硫酸生产过程自动串酸系统的开发
日期：2008-8-8 1:00:44 来源：中国自动化网
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摘要：介绍硫酸生产过程自动串酸系统的组成,简述了冶炼烟气制酸条件下，该系统的多变量、时变、时滞等特性，并由此采取的控制方式。系统投运以来，不断对控制方案和参数进行完善，使其更适应工艺生产的要求，取得良好的控制效果。
关键词：KMM调节器多变量时滞采样控制
Development of the automatic sulphuric acid connecting system in the process of production
Li Zhan
(Design Dept,Yunnan Copper Co Ltd Kunming 650102)
Abstract The construction of the automatic sulphuric acid－ connecting system in the process of production is introduced. The suitable control method is taken to adapt to multi－ variable, time variable and dead time features of the system. The control programme and parameters have been continually improved in order to meet the need of production and perfect control effect has been achieved since the system put into operation.
Key words KMM regulator; multi－ variable; dead time; sampling control
在有色冶金SO2烟气制酸生产过程中，烟气的干燥和吸收系统是极其关键的生产环节。干燥塔循环酸浓度控制好时，可以降低烟气中水分的含量，减少稀酸的生成及由此引起的设备腐蚀；吸收酸浓度的稳定可以提高硫酸产品的质量和数量，降低尾气的排放量，起到保护环境的作用。然而，要使干燥、吸收系统处于良好的运行状态，仅仅通过手工对93％硫酸槽和98％硫酸槽液体的互串，是很难实现的，因为手工调节效果的好坏跟操作工的技能、积极性以及工艺系统的各种特性有较大的关系，加上我厂的生产属于冶炼烟气制酸，烟气SO2浓度的含量波动大，这给串酸操作增加了难度。因而，改变我厂干吸工段生产操作落后、工作量大的状况，实现自动串酸，是我们一直试图解决的问题。
1 系统组成
以前，我们使用过多种型号的93％硫酸浓度计，但使用效果均不理想。1996年，我们开始试用上海同济大学超声波检测仪开发部生产的ND－2型93％、98％硫酸浓度计。该仪表采用超声检测技术对被测二元液体的浓度进行测定，通过测定被测液体中一定距离上超声传播的声时、液体的温度，然后与机内储存的该液体的浓度、声时、温度关系进行比较，精确确定被测液体的浓度。由于采用了随机地测量时间间隔后平均、过零电平检测、测量声时的精测尾时方法及提高超声发射接收能力等技术措施，大大提高了测量的精度。该表测量精度高达±0.25％，二次仪表可输出线性的4～20mA或1～5V信号给调节系统，且性能稳定，日常维护量小。我厂从1996年到目前为止已使用了5台，运行状况一直很好。同时，我们采用了德国VEGA公司生产的高精度耐腐蚀超声波液位计检测酸槽液位。这样，关键的硬件设备已能达到控制系统的要求。
该系统由以下设备组成：两台KMM可编程调节器，两台酸浓度计(93％、98％各1台)，1台超声波液位计(测量98％酸槽液位)，两台串酸隔膜阀，1台放酸球阀，1台加水电磁阀，两台阀门控制器，以及配套的两台手动操作器，1台配电器，两台伺服放大器。现以98％硫酸浓度、液位调节回路系统为例，介绍系统组成和功能，见图1。
2 系统特点
调节系统能否正常运转，取决于对相关工艺生产系统的特性分析和了解，并由此选择恰当的调节参数和方案。该系统的整个过程具有多变量、时变、时滞的特点，概括为以下几点。
(1)在干燥、吸收的生产过程中，不仅要考虑93％、98％酸浓度的平衡，而且还要考虑它们的液位平衡，由此，控制方案必须考虑到酸浓度、酸槽液位及各执行机构的位置反馈信号等多种变量的相互关系。
(2)系统负载(SO2浓度，93％、98％硫酸浓度)随时间变化较大，即具有时变性，与焙烧硫铁矿产生的SO2浓度相比较，我们的生产即使在炼铜系统稳定的一周期或二周期，SO2浓度的波动也较大，从而导致硫酸浓度的不稳定。
(3)被控制系统滞后较大，即控制机构虽已动作，但并不能立即引起被控量的改变。表现在：手动状态时，串浓酸阀全部打开，系统的浓度从93％改变至93.5％大约需要5min的时间，这是因为整个系统容量大，当某一被控量的平衡被破坏，要达到新的平衡，需要一定的时间。
3 开发思路
针对以上特点，我们采取了相应的解决办法：
(1)根据生产工艺要求，在93％、98％酸槽液体互串的同时，当两边硫酸的浓度值均高于某一规定值时，才允许打开加水阀，加水至93％酸槽；当98％酸浓度、酸槽液位均达到其规定值时，开98％放酸阀生产98％成品酸；当酸槽液位低于某一值时，关闭放酸阀。另外，因为生产系统的两个循环槽容量小，使酸的液位高度难平衡，生产状况较好和较差时都偶尔会使某一酸槽液位超标，而这时又达不到排放条件，为排除这种不稳定性，在两个循环槽溢流管上安装了一个平衡阀，这样，在某一酸槽液位过高时，可通过溢流来获得平衡。
(2)为克服时变给控制带来的困难，采取了对输入数据进行折线和滤波处理，调节的各种参数(如比例、积分、微分等)设置也较恰当。当SO2烟气、浓度、流量不正常时，如果阀门全开或全关都不能获得理想的调节效果，为不使执行器频繁地碰撞限位，在调节输出中加入了上、下限幅运算功能模块。
(3)对滞后现象的克服，我们选用采样调节方式，如图2中的ADD、PWM、SW等模块组成采样回路。PWM为脉冲宽度调制模块，其输出接通时间为采样时间，其输出断开时间为保持时间，采样时间加保持时间的总和(调节周期)是由TPAR1决定。而采样时间与保持时间的比值由H1决定。调试过程中，要求调节周期和采样时间可调，但KMM编程时又不允许在H1端直接设为可变参数。因此，增加ADD模块，通过PPAR2可变参数设置为0，使ADD模块的输出值仅取决于PPAR1和PPAR3的乘积来达到上述目的。
真正实现采样调节是通过SW两点切换模块实现的，当SW的P1端为ON时，浓度计检测信号作为调节器PID1的PV值进行采样调节；当SW的P1端为OFF时，PID1的设定值信号同时作为调节器PID1的PV值，从而使调节器无偏差，输出保持。调节系统动作0.5min，然后保持现有状态，2min后又开始下一个0.5min的调节，这样，使系统有一个平衡的时间，既反映了系统的真实状况，又避免了设备的频繁动作。
综上所述，我们采用了采样PID控制，输出模拟信号AO1，经上下限幅，控制串酸阀门。通过与门输出数字信号DO1控制放酸阀门控制器及放水阀门控制器。见图2。
4 结语
该系统于1998年初开始设计，随后投入运行至今。其间，先后不断对控制方案及参数进行调整、优化，使控制系统更能适应生产工艺的要求，实现了冶炼烟气条件下的自动串酸，大大地减小了操作工的工作量。原来利用手工操作，93％、98％酸浓度变化范围为2％，现在可以控制在0.6％以内。
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关键词：KMM调节器多变量时滞采样控制
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Li Zhan
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Abstract The construction of the automatic sulphuric acid－ connecting system in the process of production is introduced. The suitable control method is taken to adapt to multi－ variable, time variable and dead time features of the system. The control programme and parameters have been continually improved in order to meet the need of production and perfect control effect has been achieved since the system put into operation.
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Key words KMM regulator; multi－ variable; dead time; sampling control
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在有色冶金SO2烟气制酸生产过程中，烟气的干燥和吸收系统是极其关键的生产环节。干燥塔循环酸浓度控制好时，可以降低烟气中水分的含量，减少稀酸的生成及由此引起的设备腐蚀；吸收酸浓度的稳定可以提高硫酸产品的质量和数量，降低尾气的排放量，起到保护环境的作用。然而，要使干燥、吸收系统处于良好的运行状态，仅仅通过手工对93％硫酸槽和98％硫酸槽液体的互串，是很难实现的，因为手工调节效果的好坏跟操作工的技能、积极性以及工艺系统的各种特性有较大的关系，加上我厂的生产属于冶炼烟气制酸，烟气SO2浓度的含量波动大，这给串酸操作增加了难度。因而，改变我厂干吸工段生产操作落后、工作量大的状况，实现自动串酸，是我们一直试图解决的问题。
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1 系统组成
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以前，我们使用过多种型号的93％硫酸浓度计，但使用效果均不理想。1996年，我们开始试用上海同济大学超声波检测仪开发部生产的ND－2型93％、98％硫酸浓度计。该仪表采用超声检测技术对被测二元液体的浓度进行测定，通过测定被测液体中一定距离上超声传播的声时、液体的温度，然后与机内储存的该液体的浓度、声时、温度关系进行比较，精确确定被测液体的浓度。由于采用了随机地测量时间间隔后平均、过零电平检测、测量声时的精测尾时方法及提高超声发射接收能力等技术措施，大大提高了测量的精度。该表测量精度高达±0.25％，二次仪表可输出线性的4～20mA或1～5V信号给调节系统，且性能稳定，日常维护量小。我厂从1996年到目前为止已使用了5台，运行状况一直很好。同时，我们采用了德国VEGA公司生产的高精度耐腐蚀超声波液位计检测酸槽液位。这样，关键的硬件设备已能达到控制系统的要求。
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该系统由以下设备组成：两台KMM可编程调节器，两台酸浓度计(93％、98％各1台)，1台超声波液位计(测量98％酸槽液位)，两台串酸隔膜阀，1台放酸球阀，1台加水电磁阀，两台阀门控制器，以及配套的两台手动操作器，1台配电器，两台伺服放大器。现以98％硫酸浓度、液位调节回路系统为例，介绍系统组成和功能，见图1。
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2 系统特点
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调节系统能否正常运转，取决于对相关工艺生产系统的特性分析和了解，并由此选择恰当的调节参数和方案。该系统的整个过程具有多变量、时变、时滞的特点，概括为以下几点。
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(1)在干燥、吸收的生产过程中，不仅要考虑93％、98％酸浓度的平衡，而且还要考虑它们的液位平衡，由此，控制方案必须考虑到酸浓度、酸槽液位及各执行机构的位置反馈信号等多种变量的相互关系。
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(2)系统负载(SO2浓度，93％、98％硫酸浓度)随时间变化较大，即具有时变性，与焙烧硫铁矿产生的SO2浓度相比较，我们的生产即使在炼铜系统稳定的一周期或二周期，SO2浓度的波动也较大，从而导致硫酸浓度的不稳定。
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(3)被控制系统滞后较大，即控制机构虽已动作，但并不能立即引起被控量的改变。表现在：手动状态时，串浓酸阀全部打开，系统的浓度从93％改变至93.5％大约需要5min的时间，这是因为整个系统容量大，当某一被控量的平衡被破坏，要达到新的平衡，需要一定的时间。
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3 开发思路
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针对以上特点，我们采取了相应的解决办法：
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(1)根据生产工艺要求，在93％、98％酸槽液体互串的同时，当两边硫酸的浓度值均高于某一规定值时，才允许打开加水阀，加水至93％酸槽；当98％酸浓度、酸槽液位均达到其规定值时，开98％放酸阀生产98％成品酸；当酸槽液位低于某一值时，关闭放酸阀。另外，因为生产系统的两个循环槽容量小，使酸的液位高度难平衡，生产状况较好和较差时都偶尔会使某一酸槽液位超标，而这时又达不到排放条件，为排除这种不稳定性，在两个循环槽溢流管上安装了一个平衡阀，这样，在某一酸槽液位过高时，可通过溢流来获得平衡。
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(2)为克服时变给控制带来的困难，采取了对输入数据进行折线和滤波处理，调节的各种参数(如比例、积分、微分等)设置也较恰当。当SO2烟气、浓度、流量不正常时，如果阀门全开或全关都不能获得理想的调节效果，为不使执行器频繁地碰撞限位，在调节输出中加入了上、下限幅运算功能模块。
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(3)对滞后现象的克服，我们选用采样调节方式，如图2中的ADD、PWM、SW等模块组成采样回路。PWM为脉冲宽度调制模块，其输出接通时间为采样时间，其输出断开时间为保持时间，采样时间加保持时间的总和(调节周期)是由TPAR1决定。而采样时间与保持时间的比值由H1决定。调试过程中，要求调节周期和采样时间可调，但KMM编程时又不允许在H1端直接设为可变参数。因此，增加ADD模块，通过PPAR2可变参数设置为0，使ADD模块的输出值仅取决于PPAR1和PPAR3的乘积来达到上述目的。
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真正实现采样调节是通过SW两点切换模块实现的，当SW的P1端为ON时，浓度计检测信号作为调节器PID1的PV值进行采样调节；当SW的P1端为OFF时，PID1的设定值信号同时作为调节器PID1的PV值，从而使调节器无偏差，输出保持。调节系统动作0.5min，然后保持现有状态，2min后又开始下一个0.5min的调节，这样，使系统有一个平衡的时间，既反映了系统的真实状况，又避免了设备的频繁动作。
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综上所述，我们采用了采样PID控制，输出模拟信号AO1，经上下限幅，控制串酸阀门。通过与门输出数字信号DO1控制放酸阀门控制器及放水阀门控制器。见图2。
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4 结语
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该系统于1998年初开始设计，随后投入运行至今。其间，先后不断对控制方案及参数进行调整、优化，使控制系统更能适应生产工艺的要求，实现了冶炼烟气条件下的自动串酸，大大地减小了操作工的工作量。原来利用手工操作，93％、98％酸浓度变化范围为2％，现在可以控制在0.6％以内。
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