西門子 PCS7在焦?fàn)t溫度控制中的應(yīng)用
1 引言
隨著計算機(jī)技術(shù)的普及以及國內(nèi)煉焦行業(yè)對生產(chǎn)技術(shù)要求以及焦炭質(zhì)量的不斷提高，應(yīng)用復(fù)雜控制系統(tǒng)甚至于先進(jìn)控制算法對焦?fàn)t溫度進(jìn)行控制已經(jīng)成為提高焦化企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，增加經(jīng)濟(jì)和社會效益的有效手段之一。
焦?fàn)t的加熱過程是單個燃燒室間歇、全爐連續(xù)、受多種因素干擾的熱工過程，是一個典型的大慣性、非線性、時變快且受到多種擾動因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，其加熱控制難度較其它工業(yè)窯爐要大得多【3】。傳統(tǒng)意義上PLC或DCS系統(tǒng)通常應(yīng)用的單回路PID控制方式已不能完全適應(yīng)目前生產(chǎn)上對溫度精確控制的需要。因此，應(yīng)用較為先進(jìn)的控制方式和手段對焦?fàn)t溫度進(jìn)行控制已成為各個焦化廠進(jìn)行技術(shù)改造的必然趨勢。經(jīng)過工程實踐檢驗，本文提出了一種基于DCS系統(tǒng)內(nèi)的、應(yīng)用西門子PCS系統(tǒng)自帶的控制器構(gòu)成的以反饋為主輔之以前饋來對焦?fàn)t火道溫度進(jìn)行控制的方案。
2 火道溫度在焦?fàn)t生產(chǎn)中的作用
焦?fàn)t火道溫度系在下降氣流底部火嘴和鼻梁磚間的大磚溫度，鑒于目前溫度檢測儀器上的原因以及火道溫度點的特殊位置，實際的焦?fàn)t火道溫度一般難以準(zhǔn)確測量。目前國內(nèi)焦化廠均采用火道直行溫度來反映焦?fàn)t溫度。焦?fàn)t全爐溫度用機(jī)、焦側(cè)側(cè)溫火道平均溫度來代表，全爐總供熱的調(diào)節(jié)（以加減煤氣和空氣的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)）應(yīng)當(dāng)使機(jī)、焦側(cè)測溫火道平均溫度符合工藝所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，并保持穩(wěn)定。作為衡量全爐溫度的穩(wěn)定性重要指標(biāo)，反映焦?fàn)t穩(wěn)定穩(wěn)定性的指標(biāo)一般用直行溫度的安定系數(shù)Kc來衡量，Kc能否接近1并保持穩(wěn)定，對焦炭質(zhì)量的提高、降低耗熱量以及延長焦?fàn)t爐齡至關(guān)重要。
3 控制原理
傳統(tǒng)PLC或DCS控制方式是當(dāng)班煉焦測溫工每隔四小時在交換前后從焦?fàn)t爐頂測量直行溫度并計算出平均溫度后，根據(jù)計算出來的平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度比較產(chǎn)生偏差進(jìn)行煤氣流量的增減以達(dá)到控制溫度始終保持在標(biāo)準(zhǔn)溫度允許范圍內(nèi)的偏差內(nèi)。這種控制方式對溫度和吸力的控制存在著比較大的滯后性，而且由于是人工加減煤氣流量（或者壓力），加之煤氣熱值隨著供氣設(shè)備的情況存在著不穩(wěn)定性和操作人員主觀上的偏差，實際操作時經(jīng)常會造成溫度大幅度波動影響焦?fàn)t溫度參數(shù)，從而影響焦炭質(zhì)量和整個焦?fàn)t工況變化。因此，我們在以往簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用了復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級控制方式進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)。串級控制方案中分別以火道溫度和煤氣流量（或者煤氣管道上的壓力）為主、副回路的被控參數(shù)。采用這種控制方式就可以在測溫工將直行火道溫度測量并計算出平均值后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的流量值（或者壓力值）輸入進(jìn)PID控制器上的設(shè)定值內(nèi)，由控制器根據(jù)現(xiàn)場情況整定好的比例、積分或微分方式進(jìn)行較為準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，從而避免人為加減煤氣流量而導(dǎo)致溫度大起大落的現(xiàn)象。由于焦?fàn)t火道溫度經(jīng)常會隨一系列因素（比如裝煤量和裝煤水分、加熱煤氣熱值、空氣過剩系數(shù)、檢修時間等等）的變化而波動，因此，在串級控制基礎(chǔ)上，如果現(xiàn)場具備煤氣熱值儀和煤水分在線檢查儀表裝置情況，還可以將煤氣熱值和煤水分參數(shù)引入控制系統(tǒng)中作為系統(tǒng)的前饋參數(shù)進(jìn)行控制，效果會更好。控制原理圖見圖2所示。
圖2 控制原理圖
4 控制策略
SIMATIC PCS7是西門子公司在TELEPERM系列集散系統(tǒng)和 S5、S7系列可編程控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的電子制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、圖形及圖像處理技術(shù)、冗余技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及先進(jìn)自動化控制技術(shù)開發(fā)的面向工業(yè)工藝過程控制應(yīng)用場合的新一代過程控制系統(tǒng)【1】。作為一個真正意義上的DCS系統(tǒng)，PCS7系統(tǒng)在連續(xù)過程變量的處理和實現(xiàn)上體現(xiàn)出了其強(qiáng)大的功能，尤其是在處理連續(xù)過程變量控制以及進(jìn)行復(fù)雜控制方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢。
根據(jù)焦?fàn)t生產(chǎn)中直行火道溫度與流量（或者壓力）之間的關(guān)系，焦?fàn)t火道溫度控制系統(tǒng)也就完全可以用PCS7系統(tǒng)中集成的PID控制器來實現(xiàn)其控制要求。從系統(tǒng)原理分析中可以知道，爐溫控制原理從結(jié)構(gòu)上看其實就是一個串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而串級系統(tǒng)其實就是一個雙回路閉環(huán)系統(tǒng)，實質(zhì)上是把兩個PID調(diào)節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個被控量準(zhǔn)確地保持為生產(chǎn)工藝要求的給定值。通常情況下串級系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率也低?；诖?，為了提高系統(tǒng)的控制性能合品質(zhì)，主副環(huán)的工作頻率應(yīng)錯開在相差三倍以上，以免頻率相近時發(fā)生共振現(xiàn)象而破壞正常工作。串級控制系統(tǒng)可以看作一個閉合的副回路代替了原來的一部分對象，可以起到改善對象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程，避免擾動的產(chǎn)生。
PCS7環(huán)境下的串級控制回路由兩個PID（FB61）控制器構(gòu)成如圖4所示，其中主回路控制器接收焦?fàn)t直行火道溫度（由于在技術(shù)上火道溫度難以在線檢測，根據(jù)焦?fàn)t蓄熱室頂部溫度與火道溫度存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，所以可以用蓄熱室頂部溫度通過擬合后得到的模擬火道溫度進(jìn)行替代，這樣就使難以在線測量的火道溫度模擬為連續(xù)變化的過程參數(shù)參與到串級控制系統(tǒng)中），其輸出值送入副回路的外部給定設(shè)置點作為副回路的給定值；副回路接受加熱煤氣流量（或者壓力）和主回路的外部設(shè)定值，其輸出值送入串級控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)煤氣管道上孔板的開度來達(dá)到調(diào)節(jié)火道溫度的目的。主副調(diào)節(jié)控制器連接見圖4。
圖4 CFC串級連接圖
在編程過程中主、副控制器具體管腳連接關(guān)系說明如下：
（1） 主回路的PID的輸入過程信號端PV_IN接收直行火道溫度的變送器信號；
（2） 主回路的PID的輸入過程跟蹤端LMN_TRK接收副回路PID的輸出給定信號SP端信號；
（3） 主回路的PID的輸出操縱量LMN送入副回路PID的輸入外部設(shè)定點SP_EXT；
（4） 副回路的PID的輸入過程信號端PV_IN接收來自開方后的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量信號；
（5） 副回路的PID的輸出操縱量LMN送入到串級回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以控制閥門的開度達(dá)到調(diào)節(jié)目的；
（6） 副回路的PID輸出端的串級回路切除開關(guān)QCAS_CUT送入主回路PID輸入端的外部跟蹤設(shè)定開關(guān)LMN_SEL；
（7） 副回路PID控制器中的DISV管腳接受煤氣熱值和煤水分在線參數(shù)進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)，為了更好的整定前饋系數(shù)，最好將煤氣熱值和煤水分參數(shù)在進(jìn)入前饋前進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，也就是將有量綱的參數(shù)轉(zhuǎn)換為無量綱的百分?jǐn)?shù)后再進(jìn)入DISV管腳。
經(jīng)過編譯上傳到上位機(jī)后的PID控制器操作標(biāo)準(zhǔn)面板如圖5所示：
圖5 串級調(diào)節(jié)操作界面
5 投運(yùn)步驟
先確定主調(diào)節(jié)器的控制目標(biāo)設(shè)定值，然后手動調(diào)節(jié)副控制器的手動值，使閥門開度在適當(dāng)?shù)奈恢?，將副調(diào)節(jié)器投入自動下，根據(jù)現(xiàn)場情況整定PID參數(shù)，使副調(diào)節(jié)器達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，將副調(diào)節(jié)器切換到外部給定下，最后將主調(diào)節(jié)器切換到自動控制并根據(jù)現(xiàn)場情況整定PID參數(shù)。如果有前饋控制的話，則還需要將前饋系數(shù)整定對話框設(shè)置在上位機(jī)畫面上，以方便操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行系數(shù)整定。
6 實施效果
應(yīng)用西門子PCS7的CFC連續(xù)功能圖實現(xiàn)焦?fàn)t火道溫度的復(fù)雜調(diào)節(jié)，達(dá)到了對焦?fàn)t火道溫度的比較精確的控制，保證了焦?fàn)t生產(chǎn)的需要，下表就是實施復(fù)雜控制系統(tǒng)前后某廠2＃焦?fàn)t直行溫度的安定系數(shù)Kc的對比表，從表中我們可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用西門子PCS7系統(tǒng)內(nèi)的控制器構(gòu)成的復(fù)雜控制系統(tǒng)實施后，Kc系數(shù)提高了30％左右。同時，實施復(fù)雜控制后也大大減少了由于焦?fàn)t溫度波動大和頻繁造成的環(huán)境污染，而且由于爐溫實現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，相比于單回路調(diào)節(jié)下使焦?fàn)t在接近極限溫度下操作，大大縮短了結(jié)焦時間、提高了焦?fàn)t生產(chǎn)能力，從而有效的降低了焦?fàn)t耗熱量。
某廠2＃焦?fàn)t直行溫度安定系數(shù)Kc | ||||
單PID調(diào)節(jié) | 復(fù)雜控制調(diào)節(jié) | |||
時間 | 安定系數(shù) | 時間 | 安定系數(shù) | |
2005年9月2日 | 0.75 | 2005年9月22日 | 0.92 | |
2005年9月3日 | 0.67 | 2005年9月23日 | 0.83 | |
2005年9月4日 | 0.67 | 2005年9月24日 | 0.83 | |
2005年9月5日 | 0.50 | 2005年9月25日 | 0.83 | |
2005年9月6日 | 0.50 | 2005年9月26日 | 0.92 | |
2005年9月<, , /SPAN>7日 | 0.67 | 2005年9月27日 | 0.92 | |
2005年9月8日 | 0.50 | 2005年9月28日 | 0.83 | |
2005年9月9日 | 0.83 | 2005年9月29日 | 0.83 | |
2005年9月10日 | 0.67 |
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