閆素杰，翟 明，王 哲

（江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院 自動化研究室，江蘇 張家港 215625）

摘 要：通過數(shù)據分析確定球團焙燒因素的相關性，制定模糊控制規(guī)則，結合PID算法實現(xiàn)焙燒溫度智能化調節(jié)。該控溫方法有效解決球團焙燒過程隨時間和生產的熱傳導模型不恒定、遲滯性強的控制問題，在連續(xù)生產情況下各個焙燒環(huán)節(jié)溫控精度±10 ℃，球團礦轉鼓指數(shù)由95.38%（+6.3 mm）提高到97.89%（+6.3 mm），抗壓強度由2 006 N/個提高到3 149 N/個。

關鍵詞：球團焙燒；溫度智能調節(jié)；數(shù)據分析；PID算法；模糊控制

在球團生產中，預熱、焙燒、冷卻是使球團礦物理指標達標的關鍵過程，此過程中精準、穩(wěn)定的溫控是成品球質量的保證。

目前，國內球團焙燒各環(huán)節(jié)靠人工憑經驗調節(jié)，由于溫度點多、能量場復雜、干擾多等原因，人工控制難度大。同時，由于礦粉資源有限，進口礦增多，原料多變，所以焙燒過程存在溫控復雜、出錯率高、調節(jié)不及時等問題。

以沙鋼“鏈篦機-回轉窯-環(huán)冷機球團生產溫度調節(jié)智能化改進”項目為背景，將數(shù)據分析、PID模糊控制等技術與生產實際結合，實現(xiàn)了球團焙燒過程一鍵操作，使球團礦焙燒溫度調節(jié)智能化、準確化，提高球團礦質量。

1 鏈篦機-回轉窯-環(huán)冷機球團礦生產工藝

鏈篦機-回轉窯-環(huán)冷機生產工藝是使生球發(fā)生一系列物理、化學變化，顯著提高其機械強度，以滿足運輸及高爐冶煉要求的過程，包括干燥、預熱、焙燒、冷卻 4 個過程。干燥過程包括鼓干段、抽干段，溫度控制區(qū)間為50～550 ℃，蒸發(fā)生球水分，排除物料中部分結晶水；預熱過程包括預熱I、預熱II段，溫度控制區(qū)間為600～1 050 ℃，把磁鐵礦氧化成赤鐵礦、碳酸鹽礦物分解等反應；焙燒過程溫度控制區(qū)間為 1 200～1 300 ℃，鐵氧化物結晶、再結晶；冷卻過程包括環(huán)冷 I、II、III、IV 段，球團礦溫度冷卻到＜120 ℃^［1］。具體流程如圖1所示。

2 影響因素的分析

2.1 數(shù)據樣本建立

根據生產工藝操作將球團生產過程的長期數(shù)據分成工藝溫控點數(shù)據（鼓干段、抽干段、預熱I段、預熱II段、回轉窯、環(huán)冷I段、環(huán)冷II段、環(huán)冷III段、環(huán)冷 IV 段溫度）和操控因素數(shù)據（鼓干段排風機、鼓干風機、回熱風機1、回熱風機2、煤氣閥、環(huán)冷風機I、環(huán)冷風機II、環(huán)冷風機III、環(huán)冷風機IV開度）兩類。對數(shù)據進行抽取、排序、求均值、異常值剔除等，建立有效數(shù)據樣本^［2］。

2.2 數(shù)據相關性計算

在工藝溫控點溫度數(shù)據和操控因素數(shù)據之間進行數(shù)據相關性分析。數(shù)據樣本是連續(xù)變量且服從正態(tài)分布，所以采用皮爾遜相關系數(shù)公式進行相關系數(shù)計算，公式如下：

相關系數(shù)r的取值范圍為1～-1，1表示兩變量完全線性正相關，-1表示兩變量完全線性負相關，0 表示兩變量不相關，相關程度如表1所示。

通過數(shù)據分析軟件SPSS對數(shù)據相關性進行計算，這里以預熱II段溫度點情況為例，具體計算結果如表2所示。

2.3 數(shù)據關聯(lián)性結論

根據數(shù)據相關性情況，繪制系統(tǒng)主要因素關聯(lián)圖，進一步明確系統(tǒng)能量流動方向及其關聯(lián)設備。如圖 2 所示，系統(tǒng)按能量傳導方向分為 3 個方向。方向 1：從環(huán)冷機到主抽風機，包括回熱風機 1、2。方向2：球團礦進入系統(tǒng)流經鼓干段、抽干段、預熱I、II段、回轉窯、環(huán)冷I、II、III、IV段，最后排出系統(tǒng)。方向3：從冷卻風機III經鼓干風機到鼓干排風機。

溫度智能化控制策略根據圖2結論，整個系統(tǒng)的能量來源是煤氣燃燒、球團礦氧化還原反應釋放和環(huán)冷機余熱回收，這 3 部分是整個系統(tǒng)的熱源，對鏈篦機、回轉窯各段進行供熱。對于環(huán)冷I、II、III段溫度是熱源內部風機控制問題，方向 1 的控制解決抽干段、預熱 I 段、預熱II段、回轉窯焙燒溫度控制，方向2的控制穩(wěn)定方向1，同時解決環(huán)冷I、II、III段溫度控制，方向3解決鼓干段溫度控制。

3.1 方向1控制

根據方向1，把主抽風機與窯頭負壓PID閉環(huán)。保證方向1回路的氣流走向平穩(wěn)，確保環(huán)冷I段、環(huán)冷II段生產負壓，保證能量順利傳導。參考窯頭、窯中、窯尾、預熱II段溫度，將其與煤氣閥開度PID閉環(huán)。實現(xiàn)煤氣按需自動調配。其控制框圖如圖3所示。抽干段溫度與回熱風機開度PID閉環(huán)，如圖4所示。

3.2 方向2控制

根據方向2，對進料量做恒定控制，使3部分熱能恒定。由于球團礦回轉窯焙燒后攜帶高能量，根據其流動方向，將回轉窯窯頭、環(huán)冷I段、環(huán)冷II段、環(huán)冷III段溫度與對應環(huán)冷風機開度PID閉合，進行PID溫度跟蹤隨動調節(jié)。

3.2.1 進料量恒定控制

把料厚與鏈篦機機速作PID閉環(huán)控制，系統(tǒng)料層控制在 190 mm 左右，偏差 10 mm。對設定值與回饋值偏差取絕對值，對數(shù)據進行特征提取，制定模糊控制規(guī)則，利用梯度法實時推送P、I、D參數(shù)對料厚進行調節(jié)，提高系統(tǒng)在前端不同原料量情況下的適應性，同時動態(tài)調整回轉窯、環(huán)冷機速度匹配參數(shù)，來調整球團礦在回轉窯、環(huán)冷機的停留時間^［3-4］。其控制框圖如圖5所示。

3.2.2 環(huán)冷機I、II、III段溫度隨動調節(jié)

冷環(huán) I、II、III 段溫度壓力工藝要求：I 段 950～ 1 150 ℃，II 段 650～850 ℃，III 段 200～250 ℃。根據方向2，由于回轉窯后具有高能量的球團礦的流動，使得這 3 段溫度存在高度耦合，所以溫度控制也應該是以回轉窯窯頭溫度為原點，逐級隨動調節(jié)，即前一級的溫度與下一級溫度相關聯(lián)。制定模糊控制規(guī)則，實時比較計算前后級溫度偏差，動態(tài)推出參數(shù) P、I 給下一級 PID 模塊，提前調節(jié)，以提高系統(tǒng)適應性，穩(wěn)定各段溫度。其控制框圖如圖6所示。

3.3 方向3控制

鼓干段模糊PID控制策略如圖7所示。系統(tǒng)將環(huán)冷溫度與壓力分別由兩個PID模塊進行控制，設計兩個模糊控制器，分別以壓力、壓力變化率、溫度、溫度變化率作為模糊控制器的輸入。通過各自的模糊規(guī)則運算，調整各自比例（Kp）、積分（Ki）、微分（Kd）3個參數(shù)，使得鼓干段的鼓干風機開度PID控制具有良好的動、靜態(tài)性能。根據工藝控制要求制定合理的優(yōu)先推送機制，對鼓干風機進行實時智能調節(jié)，從而控制鼓干段溫度與壓力，達到鼓干段智能自動操作的目的。

4 模糊控制

PID模糊控制技術是PID控制和模糊控制的結合，即在常規(guī)PID調節(jié)器的基礎上，對采集的料厚、煤氣管道壓力、預熱II段溫度、環(huán)冷I段溫度、各段壓力等數(shù)據進行數(shù)據分析，應用模糊理論建立參數(shù)P、I與偏差絕對值E的對應關系，建立模糊控制器，根據不同的E在線自整定參數(shù)P、I。這種控制方法不依賴于對象的模型，設計簡單，容易實現(xiàn)，提高系統(tǒng)整體適應性^［3-4］。

4.1 數(shù)據特征提取

以環(huán)冷I段為例，繪制數(shù)據分布圖。根據環(huán)冷I段前一級回轉窯窯頭溫度偏差數(shù)據分布，確定溫度偏差較大的數(shù)據分布范圍為100～150 ℃，150～200 ℃。 根據環(huán)冷I段溫度偏差數(shù)據分布，確定溫度偏差的數(shù)據分布范圍為0～100 ℃，100～200 ℃，200～300 ℃。

4.2 模糊控制規(guī)則

以環(huán)冷I段溫度控制規(guī)則制定為例。根據數(shù)據分布情況，結合PID程序整定參數(shù)情況制定參數(shù)對應規(guī)則表，見表3。其中預熱II段參數(shù)優(yōu)先級高于環(huán)冷I段參數(shù)，這樣完成前后級溫度隨動控制^［4］。

5  應用效果

溫控智能化改進節(jié)省了人力，消除了人為操作不穩(wěn)定因素，使整個球團焙燒過程溫度精準化，提高了球團礦質量。系統(tǒng)投用以來，運行穩(wěn)定，在連續(xù)生產情況下各個焙燒環(huán)節(jié)溫控精度在±10 ℃，球團礦轉鼓指數(shù)由 95.34%（+6.3 mm）提高到 97.89%（+6.3 mm），抗壓強度由 2 006 N/個提高到3 149 N/個。

參考文獻：

［1］ 潘向陽，龍躍，徐晨光，等.堿度及焙燒溫度對球團礦抗壓強度影響的研究［J］.鋼鐵礬鈦，2017，38（3）：88-93.

［2］ 趙利國.鏈箅機-回轉窯球團煙氣NOx控制技術與前置SCR脫硝工藝分析［J］.礦業(yè)工程，2021，19（6）：51-54.

［3］ 任新瑞，馬立新.負荷跟蹤型主蒸汽溫度智能控制系統(tǒng)研究［J］.控制工程，2020，22（2）：1-7．

［4］ 柴琳.加熱爐爐溫PID模糊控制方法的研究［J］.電氣傳動自動化，2014，36（2）：24-26.