白炭黑行業(yè)打漿自動化新控制方式的探索

王 聰，馮肖琳

（金能科技股份有限公司，山東 齊河 251100）

0 引言

在白炭黑的生產(chǎn)過程中有一個重要的工段就是打漿，打漿的過程其實就是對已經(jīng)過壓濾和洗滌后的濾餅進行打碎處理，并且添加一定濃度的濃酸和添加劑，用以調(diào)整白炭黑產(chǎn)品的pH 值或是色度等指標，使白炭黑產(chǎn)品性能更好。打漿的過程能夠直接影響白炭黑產(chǎn)品的指標，包括堆積密度、pH 值、硫酸鹽含量、白色、粘度等指標；同時，打漿效果的好壞也將直接決定干燥工序產(chǎn)品指標的合格性。因此，打漿是白炭黑生產(chǎn)中至關(guān)重要的工序，白炭黑生產(chǎn)所用的料漿設(shè)備也至關(guān)重要[1]。

金能科技股份有限公司現(xiàn)擁有6 萬噸/年生產(chǎn)能力的白炭黑生產(chǎn)車間。白炭黑的生產(chǎn)采用沉淀法，打漿裝置共有4 套，可以實現(xiàn)4 個一級打漿和兩個二級打漿的生產(chǎn)模式。車間生產(chǎn)采用Emerson 公司先進的Deltav DCS 控制系統(tǒng)（Distributed Control System）[2]，對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進行分散控制，集中管理。

1 打漿生產(chǎn)工藝簡介

打漿在白炭黑的生產(chǎn)連續(xù)性操作中是一步承上啟下的工序，對前一工序反應(yīng)后的濾餅進行打漿處理，粉碎為白炭黑小顆粒漿料，合格的白炭黑漿料為后續(xù)的干燥工段提供合格的干燥噴霧原料。本公司的每個打漿罐上均有兩臺攪拌電機，攪拌方式分為內(nèi)外兩種逆向攪拌；打漿罐的進料采用輸送皮帶機Y-401 進行物料輸送；變頻泵P45110進行打漿罐物料的采出，而每個打漿罐配有兩個氣動調(diào)節(jié)閥和氣動快速切斷閥，氣動調(diào)節(jié)閥（位號為FV-45031）用以調(diào)節(jié)濃酸的流量，氣動調(diào)節(jié)閥（位號為FV-45035）用以調(diào)節(jié)添加劑的流量。打漿過程中，要求崗位員工控制打漿罐液位為80%～90%區(qū)間內(nèi)，因為液位控制區(qū)間相對來說比較窄，控制精度較高，所以液位過高或是過低都將影響打漿效果和打漿指標的控制。

另外，打漿并不是孤立的操作過程，打漿的順控操作開始于壓濾工段的壓濾機的出料口，而打漿的結(jié)束點幾乎達到了干燥工段干燥喂料罐的液位。

2 新型控制方案的研究過程

2.1 復(fù)雜控制系統(tǒng)的研究

整個打漿過程是一個連續(xù)的順控操作過程，生產(chǎn)實行連續(xù)化，控制要求為全自動化的控制方式，所需要的都是基本的控制原理[3]，包括從壓濾后的濾餅開始，經(jīng)過打漿過程，再到攪拌的變頻調(diào)節(jié)，一直至將打漿后液體送至干燥工序。為了便于對整個打漿系統(tǒng)的分析，現(xiàn)將打漿中包括的控制系統(tǒng)進行拆分處理如下：

PID 回路：濃酸流量調(diào)節(jié)回路（FC-211）、添加劑流量調(diào)節(jié)回路（FC-212）、采出變頻流量調(diào)節(jié)回路（FC-213）、打漿攪拌頻率調(diào)節(jié)回路（MC-210）。

比例調(diào)節(jié)回路：添加劑流量與皮帶輸送濾餅比值（FY206_SP）、濃酸流量與添加劑流量比值（FY212_SP）。

電機控制：攪拌電機M1、M2，輸送皮帶Y-401，采出變頻泵Y-217，干燥給料罐攪拌電機M3。

復(fù)雜控制回路：打漿罐液位與采出流量調(diào)節(jié)回路、濃酸流量與添加劑流量調(diào)節(jié)回路。

以上就是打漿過程復(fù)雜控制系統(tǒng)的組成部分，打漿的操作核心就是控制打漿罐的液位穩(wěn)定，這就需要控制打漿罐進出料的穩(wěn)定，而問題的難點在于皮帶輸送機沒有安裝稱重裝置，如果有稱重裝置可以直接測量進料量的大小，然后根據(jù)比率的關(guān)系進行計算就可以直接控制液位的穩(wěn)定。然而現(xiàn)在無法直接測量進入打漿罐物料的量，就需要通過其他的方法進行間接計算，實現(xiàn)穩(wěn)定液位的控制。本公司針對目前的打漿生產(chǎn)過程，在不增加任何硬件投入的情況下，研究了一套新型的打漿自動化控制方式，具體解決方案如下：

圖1 控制系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of the control system

圖2 復(fù)雜控制系統(tǒng)DCS程序Fig.3 DCS program of beating sequence control system

根據(jù)自動控制原理[4]，首先假設(shè)進入打漿罐的物料為一不變量，由于濃酸和添加劑的加入量很小，暫且忽略不計，以物料為基本變量進行計算，那么自動控制的數(shù)學(xué)模型即為皮帶進料、打漿罐液位和采出物料流量組成的前饋控制系統(tǒng)，圖1 為控制系統(tǒng)方框圖。

根據(jù)方框圖，為了計算皮帶的進料量，可以根據(jù)傳遞函數(shù)關(guān)系，結(jié)合DCS 控制的編程算法，利用打漿罐當(dāng)前液位與設(shè)定液位的差值進行計算，采取前饋控制系統(tǒng)的PID控制模型。

液位變化率的采集方程為：roc={IN-IN[t-1]}/△t

其中，roc 為周期輸入的計算變化率，IN[t-1]為來自前一個周期的IN 值。

通過數(shù)學(xué)公式積分的計算[1]，可以對（0，t）時間內(nèi)的液位值進行采樣積分求得，其液位變化率近似認為是打漿罐內(nèi)的白炭黑漿料體積流量的變化，故可以初步計算打漿罐的進料量為：M=FC-213.PV+250×1000×roc。

根據(jù)濾餅和添加劑的比例關(guān)系，可以求得添加劑加入設(shè)定流量為：FC-212.SP=250×1000×roc×FY206_SP。同理，可以求得濃酸加入設(shè)定流量為：FC-211.SP=FC-212.SP×FY212_SP=250×1000×roc×FY206_SP×FY212_SP。

圖3 打漿順控系統(tǒng)DCS程序Fig.3 DCS program of beating sequence control system

因此，根據(jù)以上的公式，可以看出濃酸流量與添加劑流量調(diào)節(jié)回路仍舊為復(fù)雜的比例調(diào)節(jié)回路，在DCS 系統(tǒng)內(nèi)編程如圖2 所示。

至此，打漿過程中復(fù)雜控制部分已經(jīng)完成了程序化設(shè)計，設(shè)計的思路就是利用自動控制原理，根據(jù)液位的偏差來計算打漿罐通過皮帶傳輸進入打漿罐內(nèi)的物料的量，而后以這個量為基礎(chǔ)進行程序化的設(shè)計，從而實現(xiàn)控制打漿罐液位的穩(wěn)定。

2.2 打漿連續(xù)操作順控系統(tǒng)的研究

完成打漿過程復(fù)雜控制方案的設(shè)計和編程，只完成了打漿生產(chǎn)工段的一部分控制，仍舊不能實現(xiàn)打漿一鍵操作的連續(xù)順控控制。根據(jù)工藝生產(chǎn)的要求，控制打漿罐液位為80%～90%，當(dāng)?shù)陀?5%液位時需關(guān)閉采出泵；當(dāng)液位在80%～90%范圍內(nèi)，已滿足打漿過程的復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求，按照預(yù)先設(shè)定的控制系統(tǒng)要求進行自動調(diào)節(jié)；當(dāng)液位在80%～85%范圍內(nèi)，開啟采出泵，但是頻率預(yù)設(shè)值較小。由于打漿為整個白炭黑生產(chǎn)的一個工序，故打漿的液位和后續(xù)工序的液位計是有聯(lián)鎖的，當(dāng)打漿罐液位高于90%，而聯(lián)鎖的干燥喂料罐液位不大于90%時，打漿的順控將會停止皮帶輸送機的進料，確保打漿罐液位的穩(wěn)定。具體順控程序如圖3 所示。

3 結(jié)論

通過以上打漿過程自動化新型控制方式的研究，可以在目前不增加任何設(shè)備的情況下很好地解決打漿過程復(fù)雜控制系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)，上述改造也具有以下的使用效果：

1）較好地完成了打漿過程復(fù)雜控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，自從改造投產(chǎn)以來一直運行較為穩(wěn)定，液位的波動不是很大。

2）實現(xiàn)了從壓濾到打漿的順控操作，使白炭黑連續(xù)化生產(chǎn)有了進一步的提升，提高了白炭黑車間產(chǎn)品的年產(chǎn)能力。

3）自動化生產(chǎn)的連續(xù)化極大地降低了員工的勞動強度，提升了員工的工作環(huán)境。