自動調節燒結機混合料中水分的控制系統設計

寧秋平

（遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東118009）

1 引 言

鋼鐵行業燒結過程是，將鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例組成混合料配以適量水分，在燒結機中燒結［1］。燒結過程中，混合料中的水分蒸發產生水蒸氣，會阻礙傳熱和燃燒。因此水分是影響鋼鐵行業燒結過程的重要因素之一［2］。以往監測混合料中水分的設備，常用紅外線水分儀，與采用中子水分測量相比，響應遲緩，實時性略差，難以及時發現水分的異常變動，本文以某鋼廠260m2燒結機技術改造項目案例，介紹采用中子水分測量混合料水分的在線測量與控制方案，實現了實時監控混合料中水分，確保燒結質量。

2 設計任務

（1）將燒結機原混合機手動加水，改為自動控制加水，并保留其手動操作加水功能；

（2）在燒結機燒結混料系統一混及二混出口處，用于檢測混合料系統出料水分的儀器，采用中子探測器，入料量用γ 探測器檢測；

（3）改造部分嵌入原有自動控制系統中。

3 傳感器

傳感器采用γ 探測器和中子探測器，在線安裝見示意圖如圖1。

測量原理：快中子與原子碰撞，中子會被慢化（損失一部分能量）。中子的質量與氫原子相等，與其碰撞一次，中子幾乎損失全部能量。水分子是由氫氧兩種元素組成，含氫量較多，水是慢化快中子較優選的物質。中子水分儀，就是利用水對快中子具有慢化的效應制作而成。見圖1，當中子源產生的快中子穿過含水物料后，會被慢化，中子探測器檢測快中子數來反映物料含水率，可以測定出物料中水分的含量。物料的入料口安裝有γ 探測器，用γ 射線吸收法，可測定出物料的總量。根據上面獲得的兩種數據，系統工控機就可計算出物料中水分的重量百分比含量。

圖1 中子水分儀在線安裝結構示意圖

4 方案實施

水分自動調節控制系統為能實現快速、精準控制，閉環控制系統中采用前饋-反饋控制，PID 控制與模糊控制相結合。

4.1 前饋-反饋控制

以一混為例，一混的閉環控制系統示意圖如圖2 所示。

前饋控制：系統剛開始工作，新上的混料只有流到一混出口才開始被檢測水分，系統中的工控機才能算出所需調整的水量，然后開始加水。這種滯后加水不能滿足生產工藝要求，為解決此問題，系統采用前饋控制。該系統控制過程數學模型很難建立，前饋控制采用模糊控制。基于專家經驗法制定的模糊控制規則，給出調整水量，使剛進入混合機的物料就能得到加水，及時調節了含水量。

反饋控制：物料在一混合機里加水混勻后，由一混出料口流出，會被監測的傳感器實時檢測水分，工控機獲得水分數據后，能快速計算出物料的實際水分及實際加水量。系統反饋是負反饋，見圖2，系統的偏調水量就等于初始水量減去實際加水量，系統的實際調整的水量（達到水分目標值的調控量）等于偏調水量加上初始水量。

圖2 一混閉環控制系統示意圖

4.2 建模

式中，Sc-初始水量；L1-一混合機入料總量；Sm-水分目標值；Si-一混入料水分估算值。

式中，Ss-實際加水量；So-一混合機出料水分。

式中，Sx-偏調水量。

由式（1）、式（2）和式（3）求出水分實際調整量:

式中，St-實際調整的水量。

4.3 工作原理

控制系統架構見框圖3。

圖3 控制系統框圖

系統的一混主要完成任務：（1）啟停控制（入料、出料、混合機及污泥泵等）；（2）混合料入料量檢測；（3）混合料出料水分檢測；（4）清水的流量檢測及控制；（5）污泥流量檢測及控制。

系統的二混主要完成任務：（1）啟停控制（入料、出料、混合機等）；（2）混合料出料水分檢測；（3）清水的流量檢測及控制。

系統的一混入料（混合前）的重量由γ 探測器測得，估算獲得其水分值。一混出料水分的目標值，由工藝要求確定。工控機根據物料估算的水分值和目標值，計算出一混加水量。一混電磁流量計監測水量，PLC 控制一混清水電動調節閥，實現一混自動加水。一混的快中子水分儀實時檢測一混出料水分，回傳給系統，系統及時調整加水量。系統還依據設定的濃度值，根據需要自動調節控制污泥泵啟停。

系統的二混，根據一混的來料量、出料水分數值，二混出料的水分目標值，計算出二混加水量，也由電磁流量計監測水量，PLC 控制清水電動調節閥，實現二混自動加水。二混的快中子水分儀實時檢測二混出料水分，上傳給系統，及時修正加水量。

根據需要，系統可大流量快速加水、小流量加水及延時加水。系統還備有緊急停車功能，能快速關閉總供水閥門，切斷一混和二混的供水水源，確保失控時也不會發生超限加水現象。

5 工作模式

控制系統兼有手動和自動操作兩種工作模式。

手動功能：系統工作模式為“手動”模式時，操作員手動操作可完全取代自動控制功能。根據工藝要求，操作員進行手動控制電動閥的開度，完成加水。

自動功能：系統工作模式為“自動”時，操作員點動啟動按鈕，系統將會按照預置的各種參數，自動完成對各設備的控制。停機時，自控系統將自動關閉電動閥。

6 控制能力評定

燒結一混合料的水分，一般控制在5.50%～7.50%范圍內，具體值根據生產工藝確定。設備改造完成后，在調試現場對二混燒結料取樣，每次取3 個（連續3 天）烘干測水，數據見表1。

表1 混合料水分測定值

分析表l 數據，混合料的實測水分值波動小，較接近目標值，說明系統水分控制精準、平穩，達到了預期目標。

7 結 論

中子水分儀的特性決定了中子水分儀不受現場環境的干擾，適用于工況現場環境比較惡劣的場所。改造后的系統能實現自動給水，穩定燒結原料水分配比，提高燒結機效率，消除人為誤差。控制系統已從2009 年6 月運行至今，運行狀態良好，參數穩定。生產實踐證明，該系統可以滿足燒結過程中各種生產工藝控制的要求。

［1］ 王欣.對真空燒結爐自動控制系統的電氣改造［J］.湖南大學學報，2002（6）：110-112.

［2］ 呂書婷，李習亮.燒結混合料水分測量過程控制方法［J］.中國計量，2011（3）：100-101.