(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京100083； 2. 江陰市啟泰非金屬工程有限公司， 江蘇江陰214416)

SLG型粉體表面改性機(jī)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于粉體表面改性工業(yè)，在超細(xì)碳酸鈣、尤其是輕質(zhì)碳酸鈣的工業(yè)化干法連續(xù)表面改性中占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。根據(jù)粉體和改性藥劑種類的不同， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門和料門的開度來(lái)調(diào)整改性過(guò)程中的溫度[3]。但目前SLG型粉體表面改性機(jī)在運(yùn)行時(shí)其機(jī)械式溫度計(jì)反應(yīng)慢、 誤差大， 無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地反映改性腔中溫度的變化情況。 此外， 改性腔溫度調(diào)節(jié)依靠人工操作， 調(diào)試制度依賴于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備廠家的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。 在全球制造業(yè)向工業(yè)4.0發(fā)展的時(shí)代背景下[4-7]， 對(duì)改性機(jī)溫度控制進(jìn)行自動(dòng)化改造勢(shì)在必行。

SLG型粉體表面改性機(jī)的改性過(guò)程不需要外部熱源，針對(duì)其自生熱源展開研究的文獻(xiàn)較為少見，目前尚缺乏系統(tǒng)性的定量研究，從理論上建立溫度變化模型還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

本文中在SLG-200型粉體表面改性機(jī)上搭建溫度檢測(cè)調(diào)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)門和料門調(diào)溫規(guī)律進(jìn)行分析和測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，探究改性機(jī)空載運(yùn)行條件下風(fēng)門和料門對(duì)改性腔溫度的調(diào)控規(guī)律，建立以“風(fēng)門/料門開度”為輸入變量、以“改性腔溫度”為輸出變量的溫度模型。

1 溫度調(diào)控分析

改變風(fēng)門與料門的開度是SLG型粉體表面改性機(jī)運(yùn)行中調(diào)節(jié)改性溫度的主要手段。風(fēng)門與料門均采用蝶閥，蝶閥流量特性接近于等百分比特性，其調(diào)節(jié)的放大系數(shù)是變化的，即隨相對(duì)流量的增大而增大。料門的閥片安裝在改性機(jī)出料管路橫斷面上，風(fēng)門的閥片安裝在由改性機(jī)出料管側(cè)壁鑿開的風(fēng)口上。SLG型粉體表面改性機(jī)出料端結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—出料管；2—風(fēng)門；3—料門；4—出料口；5—改性腔。圖1 粉體表面改性機(jī)出料端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge end structure of SLG powder surface modification machine

風(fēng)門與料門的開度對(duì)改性溫度的調(diào)節(jié)具有耦合作用。兩者開度不同，改性機(jī)內(nèi)部的空氣流量和散熱速率均不相同。主要存在如下3種情形：

1)當(dāng)風(fēng)門開度較小時(shí)，料門開度由大到小進(jìn)行調(diào)節(jié)，料門閥片對(duì)改性腔溫度影響較小，增益小，特征時(shí)間常數(shù)大；當(dāng)料門開度逐漸減小后，料門閥片對(duì)出料口處的氣流阻力逐漸增大，空氣流量減小，通過(guò)氣流散失的熱量減小，改性機(jī)內(nèi)部溫度開始升高；改性腔體溫度升高后，改性機(jī)內(nèi)外溫差增大，隨氣流帶走的熱量增大。運(yùn)行一段時(shí)間后，改性溫度相對(duì)穩(wěn)定下來(lái)，達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

2)當(dāng)風(fēng)門開度逐漸增大時(shí)，由風(fēng)門閥片進(jìn)入出料管的氣流量增大，使得料門到風(fēng)門位置的壓差減小，出料口處的氣流量減小，進(jìn)而使改性腔溫度升高，直到溫度達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。相比于風(fēng)門開度較小時(shí)的情形，此時(shí)風(fēng)門對(duì)溫度的影響增大，調(diào)整相同開度時(shí)，溫度變化幅度增大，溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間延長(zhǎng)，即風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)的增益增大、特征時(shí)間常數(shù)增大。同時(shí)，由于出料口處氣流的減小，料門對(duì)氣流的影響作用增大，與風(fēng)門開度較小時(shí)相比，若此時(shí)料門調(diào)節(jié)相同的開度，溫度的變動(dòng)幅度更明顯。由于氣流量的減小，溫度變化的時(shí)間變長(zhǎng)，因此料門調(diào)節(jié)時(shí)的增益增大，特征時(shí)間常數(shù)增大。

3)當(dāng)風(fēng)門開度較大時(shí)，根據(jù)蝶閥的流量特性可知， 風(fēng)門處的流量幾乎達(dá)到最大值。 風(fēng)門開度的繼續(xù)增大對(duì)風(fēng)門處流量的影響減小， 甚至可以忽略， 此時(shí)風(fēng)門調(diào)節(jié)的增益減小， 需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能將風(fēng)門對(duì)溫度的影響體現(xiàn)出來(lái)， 即特征時(shí)間常數(shù)增大。 出料管中的負(fù)壓主要由風(fēng)門分擔(dān)， 料門位置與風(fēng)門位置之間的壓差也達(dá)到最小， 改性機(jī)中的氣流流動(dòng)主要由主機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)， 出料口處的空氣流量達(dá)到最小， 此時(shí)料門調(diào)節(jié)相同開度時(shí)的溫度變化幅度會(huì)增大。 由于氣流量小， 溫度達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)再次延長(zhǎng)， 因此料門調(diào)節(jié)的增益更大， 特征時(shí)間常數(shù)更大。

綜上，出料口處的空氣流量決定了改性腔內(nèi)的溫度變化速率。流量越小，料門調(diào)節(jié)時(shí)的增益和特征時(shí)間常數(shù)越大；反之則越小。而風(fēng)門開度對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用與蝶閥的流量特性有關(guān)，當(dāng)風(fēng)門開度較小或較大時(shí)，對(duì)相對(duì)流量的改變作用弱，所以對(duì)溫度的影響很小，增益小，特征時(shí)間常數(shù)最大；當(dāng)風(fēng)門由小調(diào)大時(shí)，增益先增大后減小，特征時(shí)間常數(shù)先減小后增大。

2 溫度調(diào)控系統(tǒng)

為了對(duì)改性機(jī)溫度進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，并對(duì)“風(fēng)門/料門”進(jìn)行更精確的開度調(diào)節(jié)，搭建的改性腔溫度自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 改性腔溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic temperature detection and control system of modification cavity

溫度測(cè)量選用PT100鉑電阻溫度傳感器，型號(hào)為CYGWITQMA,測(cè)溫范圍是0～200 ℃，其溫度感受端置于改性主機(jī)的3個(gè)改性腔，配套選用DY2113160溫度變送器； “風(fēng)門/料門”的自動(dòng)調(diào)節(jié)選用蝶閥閥片的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥， 按改性機(jī)出廠時(shí)的手動(dòng)“風(fēng)門/料門”的安裝直徑進(jìn)行選型； 測(cè)量和執(zhí)行裝置經(jīng)西門子EMAM06“輸入/輸出”模塊連接至S7-200 SMART PLC主機(jī), PLC主機(jī)經(jīng)網(wǎng)線連接到上位計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中配置PLC編程軟件和組態(tài)軟件，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)鍵盤來(lái)便捷地調(diào)節(jié)“風(fēng)門/料門開度”[8-10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 改性腔及其溫度測(cè)量位置的選擇

SLG型改性機(jī)主機(jī)有3個(gè)改性腔， 分別記為腔1、 腔2和腔3。為篩選作為模型輸出變量的溫度量的檢測(cè)位置，在3個(gè)改性腔內(nèi)均安裝了溫度傳感器。改性腔內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，腔1溫度明顯低于腔2、腔3溫度，腔2、腔3溫度曲線幾乎重疊，溫差很??；考慮到腔3的溫度傳感器在改性機(jī)的出料口附近，最接近原機(jī)械式溫度計(jì)位置，更易于與原機(jī)械式溫度計(jì)對(duì)比，得以續(xù)用以往積累的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，故選擇3號(hào)改性腔的溫度為調(diào)溫規(guī)律研究的輸出變量。

3.2 靜態(tài)模型

進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)的目的是了為研究“風(fēng)門/料門”不同開度組合下改性機(jī)主機(jī)的溫度情況，并研究全量程范圍內(nèi)風(fēng)門開度對(duì)溫度的影響。將改性機(jī)料門固定于不同開度，分別測(cè)量風(fēng)門開度從全閉合變化到全打開時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度。鑒于實(shí)際生產(chǎn)中料門開度范圍為30%～100%，不可能將料門關(guān)閉或打開太小，故選取30%、 45%、 55%、 60%、 65%、 70%、 75%、 80%、 85%、 90%、 95%、 100%共12種料門開度進(jìn)行檢測(cè)；風(fēng)門開度的取值范圍為0～100%，按+5%遞增取值，共選取21個(gè)開度。為了便于觀察，圖4只繪出了5種料門開度下腔3穩(wěn)態(tài)溫度隨風(fēng)門開度的變化曲線。

圖3 3個(gè)改性腔內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of temperature variation with time in three modification cavities

圖4 5種料門開度下溫度隨風(fēng)門開度的變化曲線Fig.4 Curves of temperature changing with opening of air valve under 5 kinds of opening of material valve

由圖4可以看出，當(dāng)料門開度一定時(shí)，風(fēng)門開度由0～100%變化過(guò)程中，改性機(jī)溫度隨風(fēng)門開度的增大而增大；風(fēng)門開度<20%或>80%時(shí)，溫度增加幅度很小；當(dāng)風(fēng)門開度在20%～80%區(qū)間內(nèi)時(shí)，改性機(jī)溫度隨著風(fēng)門開度的增大以較快的速率增加。料門開度一定、僅調(diào)整風(fēng)門時(shí)，溫度的調(diào)節(jié)范圍大于10 ℃，遠(yuǎn)大于調(diào)整料門時(shí)溫度變化的幅度。

3.3 傳遞函數(shù)模型的建立

根據(jù)控制理論，常用傳遞函數(shù)模型來(lái)描述呈現(xiàn)大滯后、非線性、時(shí)變等特點(diǎn)的溫度特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)容積對(duì)象的溫度過(guò)程控制[11-12]。

SLG粉體表面改性機(jī)的風(fēng)門與料門系串聯(lián)關(guān)系，兩者開度對(duì)改性腔溫度的影響不能截然分開，因而傳遞函數(shù)模型的建立方法為：固定風(fēng)門(或料門)開度，然后階躍地調(diào)節(jié)料門(或風(fēng)門)開度，得到溫度的階躍響應(yīng)，再利用MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱求取傳遞函數(shù)[13-15]。比如，將風(fēng)門、料門的開度分別調(diào)到20%、 45%，待改性腔溫度達(dá)到穩(wěn)定后，再將料門開度減小至30%，持續(xù)測(cè)量改性腔溫度變化，直到溫度再次達(dá)到穩(wěn)定，得到溫度的變化曲線。再利用MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，求得以此料門開度階躍為輸入、3號(hào)改性腔溫度為輸出的傳遞函數(shù)為

(1)

式中：L表示料門開度階躍、風(fēng)門開度恒定；s為復(fù)變量；GL(s)表示料門開度階躍、風(fēng)門開度恒定時(shí)的傳遞函數(shù)；-0.37為增益，負(fù)號(hào)代表負(fù)調(diào)節(jié)，不表示增益大小；283.87為時(shí)間常數(shù)。

實(shí)測(cè)溫度階躍響應(yīng)曲線與傳遞函數(shù)模型仿真曲線的對(duì)比圖如圖5所示。 兩者的匹配度為82.78%， 說(shuō)明傳遞函數(shù)模型的仿真效果較好。

圖5 實(shí)測(cè)溫度階躍響應(yīng)曲線與傳遞函數(shù)模型仿真曲線Fig.5 Measured temperature step response curve and transfer function model simulation curve

依照上述方法進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。如表1所示，將實(shí)驗(yàn)所得改性腔溫度的傳遞函數(shù)進(jìn)行匯總，表中的符號(hào)“”表示開度的階躍變化。GF(s)表示風(fēng)門開度階躍，料門開度恒定時(shí)的傳遞函數(shù)。

表1 改性腔溫度的傳遞函數(shù)

從傳遞函數(shù)模型辨識(shí)的結(jié)果看，當(dāng)風(fēng)門開度為20%、料門開度由65%逐漸減小到30%的過(guò)程中，傳遞函數(shù)的特征時(shí)間常數(shù)逐漸減小，即溫度達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越來(lái)越短，增益逐漸增大，即當(dāng)料門每次減小固定開度時(shí)，隨著料門的減小，溫度增大的幅度逐漸增加；當(dāng)風(fēng)門開度為70%時(shí)，增益變化情況與20%時(shí)一樣，但此時(shí)的特征時(shí)間常數(shù)變化規(guī)律與20%時(shí)相反，逐漸增大。風(fēng)門增大后，料門位置與風(fēng)門位置之間的壓差減小，改性機(jī)出料口位置空氣流量減小，料門調(diào)整相同開度時(shí)的增益變大，特征時(shí)間常數(shù)增大。

另外，風(fēng)門階躍傳遞函數(shù)的對(duì)比結(jié)果表明，料門開度較小(比如為30%)時(shí)，若風(fēng)門在較小開度(比如為20%)下階躍，溫度階躍響應(yīng)的增益也較大，時(shí)間常數(shù)較大，即改性腔升溫速率較慢，但升溫后達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的溫度值較高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)改性腔溫度進(jìn)行分析和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，研究了SLG型粉體表面改性機(jī)空載運(yùn)行條件下“風(fēng)門/料門”對(duì)改性腔溫度的調(diào)控規(guī)律。結(jié)論如下：

1)由溫度傳感器、風(fēng)門調(diào)控、料門調(diào)控以及“PLC+上位計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的SLG改性機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)，能夠便捷地監(jiān)測(cè)3個(gè)改性腔溫度，能夠直觀精確地自動(dòng)控制風(fēng)門開度與料門開度。該溫度測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及“傳感裝置/執(zhí)行裝置”的選型方案，可以擴(kuò)展用于其他各型SLG改性機(jī)。

2)SLG改性機(jī)“風(fēng)門/料門”在0～100%開度范圍內(nèi)對(duì)改性腔溫度的調(diào)節(jié)效果是非線性的；空載條件下，SLG-200型改性機(jī)風(fēng)門調(diào)節(jié)改性腔溫度的有效范圍為20%～80%。

3)改性腔溫度傳遞函數(shù)以“風(fēng)門/料門開度”為輸入變量、3號(hào)改性腔溫度為輸出變量；風(fēng)門開度由小調(diào)大時(shí)，傳遞函數(shù)的增益先增大后減小，特征時(shí)間常數(shù)先減小后增大。

4)后續(xù)將圍繞進(jìn)風(fēng)速度、喂料速度與改性腔溫度的關(guān)系進(jìn)行研究，有望探明料門開度與喂料速度的關(guān)系以及風(fēng)門開度與進(jìn)風(fēng)速度的關(guān)系。