔKp，ΔKi和ΔKd。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的PLC和S7-300，包括CPU314，I／O卡，觸摸屏和繼電器等電氣元器件。用觸摸屏作為人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟停操作以及各個(gè)溫控單元溫度設(shè)定、設(shè)備運(yùn)行情況的顯示等，具體實(shí)施步驟如下。

（1）PLC系統(tǒng)搭建。根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行邏輯控制組態(tài)，并將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、液位及閥門等交接信號(hào)接入I／O卡。

（2）觸摸屏畫(huà)面組態(tài)。利用觸摸屏組態(tài)軟件WinccFlexible對(duì)觸摸屏組態(tài)，畫(huà)好系統(tǒng)流程圖，設(shè)置操作按鈕和數(shù)據(jù)顯示框，實(shí)現(xiàn)溫控單元的溫度設(shè)置等。

（3）觸摸屏和PLC之間用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線快得多，完全可滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的帶寬要求。以太網(wǎng)共享信息能力強(qiáng)，通過(guò)交換機(jī)可以和多態(tài)設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)“控管一體化”。以太網(wǎng)通信設(shè)置比較簡(jiǎn)單，大多數(shù)軟件都能匹配以太網(wǎng)通信協(xié)議。

（4）PLC依據(jù)采集到溫度信號(hào)，通過(guò)模糊控制技術(shù)求出ΔKp，ΔKi和ΔKd的值并加以修正，和常規(guī)的Kp′，Ki′，Kd′分別相加，得到PID調(diào)節(jié)器的實(shí)際控制參數(shù)Kp，Ki和Kd，依據(jù)PID控制算法計(jì)算輸出控制量。

3.2 冷卻水供給系統(tǒng)

冷卻水供給系統(tǒng)由冷水機(jī)組、循環(huán)泵和水箱組成。水箱內(nèi)部分隔成3個(gè)不完全隔離的區(qū)域，第1區(qū)域接收來(lái)自溫控單元的水，第2區(qū)域接收來(lái)自冷水機(jī)組的冷水和去溫控單元的水，第3區(qū)域就是將第1區(qū)域和第2區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單分隔，保證冷卻水第1時(shí)間去溫控單元，更利于溫控單元的控制。根據(jù)擠出機(jī)產(chǎn)熱量和溫度要求，計(jì)算出冷水機(jī)組的產(chǎn)冷量為216MJ／h，出口流量為53.0 L／min。冷水機(jī)組隨溫控系統(tǒng)的啟動(dòng)而啟動(dòng)，保證水箱的溫度在-5～20℃內(nèi)可調(diào)。防凍液用30%乙二醇水溶液。

3.3 溫控單元的設(shè)計(jì)

溫控單元是該套系統(tǒng)的核心，圖2所示溫控單元由循環(huán)泵、保溫箱、加熱器、調(diào)節(jié)閥和相關(guān)儀表組成。溫控單元控制保溫箱水溫，溫控單元根據(jù)觸摸屏的設(shè)定值自動(dòng)運(yùn)行，將水溫控制在2～20℃內(nèi)可調(diào)。當(dāng)保溫箱水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，增加來(lái)自冷卻水系統(tǒng)的水，促使保溫水溫下降。當(dāng)保溫箱水溫低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小，減少來(lái)自冷卻水系統(tǒng)的水，從而升高水溫。當(dāng)操作人員大幅提高設(shè)定值時(shí)，電加熱器會(huì)輔助水溫盡快升高。

圖2 溫控單元原理

4 應(yīng)用效果

在實(shí)際應(yīng)用中，擠出部分的溫度得到了很好的控制，擠出時(shí)催化劑本身的溫度控制在28～30℃，擠出催化劑的合格率達(dá)到了98%，比沒(méi)有溫度控制的合格率提高了近40%，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。

［1］譚偉，徐玲.智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（8）：88-89.

［2］謝書(shū)明，柴天佑.一種參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器［J］.信息與控制，1998，27（4）：255-259.

［3］王曉員.基于模糊自適應(yīng)PID的溫度控制系統(tǒng)［J］.成都大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：361-363.

（本文責(zé)編：白銀雷）

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：1674-1951（2015）03-0071-02

龐喜書(shū)（1984—），男，山東平度人，工程師，從事自動(dòng)化控制方面的工作（E-mail：pangxs＠chec.com.cn）。

2014-08-07；

2015-01-12