[摘要]：針對皮化產品干燥過程工藝控制的具體特點，介紹了美國OPTO 22公司SNAP I/O分布式控制系統的結構、功能、控制關鍵及系統實際運行的效果。這種方法同樣適用于采用同種干燥工藝的其它產品的生產過程。
　　一、 工藝過程簡介
　　由配料崗位生產的料液放入儲罐中待用，料液必要的理化指標經檢驗合格后即可投入生產。干燥介質（空氣）在換熱器中經熱風爐煙道氣加熱至所需溫度后，由塔頂經布風板進入干燥塔內。具有一定溫度及濃度的料液由計量泵加壓后經塔項孔板噴出，在干燥塔內上部空間形成具有一定分布密度的料幕區。料粒與熱空氣自上而下，順流進行熱量及水份交換，大部分干物料由塔底泄出，部分細粉料隨空氣由引風機從塔底出風抽入旋風除塵器中，定期由旋風下料器排出。（圖1所示）






　　二、 系統規模
　　系統規模為：模入AI：26點，模出AO：10點，開入DI：28點，開出DO：14點，
　　共計：78點
　　三、 控制系統選型：
　　由于該工程為計算機改造項目，沒有條件將系統（特別是計算機部分）安置在一個環境相對較好的控制室中，只能與原來的儀表盤一起放在現場操作室內。環境相當惡劣，粉塵嚴重，且特別易吸潮，強腐蝕性；整個操作平臺上有嚴重的震動；另因現場測溫元件及信號線沿用已有的，這些信號線與大型風機等的動力線混敷設，無任何抗干擾措施。針對以上情況并考慮能夠盡量節能挖潛，所以我們選用了以下設備作為控制系統的軟硬件平臺：
　　1 計算機及外設（操作站）： 15”高分辯率彩顯/研華媒體工控機/500VA UPS供電
　　完成工藝過程監視、數據表顯示、控制回路設定、趨勢曲線圖、報警顯示記錄、報表打印及系統自診斷等。
　　2、控制系統（控制站）： 選用美國OPTO 22公司SNAP 現場分布式I/O控制系統
　　該系統具有以下特點：各硬件組成結構緊溱，歐式PIN接插件可靠性強于金手指型，優質鋁合金外殼封型較好，因此特別適宜于安裝在環境惡劣的工作場所，與上位機通信靈活，一根電纜進控制室即可，節約了大量的電線，且系統軟硬件環境的開放性使得其擴展及網絡化集成工作非常容易實現。另外其現場I/O模塊采用4000VDC光電隔離，具有及強的抗電磁干擾能力，各通道分別設置看門狗，且質量終身保用；控制器可雙機熱備，RAM/EEPROM方式仍你選擇，完成控制策略的執行及分發，并負責與主機的通信；單元控制器，協調本單元內各模塊、通道的工作，完成單元內的工程單位轉換、非線性處理、PID運算、報警處理、濾波、開方等基本操作，并與控制器進行實時數據交換，向控制器發出中斷請求等。該系統采用多級CPU并行處理模式，可靠性高，運算速度快，非常適用于實時測控領域。
　　3 控制軟件：
　　OPTO 22公司的FACTORYFLOOR工控軟件，完成控制應用程序的組態、調試、實時人機界面、通信控制以及實現工廠級管控一體化等。與其它組態軟件比較，其完全開放的系統模式及第三方產品（只要是用Microsoft VB/VC++開發的應用程序）的良好兼容性，為用戶提供了最友好的二次開發環境。
　　4 現場儀表及執行器：
　　　　1） 37KW引風機、11KW送風機及爐膛鼓風機，采用西門子公司ECO系列變頻器控制；
　　　　2） 日本生產的大氣露點儀，用于監視環境濕度的變化；
　　　　3） 密度式料液濃度計；
　　　　4） 笛型管配套電容式差壓變送器，對熱風量進行監測；
　　　　5） 電容式差式變送器測負壓，監視換熱器及干燥塔的工作狀態；
　　　　6） 利用鎧裝熱電阻快速準確測量料液溫度；
　　　　7） 氣動薄膜調節蝶閥，對經過換熱器的熱載體部分旁路，進行塔頂溫度修正；
　　四、 控制關鍵：
　　1 開關量部分：
　　　　1） 根據人工指令，并結合高位槽料位情況以及料液溫度控制料泵的運行；
　　　　2） 根據人工指令、熱風溫度及熱風量的大小以及運行中隔膜泵的壓力變化，控制隔膜泵的運行。
　　　　3） 根據爐膛溫度與其設定值的偏差，進行送煤機的時間比例（TPO）控制；
　　　　4） 按熱風爐操作規程進行排渣提醒，并在規定時間內無人工排渣過程時，進行強制定時排渣；
　　　　5） 高位槽、低位槽及水沫除塵料位報警；
　　　　6） 對人工停車指令進行確認，按規程中的指標要求完成整個工藝過程（含熱風爐、換熱器）自動停車的全部順序控制；
　　2、模擬量（工藝參數）部分：
　　干燥過程工藝參數監控的最終目的是為了保證產品水分、不溶物及有效成分含量等理化指標符合產品質量標準要求，但就目前國內而言，還無法實現對以上工藝指標的連續在線檢測，但在工藝設備正常的情況下，只要把影響干燥過程熱量平衡及物料平衡的操作參數進行平穩控制，并根據一些不可控因素（大氣濕度、溫度、料液溫度、濃度）的變化，適當修正操作參數，仍然可使產品的質量指標較小的波動，從而獲得較好的控制效果。
　　另外，從控制的角度來看此具體干燥工藝，是一個典型的多輸入/多輸出系統（MIMO），其中某些耦合關系還存在較復雜的非線性特征；由于隔膜泵結構所限，無法對其打料進行自動流量控制，也就是說，在系統處于全自動運行狀態時，料液流量在任何情況下都有相對穩定（除非設備管道故障），這就限制了所采取的調節手段只能在熱風系統進行（比如：風量、進塔/出塔溫度、進塔出塔負壓等），無論是熱風系統本身還是環境、原料屬性（溫度、流量、壓力及濃度等）引起的干燥狀態的改變，都只能由熱風參數的變化來得到修正。如前述，由于熱風爐固有的熱慣性及其對進塔熱風溫度有嚴重的純滯后影響，這就很難保證干燥狀態在任何情況下（工藝設備管道故障除外）都能得到較好的穩定。因此若采用常規PID算法實現參數的自調幾乎是不可能的。

　　針對以上情況，在系統具體實現上，我們在各個相對獨立的控制環節分別采取了以下措施：
　　1） 熱風爐爐溫自動控制；
　　首先計算塔頂溫度與其設定值的偏差Et1及塔底溫度與其設定值的偏差Et2的加權和，并將其作為爐溫設定值（初值由人工給定）的修正增量對爐溫設定值進行在線實時修正。
對爐溫的具體控制，同步采取了兩種手段：
　　一是根據爐溫的偏差對送煤機進行時間比例（TPO）控制；同時也利用爐溫偏差對熱風爐送風機進行增量型PI控制。其目的在于盡量減小熱風爐熱慣性的影響并最大可能地保證煤的完全燃燒。增設煙道氣負壓及換熱器出口溫在線檢測，對換熱器及爐尾引風機運行狀況進行監視。
　　2） 干燥狀態自動控制系統：
　　即是指利用熱風量、爐溫及干燥引風機對干燥過程的各工藝參數進行自動控制，工藝參數包括熱風是量、熱風溫度、進塔/出塔空氣負壓、出塔斯社尾氣溫度等。如前所述，在運行過程中，需根據一些不可控因素的變化對工藝參數的設定值作相應調整。
　　具體實施時，利用矩陣分析方法對某些工藝參數進行多重解耦控制，從而達到盡量減小控制回路間串擾的目的，見下框圖（圖3）；




　　附：解耦前工藝參數影響關系：
　　如圖所示，對于象大氣溫度、濕度以及料液溫度、濃度這樣漸變的，但又不可忽視的不可控干擾，利用來實時在線修正工藝參數設定值，但系統具有前饋校正的特性，從而改善由于熱風系統存在大的純滯后特性而對控制品質造成的不良影響。
　　3） 所有PID環節都采用增量型算法，即：
　　U（K）=A*E（K）-B*E（K-1）+C*E（K-2）

　　　　A=Kc（1+T0/T1+Td/To）
　　　　B=Kc(1+2*Td/To)
　　　　C=Kc(Td/To)
　　　　　　　 E(k)=Qr(k)-Q(K)

　　式中：
　　　　U(K——為第K次采樣周期時系統的控制作用；
　　　　E(K)——為第K次采樣周期的偏差；
　　　　Qr(K)——為第K次采樣周期的給定值；
　　　　Q(K)——為第K次采樣的實測參數值；
　　　　Kc——比例環節主導時間常數；
　　　　T0——受控環節主導時間常數；
　　　　T1/Td——分別主積分/微分時間
　　五 系統實際運行情況：
　　1 工藝參數的控制質量指標：
　　　　1） 爐溫的穩定度為：一般情況下，偏差<=2.5℃，設定值大幅度調整時，其最大超調不超過10℃；
　　　　2） 負壓的調整精度為：偏差<=50Pa.
　　　　3） 進/出塔氣體溫度的穩定度為：偏差<=±0.5℃;
　　　　4） 在大氣濕度不變的前提下，風量的波動<=5%;
　　　　5） 投入自動時不需要象常規PID那樣要求有嚴格的前提條件；工藝設備不正常（主要指隔膜泵壓力不穩）時，系統自動切入手動操作模式。
　　2 各項經濟技術指標考核結果：
　　本系統自去2000年9九月份投運后，各項指標均達到合同要求。在能耗（煤、電）基本不變的前提下，單產量度增加了18%以上，由原來的313Kg/h（合同規定）增加到370Kg/h以上；產品水分波動范圍由原來的7.5%-12%縮小到0.5%以內，不溶物含量也由原來的0.3%-0.55%減小到0.2%以內，從而使鉻含量的穩定度大大提高。另外在生產過程中，由于原料量（隔膜泵開度）保持不變，系統處于均衡生產狀態下，從而減小了故障停車時間，原來幾乎每個班要撤換或清洗一次孔板，同時由于滴料等原因造成的結塊現象嚴重，幾乎每出2桶粉料就有1桶塊料。投入本系統后，只要隔膜泵不出故障（比如卡彈），可作到24小時甚至更長時間的不間斷生產，每個班所出的塊料不到1桶（原來為7-8桶）。
　　熱風爐處于微負壓運行狀態，且爐溫也平衡下來，不再出現以前那種忽高忽低、波動范圍達20-30℃的情況，而且爐膛送風機一般不會工作在最大負荷下，因此熱風爐及其輔設的故障率也大大地降低了。
　　在去年上半年我們到該廠考察期間，經常遇到熱風爐故障（比如：正壓燃燒或溫度過高造成爐墻開裂，水冷管爆裂等，以及送煤機、鼓風機及爐尾引風機燒毀等）。自投入本系統至元旦節前，由于熱風爐故障引起的停車共計2次，其中 一次為煤斗提升裝置機械故障所致。而且還未出現過燒毀電機、爐墻開裂這樣較嚴重的事故。