稀土焙燒回轉窯爐運行參數監控系統

盧帆興，戴 睿

(江西理工大學，江西 贛州 341000)

稀土焙燒回轉窯爐運行參數監控系統

盧帆興，戴 睿

(江西理工大學，江西 贛州 341000)

針對鈰組混合型稀土礦硫酸焙燒提取工藝所使用回轉窯的分段溫度控制精度要求高，且受硫酸用量、精礦粒度、重油燃燒室溫度等因素影響的特點，采用模糊PID控制并結合CAN總線技術設計出回轉窯爐溫控制系統.工業現場測試表明，回轉窯各溫區溫度控制區間和穩定性較未使用本系統前改善10%，礦物分解反應速度和系統抗干擾能力得到提高.

稀土焙燒回轉窯;爐溫控制;模糊PID;CAN總線

鈰組混合型稀土礦由于含有常溫下難以用酸分解的稀土磷酸鹽，目前在工業中只能通過硫酸焙燒和氫氧化鈉溶液分解兩種工藝方法提取稀土［1］.較之后者前者有些優勢，但兩種方法在環境保護和生產成本等方面都分別存在一定缺陷;因此，有效改造焙燒回轉爐窯，準確控制爐窯各溫區溫度變化范圍、改善精礦分解條件、節約耗材、減小廢氣廢渣對環境的影響，是非常值得研究的重要課題.本文結合爐溫控制系統的非線性時變性和滯后性特點，在充分考慮燃燒重油與精礦及硫酸的進給量、窯體高中低溫區溫度、尾氣廢渣排放的可測控性基礎上，利用CAN總線技術設計出基于模糊PID的硫酸焙燒混合型稀土精礦回轉窯溫度控制系統［2］，實現了對回轉窯生產過程各重要參數的實時監控和分析優化，有效減輕了廢氣廢渣對環境的影響.

1 系統構成

控制系統通過CAN總線驅動，整體包括上位機、CAN總線適配卡、4個CAN智能節點、3個紅外掃描測溫儀［3］(CS200E)、2個氣體傳感器、多個繼電器、上位機等主要器件，系統整體構成圖如圖1所示.上位機通過適配卡與CAN總線相連，負責對整個系統的監控管理.通過系統配置，將回轉窯高(600～800℃)、中(300～600℃)、低(150～300℃)溫度區溫控范圍設定值經由CAN總線發送給相應的智能節點，并且定時對各智能節點巡檢，監控其是否工作正常.如果高溫區溫度異常，通過相應智能節點和繼電器控制重油電磁閥的開啟度，若如果中、低溫區溫度異常，則由相應智能節點和繼電器分別調節料斗的精礦或硫酸的進給量.智能節點4定時監測來自HF與SO2氣體傳感器的測量數據，如有異常立即報警.上位機與CAN總線實行雙向通信，并完成現場數據采 集、控制及通信任務.

圖1 系統整體構成圖Fig.1 Structure scheme for the system

2 系統硬件配置

系統構成硬件部分主要包括CAN總線適配卡和CAN智能節點，兩者結構基本相同，均由單片機P89LPC912、通信控制器SJA1000、總線驅動器MCP2551和光電偶合器6N137等組成.其中的P89LPC912是一款單片封裝的16位微控制器，適合于要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求.該芯片采用了高性能的處理器結構，指令執行時間只需2到4個時鐘周期，且集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目和電路板面積并降低系統的成本;SJA1000是一種獨立、高集成度CAN控制器，具有總線訪問優先權、成組與廣播報文功能及硬件濾波功能;總線驅動器MCP2551是一款滿足ISO－11898標準、可容錯的高速CAN收發器，SJA1000的TX0、RX0引腳通過高速光電偶6N137與MCP2551相連，有效實現了總線各節點間的電氣隔離，增強了CAN總線節點的抗干擾能力.系統硬件構成及其與焙燒窯監控參數點的連接如圖2所示.

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Hardware structure scheme

3 系統軟件設計

3.1 CAN智能節點軟件

智能節點軟件主要包括3部分:CAN節點初始化、報文發送和報文接收.初始化主要包括工作方式的設置、濾波方式接收、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器設置、通信速率參數設置以及中斷允許寄存器的設置等.在完成通信控制器SJA1000初始化設置以后，通信控制器便回到工作狀態，進行正常的通信任務.報文接收和發送程序框圖如圖3所示.

圖3 程序框圖Fig.3 System program diagram

3.2 模糊PID控制實現

鑒于模糊PID控制［4～6］較傳統PID具有適應性強、上升時間tr較小、魯棒性好等特點，結合稀土礦焙燒回轉窯內溫度參數所固有的非線性大時滯且干擾因數多等因素，本系統采用如圖4所示Fuzzy－PID控制器，通過自動調節重油、精礦和硫酸的進給量來控制稀土礦焙燒回轉窯高、中、低溫段的爐溫.經過現場測量分析得出，回轉窯高、中、低溫區的最佳目標溫度值分別為700、500和220℃.

圖4 Fuzzy－PID控制器結構示意圖Fig.4 Structure scheme for the Fuzzy－PID controller

本系統選擇溫度誤差e及其誤差變化量ec為輸入，3個控制量分別為KP、KI、KD，由此得到稀土焙燒回轉窯溫度模糊PID控制器［7］結構圖4.設定誤差e和誤差變化率 ec的模糊論域均為［－3，3］，KP的變化范圍為［－0.6，0.6］，KI的變化范圍為［－0.03，0.03］，KD的變化范圍為［－0.3，0.3］，量化等級分別為 NB(負大)、 NM(負中)、NS(負小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等7級，通過分析總結得到的模糊控制規則庫［8］如表1所示.

表1 焙燒爐爐溫控制模糊規則表Table 1 Fuzzy rules of the temperature control for the roster

4 測試結果與結論

本控制系統是結合某稀土分離企業硫酸焙燒混合型稀土精礦回轉窯設備改造項目而開發的.在解決了于回轉窯體相應部位安裝監測元件及調節控制元件等技術難題后，針對設備運行需要解決的問題成功設計了控制系統，并在焙燒回轉窯改造驗收過程中一次性完成了相關測試.測試過程中，系統能較快進入回轉窯各溫度區合理的溫度區間穩定運行，系統的上升時間為11 min左右，低溫區的溫度220±40℃ ，中溫區溫度區間為500±20℃ ，高溫區溫度區間為700±30℃，由于CS200E均布置在各溫區的中間，故在系統測試中主要監控中溫區熱電偶溫度的變化.該控制系統能夠通過自動調節重油、稀土精礦和硫酸的進給量，中溫區的檢測溫度可以很好地穩定在500±20℃范圍內，溫度穩定性較原系統提高10%，有效地克服了溫控系統非線性時變大滯后的影響，節約了耗材，提高了稀土精礦的分解率，減小了尾氣尾渣對環境的不良影響.刻意增調回轉窯各進給量，系統通過尾氣監測能有效實施報警.測試結果表明，該控制系統達到了設計和企業技術參數要求，具有較好的應用推廣價值.

圖5 模糊PID算法流程圖Fig.5 Fuzzy PID algorithm flow chart

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The monitoring system of operation parameter for the rare earth roasting rotary kiln

Lu Fanxing，Dai Rui
(Jiangxi University of Science＆Technology，Jiangxi Ganzhou 341000，China)

Aimed at the rotary kiln for extracting the cerium group rare earth ore with sulfuric acid，a temperature control system for the kiln was designed by using the fuzzy PID control and CAN bus technology.The pilot tests showed that the temperature control range and the stability are improved by 10%compared with one without the authors’system.The system anti－interference ability and the mineral decomposition rate are increased.

rare earth roasting rotary kiln;temperature control;fuzzy PID;CAN bus

TP 29

A

1671-6620(2014)01-0028-04

2013-07-12.

稀土對鋁硅的活化和鍵合作用機理及其在地聚合物中的應用 (No.51264009).

盧帆興 (1965—)，男，江西理工大學副教授，E－mail:lfx_gz@126.com.