热压型煤工艺中对辊机成型装置的计算机控制程序

本发明涉及热压型煤工艺成型部分中对辊机的计算机控制 程序。

目前，在民用煤球和冷压型煤工艺中大都采用对辊机成型。 由于这些工艺都借助粘结剂来使煤成型，只要对辊机转速足能 把煤料”吃掉”即可成型。因此对对辊机的控制无特殊要求，没 有采用自动控制装置，甚至连测压仪表也不装。但在热压型煤 工艺中，没有填加任何粘结剂，利用煤在快速加热到软化点后 的塑性加压成型。成型压力直接影响着型煤的质量。如果控制 不好，非但型煤质量不能保证，还可能出现热煤外溢，引起火 灾的危险。

本发明的目的是通过在对辊机上安装仪表和执行机构提供 对对辊机成型质量的计算机自动控制。

本发明是一种计算机控制程序，对由螺旋挤压机、对辊机 所构成的热压型煤成型装置进行自动控制，其特征在于：在对 辊机上辊轴的两端各安装一个荷重传感器来测量辊承受的径向 成型压力，由计算机对所测讯号进行低通数字滤波后作带死区 的PID运算，用运算结果去控制转速，以维持成型压力为设定 值。程序能自动地判断煤料的断和续，相应地改变控制回路的 状态，以避免对辊频繁启停。并用限位开关检测煤料上拱，防 止热煤外溢，引起火灾。

热压型煤工艺的成型装置如图1所示，该装置及控制程序 的运作过程如下：

螺旋挤压机⑦将快速加热到软化温度的热煤⑩挤压成塑性 粘状煤带④，进入由电机⑨驱动的对辊①和②之间，被对辊压 成与辊皮凹模形状相同的型煤③(以下简称球)。为保证球有 一致的良好的坚实程度，采用成型压力闭环控制。具体实现方 法如下：在对辊机上辊①的轴两端各装一个荷重传感器⑥，测 量辊承受的径向成型压力F，通过计算机控制程序和变频调速 器⑧改变电机⑨的转速来改变压球速度：当F大于设定值时， 说明来煤增多，应加快电机转速；反之，当F小于设定值时则 降低转速，以维持压力F为设定值，保证球有一致的坚实性， 同时不致发生煤料吃不了，煤带上拱外溢。

压力F的控制由计算机程序实现，采用通用的位置型PID控 制算法： $M_n=K_c\times e_n+K_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{e}_j-K_r({\mathrm{PV}}_n-{\mathrm{PV}}_{n-1})+M_o----\left(1\right)$ 其中

Mn——第n次采样时回路的输出值

Mo——回路输出的初始值

PVn——第n次采样时被控参数的实际值

SP——被控参数的设定值

en——第n次采样时的误差值(en＝SP-PVn)

Ts——采样率

Ti——积分时间

Td——微分时间

Kc——比例增益

Ki——积分项系数(Ki＝Kc×Ts/Ti)

Kr——微分项系数(Kr＝Kc×Td/Ts)

因为对辊机辊皮有凹模，在压型过程中压力F波动很大， 如果直接用实测的F值作为PVn进行控制，会引起转速不正常的 快速波动，使控制不能稳定。必须首先滤除F实测值中的快速 变化部分(主要由模边的咬入瞬间过程及机械振动引起)，将慢 速变化部分(代表成型压力的变化)作为PVn来进行调节，系统 才能稳定运行。在计算机程序中将取得的F实测值进行滤波计 算后，再作为PID算法中的PVn来进行控制。滤波算法是采用公 知的超前/滞后环节算法： ${\mathrm{PV}}_n=\left(\frac{T_{\mathrm{Lag}}}{T_{\mathrm{Lag}}+T_s}\right){\mathrm{PV}}_{n-1}+G\left(\frac{T_{\mathrm{Lead}+T_s}}{T_{\mathrm{Lag}}+T_s}\right)F_n$ $-G\left(\frac{T_{\mathrm{Lead}}}{T_{\mathrm{Lag}}+T_s}\right)F_{n-1}------\left(2\right)$ 其中

TLead——超前时间

TLag——滞后时间

G——稳态增益

Fn——压力F的第n次采样值。

其他符号和(1)式中含义同。

在本程序中，取TLead/TLag＜1，G＝1，构成数字低通滤 波器。

除加入滤波运算之外，在PID控制算法中引入死区，即当 误差en小于死区ed时，令en＝0。这样，压力F在允许的误差范 围±ed内波动时，不会引起转速不必要的频繁变动，增加了控 制系统的稳定性。

但是，一旦热煤⑩的温度过高，软化过度，煤带粘度变小， 压力F就会变小，控制回路若仍维持原压力设定值将会使对辊 转速下降，还会引起煤带上拱，热煤外溢，与机外空气充分接 触，可能起火。为防止这点，在煤带上部装有限位开关⑤(S4)， 当煤带上拱时，开关⑤接通(S4＝1)，通知计算机将控制回路 转为手动，对辊加快到安全转速(输出M＝Mm)，并发出报警， 提示操作员采取措施。

在实际生产过程中，由于种种原因，可能引起煤带的短时 间中断。根据控制原理，当煤带中断时，压力F减小到零，对 辊机就会自动停下来；当煤带恢复时，对辊机启动，转速由零 开始增加，可能造成加速过慢引起煤带上拱。另外，对辊机在 短时间内启停对电机和机械运转都是不利的。为避免此现象产 生，在计算机中有一段”断带处理”程序。这段程序是这样设计 的：规定一个正的边界误差值E，当压力F的控制回路处于自动 状态时，如果SP-PVn＞E，认为煤带断带，压力控制回路自动 地切换成手动状态，即回路输出值不变，维持对辊转速，并记 忆变为手动前的回路设定值，等候煤带到来；当SP-F≤E时 (注意：此处用的是SP-F而不是SP-PVn，目的是克服滤波引 起的滞后)认为煤带到来，回路自动地无扰动(即SP：＝PVn)切 换到自动状态。过三秒钟，待自动状态建立后，接着恢复记忆 下来的原回路设定值，压力F的控制回路又恢复正常控制运行， 等待着是否出现新的断带。这段”断带处理”程序如图2所示。

进入该程序后，首先将初始压力设定值SPo赋给记忆单元， 接着判断回路状态：如果回路处于自动状态，则进行F的滤波 计算和PID控制计算，回路输出值取PID计算的结果，进行压力 自动控制，并判断断带否：如不断带，则程序转出；如断带， 则自动地将回路状态切换至手动，保持输出值不变，并记忆原 设定值后转出。当在第一个判断框判定为手动状态时，转到检 验煤带是否到来：如果未到，则保持回路输出值不变后转出； 若煤带到来，则无扰动切换到自动状态，过3秒钟，恢复原设 定值后转出。

上述断带处理程序所能实现的功能，不需要任何人员的干 预。过程中的断带与来带的调整完全是在程序控制下自动实现 的。为了启动或退出该程序控制功能，在操作台上设置有开关 S2。S2闭合即S2＝1，就启动该控制功能，若S2断开即S2＝0， 即可退出这个程序控制。

整个对辊机成型装置计算机控制程序的流程见图3。

程序启动后，进行初始化，置入初始设定值SPo、初始输 出值Mo、安全输出值Mm、滤波参数和PID参数。然后判对辊机 是否已给电投入运行：若未给电，程序结束；若已投运，则判 断开关S2的状态；若S2＝1，执行”断带处理”程序；若S2≠1， 则执行常规的PID控制程序，不再自动判断断带与来带。接着 程序判断煤带是否上拱(S4＝1？)：若不上拱(S4≠1)，则返回 到对辊机是否投运的判断框，程序周而复始地进行下去，直到 对辊机停运为止；若发现拱料(S4＝1)，则立即将压力F的控制 回路打成手动状态，加大转速到M＝Mm，并向操作员发出声光 报警，程序返到S4的判断框前，等待操作员处理。待正常后 (S4≠1)，程序又回到第一个判断框继续执行。

本发明使热压型煤工艺的成型操作实现了自动化，具有下 列好处：

1、由于控制住了成型压力，保证了型煤(球)有一致的良好 的强度；

2、使对辊转速和给煤量得到了匹配，避免了手动操作时匹 配失调引起拱料而停车处理的弊病，提高了设备的作业率；

3、防止因煤温过高软化过度可能引起的热煤外拱，酿成火 灾，中断生产，从而确保了生产的安全顺行。

4、由于整个成型过程完全置于自动控制状态，显著地减 轻了操作工的劳动强度。

与本控制程序配套的硬件系统：测压仪表、变频调速器 和限位开关均为通用产品。计算机可以采用公知的工业控制计 算机或单片微型机。易于实现此控制系统。

实施例：

下面结合附图给出实施例。

图1为对辊机成型装置示意图。

图2为断带判断及处理程序流程图。

图3为对辊机计算机控制程序流程图。

在如图1所示的成型装置上，在上辊①的轴两端各装一个0 -50吨规格电阻应变式的荷重传感器⑥测量成型压力F，经称重 变送器转换为相应的4-20毫安标准讯号送给计算机的模拟量 输入通道。经计算机程序处理后，由模拟量输出通道输出4- 20毫安的控制讯号到变频调速器⑧，改变对辊机电机的转速， 以维持成型压力为给定值。在煤带④上方，装置一杠杆，杠杆 一头接触煤带上表面，另一头与限位开关⑤(S4)相连。当煤带 上拱时，杠杆带动限位开关，使其接点闭合(S4＝1)。通过计 算机的开关量输入通道把S4的状态输给控制程序。

程序启动后(参见图3)，首先进行初始化，从常数区调入 初始设定值SPo＝25吨、初始输出值Mo＝25％、安全转速Mm＝ 100％和滤波参数超前时间TLead＝2秒，滞后时间TLag＝6秒， 采样时间Ts＝2秒，稳态增益G＝1和PID参数比例增益Kc＝1.0， 积分时间Ti＝20秒，微分时间Td＝0，死区ed＝2吨，采样时间 Ts＝2秒，然后判断对辊机运转否?若对辊机不运转，则程序 结束。若对辊机已投运，则判断操作台上的开关S2的状态：若 S2闭合(S2＝1)，执行”断带处理”程序；若S2≠1，则执行常规 的PID控制程序，不再自动判断断带与来带。接着程序判断煤 带是否上拱(S4＝1？)：若不上拱(S4≠1)，则返回到程序流程 的第一个判断框入口，如果对辊机未停运，则程序周而复始地 进行下去，直到对辊机停运为止；若发现拱料(S4＝1)，则立即 将压力F的控制回路打成手动状态，加大转速到安全转速M＝Mm ，并向操作员发出声光报警，程序返到S4的判断框入口，等待操 作员处理。待正常后(S4≠1)，程序又回到第一个判断框入口， 继续执行控制。在控制执行过程中操作员可以通过键盘修改回 路给定值，自动/手动状态切换及在手动状态下改变回路输出 值M(这段键盘输入程序无创造性，从略，也未在流程图中画出)。

压力F的控制由计算机程序实现，采用通用的位置型PID控 制算法： $M_n=K_c\times e_n+K_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{e}_j-K_r({\mathrm{PV}}_n-{\mathrm{PV}}_{n-1})+M_o----\left(1\right)$ 其中

Mn——第n次采样时回路的输出值

Mo—回路输出的初始值

PVn——第n次采样时被控参数的实际值

SP—被控参数的设定值

en——第n次采样时的误差值(en＝SP-PVn)

Ts——采样率

Ti——积分时间

Td——微分时间

Kc—比例增益

Ki——积分项系数(Ki＝Kc×Ts/Ti)

Kr——微分项系数(Kr＝Kc×Td/Ts)

因为对辊机辊皮有凹模，在压型过程中压力F波动很大， 如果直接用实测的F值作为PVn进行控制，会引起转速不正常的 快速波动，使控制不能稳定。必须首先滤除F实测值中的快速 变化部分(主要由模边的咬入瞬间过程及机械振动引起)，将慢 速变化部分(代表成型压力的变化)作为PVn来进行调节，系统 才能稳定运行。在计算机程序中将取得的F实测值进行滤波计 算后，再作为PID算法中的PVn来进行控制。滤波算法是采用超 前/滞后环节算法： ${\mathrm{PV}}_n=\left(\frac{T_{\mathrm{Lag}}}{T_{\mathrm{Lag}}+T_s}\right){\mathrm{PV}}_{n-1}+G\left(\frac{T_{\mathrm{Lead}}+T_s}{T_{\mathrm{Lag}}+T_s}\right)F_n$ $-G\left(\frac{T_{\mathrm{Lead}}}{T_{\mathrm{Lag}}+T_s}\right)F_{n-1}------\left(2\right)$ 其中

TLead——超前时间

TLag——滞后时间

G——稳态增益

其他符号和(1)式中含义同。

在本程序中，取TLead/TLag＜1，G＝1，构成数字低通滤 波器。

除加入滤波运算之外，在PID控制算法中引入死区，即当 误差en小于死区ed时，令en＝0。这样，压力F在允许的误差范 围±ed内波动时，不会引起转速不必要的频繁变动，增加了控 制系统的稳定性。

但是，一旦热煤⑩的温度过高，软化过度，煤带粘度变小， 压力F就会变小，控制回路若仍维持原压力设定值将会使对辊 转速下降，还会引起煤带上拱，热煤外溢，与机外空气充分接 触，可能起火。为防止这点，在煤带上部装有限位开关⑤(S4)， 当煤带上拱时，开关⑤接通(S4＝1)，通知计算机将控制回路 转为手动，对辊加快到安全转速(输出M＝Mm)，并发出报警， 提示操作员采取措施。

在实际生产过程中，由于种种原因，可能引起煤带的短时 间中断。根据控制原理，当煤带中断时，压力F减小到零，对 辊机就会自动停下来；当煤带恢复时，对辊机启动，转速由零 开始增加，可能造成加速过慢引起煤带上拱。另外，对辊机在 短时间内启停对电机和机械运转都是不利的。为避免此现象产 生，在计算机中有一段”断带处理”程序。这段程序是这样设计 的：规定一个正的边界误差值E，当压力F的控制回路处于自动 状态时，如果SP-PVn＞E，认为煤带断带，压力控制回路自动 地切换成手动状态，即回路输出值不变，维持对辊转速，并记 忆变为手动前的回路设定值，等候煤带到来；当SP-F≤E时 (注意：此处用的是SP-F而不是SP-PVn，目的是克服滤波引起 的滞后)认为煤带到来，回路自动地无扰动(即SP：＝PVn)切换 到自动状态。过三秒钟，待自动状态建立后，接着恢复记忆下 来的原回路设定值，压力F的控制回路又恢复正常控制运行， 等待着是否出现新的断带。这段”断带处理”程序如图2所示。

进入该程序后，首先将初始压力设定值SPo赋给记忆单元， 接着判断回路状态：如果回路处于自动状态，则进行F的滤波 计算和PID控制计算，回路输出值取PID计算的结果，进行压力 自动控制，并判断断带否：如不断带，则程序转出；如断带， 则自动地将回路状态切换至手动，保持输出值不变，并记忆原 设定值后转出。当在第一个判断框判定为手动状态时，转到检 验煤带是否到来：如果未到，则保持回路输出值不变后转出； 若煤带到来，则无扰动切换到自动状态，过3秒钟，恢复原设 定值后转出。

上述断带处理程序所能实现的功能，不需要任何人员的干 预。过程中的断带与来带的调整完全是在程序控制下自动实现 的。为了启动或退出该程序控制功能，在操作台上设置有开关 S2。S2闭合即S2＝1，就启动该控制功能，若S2断开即S2＝0， 即可退出这个程序控制。

整个对辊机成型装置计算机控制程序的流程见图3。

程序启动后，进行初始化，置入初始设定值SPo、初始输 出值Mo、安全输出值Mm、滤波参数和PID参数。然后判对辊机 是否已给电投入运行：若未给电，程序结束；若已投运，则判 断开关S2的状态；若S2＝1，执行”断带处理”程序；若S2≠1， 则执行常规的PID控制程序，不再自动判断断带与来带。接着 程序判断煤带是否上拱(S4＝1?)：若不上拱(S4≠1)，则返回 到对辊机是否投运的判断框，程序周而复始地进行下去，直到 对辊机停运为止；若发现拱料(S4＝1)，则立即将压力F的控制 回路打成手动状态，加大转速到M＝Mm，并向操作员发出声光 报警，程序返到S4的判断框前，等待操作员处理。待正常后 (S4≠1)，程序又回到第一个判断框继续执行。

本例所列参数值仅为某一装置所用。根据原料的不同或设 备容量的不同，应根据工艺要求采用相应的设定值及各项参数 值。本程序可适应此类成型装置的各种规格和各种成份的煤料， 也适用于非热压的工业型煤对辊成型装置。