氧化铝熟料窑监控系统的设计与应用.pdf

2 0 1 2 年1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 I ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 2 ．0 0 7 氧化铝熟料窑监控系统的设计与应用 易正明1 ，肖慧1 ，刘志明2 ，周孑民2 1 ．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉4 3 0 0 8 1 ； 2 。中南大学能源科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要在某氧化铝厂熟料烧结生产工艺的基础上，设计了该厂氧化铝熟料窑在线监控系统。系统应用窑 内热工在线仿真和火焰图像处理结果，利用熟料窑硬件检测参数和软件管理模块，在数据通讯的基础上 实现氧化铝熟料生产的在线监控。应用结果表明，系统能有效地监控窑内热工状况，实现了降低能耗和 生产成本的目的，提高了管理的现代化水平。 关键词氧化铝；熟料窑；在线监控；图像处理；数据通讯 中图分类号T F 8 2 1 ；T P 2 7 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 2 - 0 0 2 3 - 0 4 D e s i g na n dA p p l i c a t i o no fM o n i t o r i n gS y s t e m o nA l u m i n a C l i n k e rR o t a r yK i l n 1 Y IZ h e n g r u i n 9 1 ，X I A OH u i l ，L I UZ h i r u i n 9 2 ，Z H O UJ i e m i n 2 K e yI ，a b o r a t o r yf o rF e r r o u sM e t a l l u r g ya n dR e s o u r c e sU t i l i z a t i o no tM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ．W u h a n U n i v e r s i t yo fS c i t n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； S c h o o lo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t A no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fa l u m i n ar o t a r yk i l ni sd e s i g n e db a s e do nt h ec l i n k e rs i n t e r i n gp r o d u c t i o np r o c e s si na na l u m i n ap l a n t ．A p p l y i n gt h et h e r m a lo n l i n es i m u l a t i o na n df l a m ei m a g ep r o c e s s i n gr e s u i t s ，t h es y s t e mm a k e s { u l tu s eo { t h er o t a r yk i l nh a r d w a r ed e t e c t i o np a r a m e t e r sa n ds o f t w a r em a n a g e m e n tm o d u l et or e a l i z eo n l i n em o n i t o r i n go fa l u m i n ac l i n k e rp r o d u c t i o no nt h eb a s i so fd a t ac o m m u n i c a t i o n ． T h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mp r o v i d e sa ne f f i c i e n tm o n i t o r i n go fk i l nt h e r m a lc o n d i t i o n sr e d u c e se n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o nC O S “ [ ，a n di m p r o v e sm a n a g e m e n tl e v e l ． K e yw o r d s a l u m i n a ；c l i n k e rk i l n ；o n l i n em o n i t o r i n g ；i m a g ep r o c e s s i n g ；d a t ac o m m u n i c a t i o n 熟料煅烧是烧结法生产氧化铝工艺中的关键工 序，生产过程中煤粉通过一次风喷送到离窑头较近 的烧结带，与底部进入的二次风在高温下混合燃烧， 生料浆通过料浆泵喷入熟料窑尾部，依靠重力和旋 转下落到窑头，经过干燥、加热、煅烧等一系列的物 理化学反应，最后形成氧化铝熟料，掉落到冷却机上 进行冷却[ 1 j 。由于熟料窑内过程复杂，窑内温度等 热工参数难于提取，熟料质量只能通过冷却机出口 收稿日期2 0 1 2 0 82 0 基金项目科技部科技型q u d , 企．, l k 技术创新基金 1 1 C 2 6 2 1 4 2 0 2 5 9 9 作者简介易正明 1 9 7 3 ，男，湖北监利人，博士，副教授． 取样确定，无法及时得到反馈信息对熟料窑进行有 效控制。熟料窑烧结带的温度受煤粉、烟雾、火焰等 影响，测量值不能准确反应实际温度，瞬时值变化波 动大，系统跟踪能力差，使基于烧结带温度的控制器 性能较难稳定，甚至使该控制器失效口。3 ] 。本文通 过对某公司氧化铝熟料窑生产现场的调查研究，运 用物料平衡和能量平衡原理，对窑内热工过程进行 在线计算，获取窑内各带长度与温度参数，应用图像 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 2 期 处理技术获取熟料与火焰温度，并在此基础上设计 氧化铝熟料窑监控系统[ 4 _ 6 ] 。 1 熟料窑监控系统 氧化铝熟料煅烧过程通过控制给煤电机的转速 调节给煤量，物料在前进过程中逐渐被煅烧成熟料， 由于其生产过程的复杂性，采用传统的控制技术难 以获得满意效果。窑内烧结带温度是反映熟料烧结 指标的最直接参数，入窑煤粉的数量及其在窑内燃 烧的状况、位置都会对熟料烧成的质量起决定性作 用。但是，实际生产中煤粉的水分、质量和细度是经 常发生波动的，再加上入窑煤粉的数量也难以精确 控制，就增加了窑内煤粉燃烧状况的检测难度，也增 加了燃煤熟料窑生产的控制难度“ j 。 1 ．1 监控系统设计 针对氧化铝熟料窑原温度控制瞬时值波动大与 大滞后等问题，系统将图像处理技术和热工仿真运 用到窑内煤粉燃烧火焰和熟料烧成的在线监测上， 以达到自动识别窑内燃烧情况并判断对熟料烧成的 影响，建立以火焰、熟料和窑尾温度为输人的熟料窑 控制系统，采用模糊算法进行及时控制以维持熟料 窑的稳定运行。系统吸收熟料窑人工看火的经验， 应用物料平衡和能量平衡原理，对窑内热工过程进 行在线计算，利用摄像机提取窑内火焰和熟料的图 像，经计算机处理后，获得图像所反映的火焰温度和 熟料温度[ 8 ] 。由于生产现场环境恶劣，不确定因素 很多，用单一或太少的输入量会降低系统的可靠性， 在窑内相对比较清晰的正常工况下，火焰图像信号 能及时准确反映窑内温度和烧结情况，但当窑内温 度较低时，燃烧火焰变暗，窑内粉尘、烟雾对图像检 测的干扰加大，获取的火焰图像难以提供准确的窑 内温度和烧结工况，这时要加大在线仿真结果的权 重，减少图像处理取值的权重。 熟料窑监控系统综合利用在线仿真窑内温度计 算值和烧结火焰图像处理得到的温度值。当图像测 温温度在13 0 0 ℃以上时，以图像处理得到的火焰 温度值作为熟料窑的控制值，当图像测温温度在 12 0 01 3 0 0 ℃时，分别取两者的平均值作为熟料 窑的控制值，当图像处理得到的温度低于12 0 0 ℃ 时，则把在线仿真计算得到的温度值作为最终控制 系统的反馈值。 通过现场研究分析，系统选取反映熟料窑热工 制度的主要因素 火焰温度、熟料温度和窑尾温度 作为控制的输入量，以给煤机转速和排烟机风门开 度作为控制的输出量，其控制系统结构如图1 所示。 图1 熟料窑控制系统原理图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc l i n k e rk i l n c o n t r o ls y s t e m 1 ．2 模糊控制系统算法 窑尾温度由尾部热电偶检测得到，窑内火焰温 度和熟料温度由热工在线仿真和图像处理综合得 到。被控是一个多输人多输出对象，采用多输入多 输出系统进行控制口_ 1 ⋯。根据操作人员的控制经 验，将窑内火焰温度偏差、熟料温度偏差和窑尾温度 偏差分为五个等级。 回转窑火焰温度的测量范围为0 ～18 0 0 ℃，实 际生产中一般不会低于12 5 0 ℃，也不会高于l6 5 0 ℃，因此测量上下限定为12 5 0 ～16 5 0 ℃，工艺要 求控制在l4 5 0 ℃，系统以14 5 0 ℃为温度给定值， 并定义温度偏差为 E 1 一T 1 14 5 0 1 则E 1 的变化范围为一2 0 0 ～2 0 0 ℃，把变量E 1 模糊化，其对应的模糊变量分为正大 P L 、正小 P S 、零 Z E 、负小 N S 、负大 N L 五个模糊子 集，即 E 1 一{ N L ，N S ，Z E ，P E ，P L } 2 由于熟料窑模糊控制推理规则较多，控制精度 较高，采用正态分布隶属函数，对应各隶属函数分别 为 “E 1 一J e - 警 2 E 1 一2 0 0 3 肛ⅣL E 1 一J - 。’ 一 3 ～ I1E 1 ≤一2 0 0 肛M E 1 一e 学 2 4 肚Z F E 1 一e 学 2 5 p P s E 1 一e 墨铲 2 6 ㈨ E 1 一J e - 学 2 2 0 0 E 1 7 肛P L E 1 一j ‘下’ 7 。～ I 1 E 1 ≥2 0 0 同理，熟料温度测量上下限定为11 8 0 ～l3 0 0 ℃，定义温度偏差为E 2 ；窑尾温度测量上下限定为 1 6 0 ～2 8 0 ℃，定义温度偏差为E 3 ；给煤机转速上下 限定为8 0 0 ～10 0 0r ／m i n ，定义转速偏差为U 1 ；风 万方数据 2 0 1 2 年1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 5 门开度上下限定为3 0 ％～9 0 ％，定义风门开度偏差 为U 2 。模糊控制规则为，I fE 1a n dE 2a n dE 3t h e n U 1 ，U 2 ，在现场实际操作经验的基础上，得到一系 列模糊控制规则，实际运行中对某些规则予以合并。 2 监控系统结构 2 ．1 系统硬件 氧化铝熟料窑监控系统采用工控机 P L C 两 级控制结构，上位机监控系统采用带有图像采集卡 的I P C 作为中央控制机，负责仿真计算、图像处理、 自动控制和整个系统综合管理；处理窑头摄像机传 回的图像数据，进行下料量设定、窑内仿真及其它测 控计算，实现窑内各参数的在线显示与管理操作，与 下位机通讯获得系统在线数据，并向下位机传送处 理结果。下位机采用抗干扰能力强、可靠性高的 可编程控制器 P L C 进行数字和模拟信号的采集， 并对系统实现直接数字控制。 2 ．2 系统软件 熟料窑监控系统主要应用软件有V i s u a lB a s i c 6 ．0 和工业通用组态软件F I X7 ．0 。V i s u a lB a s i c 6 ．0 的主要功能有图像处理、仿真计算、自动控制 计算。在F I X 中，对熟料窑煅烧工艺流程进行组 态，并实现自动控制、动态显示、数据管理与报警等 功能。监控系统软件主要模块包括仿真计算模块、 图像处理模块、料浆控制模块、窑头与窑尾控制模 块、监视与管理模块等。 p 、、 魁 赠 宴 舔 p ＼ 魁 廷 羹 舔 2 ．3 数据通讯 熟料窑在线监控系统采用V i s u a lB a s i c 来开发 仿真程序，使用F I X 软件来采集和显示现场数据及 仿真结果。仿真程序需要从F I X 获得现场相关工 艺数据和热工参数，进行运算后得到各带长度以及 窑内温度场的分布情况等，同时这些参数又需要通 过F I X 传输给控制系统和操作人员使用，因此需要 在两者之间进行相关的数据传输。系统采用动态数 据交换 D D E 实现V i s u a lB a s i c 与F I X 之间的通 讯。 3应用效果 系统自投入运行以来，能根据生产实际实现参 数的优化控制，有效避免了手动调节控制参数的误 差，提高了生产技术经济指标。 3 ．1 运行曲线对比 图2 a 是监控系统投入后某段时间内熟料温度 和给煤机转速的历史曲线，图z b 是另一段时间内人 工控制的历史曲线，采样时间间隔为1m i n 。通过 比较可以看出，监控系统调节及时，可以保持窑内温 度的长时间稳定，具有较高的控制质量，而人工控制 有不同程度的滞后；自动控制调节幅度和波动较小， 人工控制调节幅度和波动较大。应用表明，系统能 避免人工操作造成的窑内温度波动，提高了产品质 量，同时减轻了工人的劳动强度，改善了工作环境。 时间／m i n 图2熟料温度和给煤机转速的自动控制曲线 a 和人工控制曲线 b F i g ．2 T h ec u r v eo fa u t o m a t i cc o n t r o l a a n dm a n u a lc o n t r o l b o fc l i n k e r t e m p e r a t u r ea n dc o a lf e e d e rs p e e d 3 ．2 节能效果对比 通过氧化铝熟料窑排烟口烟气的在线检测可 知，系统运行前，排出烟气中氧气和一氧化碳含量较 高，部分检测数据如下，O 。 于体积含量，％ 6 ．0 4 、 5 ．6 4 、6 。3 4 、6 。1 4 、5 。4 4 、5 ．8 4 ；C O ％ 0 ．5 8 、0 ．5 2 、 0 ．5 6 、0 ．4 5 、0 ．6 2 、0 ．4 9 。主要原因是由于人工加减 煤的幅度较大及风门开度调节不合理，煤粉与助燃 空气混合不均匀，加上熟料窑后恧弓I 风机和烟囱的 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．e n 2 0 1 2 年1 2 期 抽力，导致未燃烧的可燃物一氧化碳和助燃物氧气 快速到达排烟口直接排往大气。 系统运行后，窑内排出烟气中一氧化碳含量减 少，但氧气含量仍然较高，应控制熟料窑内的压力， 减少窑内漏风，部分检测数据如下，O 干体积含 量，％ 5 ．6 4 、6 ．0 3 、5 ．2 4 、6 ．1 2 、5 ．1 4 、5 ．0 6 ；C O ％ 0 ．2 9 、0 ．3 2 、0 ．2 1 、0 ．2 6 、0 ．3 6 、0 ．2 3 。 4结论 在对氧化铝熟料窑内热工过程在线仿真、工艺 参数全息监测、图像处理与模糊控制等进行研究的 基础上，设计了氧化铝熟料窑监控系统。该系统有 较快的响应速度、较高的精度和可靠性，能很好地稳 定窑内热工状况，其研制软件的用户界面友好，操作 简便，运行维护方便，大大降低了工人的劳动强度。 系统可根据现场生产情况来调整火焰摄像的位置以 及修改相关热工参数，也可应用于水泥企业的回转 窑。 参考文献 [ 1 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 3 ． [ 2 ] 易正明，吕子剑，刘志明．氧化铝回转窑火焰图像处理 与特征提取[ J ] ．仪器仪表学报，B 0 0 6 ，2 7 8 9 6 9 9 7 2 ． [ 3 ] 王琳灵，潘邵来，吕子剑．红外线扫描在氧化铝熟料窑 监控中的应用[ J ] ．抚顺石油学院学报，2 0 0 3 ，2 3 4 3 5 3 7 ． [ 4 ] 罗宗山．基于图像识别的二次仿真及在氧化铝回转窑 上的应用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 3 03 3 ． [ 5 ] 易正明，宋佳霖，马光柏，等．氧化铝回转窑熟料烧结过 程影响参数研究口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 3 43 7 ． [ 6 ] 罗宗山．氧化铝回转窑喷雾干燥塔的数值仿真[ J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 9 1 8 - 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