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    王彥君（1974-）

    男，工程師， 現任七臺河寶泰隆煤化工有限公司儀表工程師。



    摘  要：我國的焦爐大多采用多集氣管并聯，共用一套風機、冷凝系統。本文針對集氣管壓力被控過程的多樣性、時變性、非線性的特點，通過分析影響集氣管壓力控制的多種因素，建立了一種新形式的焦爐集氣管壓力系統的數學模型。本文詳細介紹了自適應專家智能控制系統程序的編制以及具體實現方法，通過專家控制算法和解耦相結合控制集氣管壓力，結果令人滿意。經過兩年的實際應用，表明了所建模型和控制方案的合理性和實用性。

    關鍵詞：焦爐；集氣管壓力；專家控制；解耦；模型

    Abstract: Most coke ovens in China have multiple gas collector connected in parallel, sharing a set of fans and refrigeration system. This paper establishes a new mathematical model for the pressure system of coke oven gas collectors, by analyzing the factors that affects the presssure control of gas collector and the diversity, time-varying, and non-linear characteristics in the process. The author introduces the details of the adaptive expert intelligent control system and its specific implementations. The new system combines expert control algorithm and decoupling together to control the pressure of gas collectors. The control results is satisfactory. The three-year’s practical application shows the reasonableness and practicality of the proposed model and its control program.

     Key words: coke oven; pressure of gas collector; expert control;  decoupling; model

    1 前言

    在煉焦生產過程中，需保證各焦爐煤氣壓力在80~120Pa之間的穩定是焦爐正常生產的重要保證。若壓力過高會導致爐子跑煙冒火、污染環境并且嚴重影響操作安全，造成能源的浪費；若壓力過低，會使大量空氣從爐門等不嚴密處進入炭化室，與焦炭及煤氣燃燒造成損失，降低煤氣和焦碳質量，同時也影響爐子壽命。

    焦爐集氣管壓力控制系統是多個集氣管并聯系統，具有強干擾、多耦合、時變、非線性的特性，存在著多種外部干擾因素和組內、組間以及焦爐與鼓風機間復雜的耦合關系，難以建立精確的數學模型。目前，雖然各種控制方案百花齊放，但在實際應用中真正有效的卻少之又少。

    2 工藝介紹

                
                           圖1   工藝流程示意圖

    如圖1所示，P_01、P_02、P_03、P_04、P_05分別是4個集氣管的壓力和風機前的吸力測量變送器；PV01、PV02、PV03、PV04、PV05分別為4個集氣管的自動蝶閥和風機的循環線自動蝶閥。

    4個集氣管分別有PVC01、PVC02、PVC03、PVC04四個常規PID控制回路，鼓風機有變頻器的轉數手操器控制和PVC05循環線常規PID控制。

    1#焦爐和2＃焦爐共4個集氣管并聯，將焦爐中的煤氣最終匯合到一起經氣液分離器、初冷器等中間環節處理后，由鼓風機送往下道工序。工藝上要保證各焦爐煤氣壓力在80～120Pa之間的穩定，保證風機前的吸力穩定，即保證P_01、P_02、P_03、P_04的值要在80～120Pa之間和P_05吸力穩定。

    3 專家控制程序的編寫

    通過現場長時間觀察生產情況，發現如下問題：

    （1） 出焦、交換、裝煤、平煤操作、噴氨水操作，煤氣發生量和工藝設備管道阻力的變化都對集氣管壓力造成干擾；

    （2） 4個集氣管共用一套風機、冷凝系統，各集氣管之間以及集氣管與風機之間存在著嚴重的串并聯耦合（相互干擾），焦爐集氣管管道之間相互連通，集氣管壓力相互干擾，一個集氣管壓力波動，其他集氣管隨之波動，產生震蕩，系統難以穩定；

    （3）風機前吸力（P_05）的波動對集氣管壓力的影響很大；

    （4）集氣管壓力調節的范圍小，在大的干擾下，超出了自動蝶閥的調節范圍。

    為解決以上問題，真正發揮自動控制的作用，降低工人的勞動強度。通過總結操作人員對系統的操作和控制經驗，用浙江中控DCS的ST語言來編寫程序，本控制程序的特點如下：
 
    （1） 以現場人員或有關專家的經驗、知識、或操作數據作為編程基礎。

    （2） 是語言的變量控制，其控制規則只用語言變量的形式定性的表達。

    （3） 根據不同的控制目標，設計不同的控制器，其語言控制規則分別獨立。 

              
                           圖2   控制程序流程圖

    如圖2所示，當集氣管壓力有偏差時，先由單個集氣管執行自身的常規PID控制；風機小循環線也執行自身的常規PID控制，來穩定機前吸力；但是，當集氣管蝶閥開度或集氣管壓力偏差平均值已經超過某一特定值后，以上控制系統由常規PID轉入專家模糊控制語言，由專家模糊控制自動改變鼓風機調節器的參數來控制風機轉數，而鼓風機轉數要求不能太大，否者初冷器前吸力太大，容易進入空氣，給后面的電捕操作帶來爆炸危險，轉數也不能太小，否者鼓風機進入喘振區。所以，這里做了選擇程序，當鼓風機轉數達到上述界限時，程序自動停止調整風機轉數而改變小循環調節器的參數，通過調節鼓風機的出入口循環線閥門（PV05）開度來調節風機前吸力，最終使集氣管壓力保持在設定值。

    4 專家控制程序的編寫實例

    下面列舉幾個程序的片段，使讀者對本套專家控制系統有個初步的了解。

    （1）4個集氣管的平均偏差計算程序（片段）

if g_bsc[0].SwAM and g_bsc[1].SwAM and g_bsc[2].SwAM and g_bsc[3].SwAM then
   pc=0;bzw=on;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p1n);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[6].SV);pc=pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p1b);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[5].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p2n);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[1].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p2b);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[0].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pc=pc/4;pcp=FLOAT_TO_SFLOAT(pc);
else
   bzw=off;
end_if;

    上例中，當4個集氣管都是自動控制時，開始平均偏差計算。4個集氣管的偏差值相加除以4即是平均偏差，bzw作為平均偏差計算的標志。

    （2）4個集氣管蝶閥平均位置計算程序（片段）

if g_bsc[0].SwAM and g_bsc[1].SwAM and g_bsc[2].SwAM and g_bsc[3].SwAM then
  if pcdj03a<3 and pcdj04a<3 and pcdj03b<3 and pcdj04b<3 then
  mv0=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[0].MV);mv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[1].MV);
  mv5=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[5].MV);mv6=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[6].MV);
    aw1=aw1+(mv0+mv1+mv5+mv6)/4;nw1=nw1+1;
    if nw1>=n1 then
      nw2=INT_TO_FLOAT(nw1);aw1=aw1/nw2;aw2=FLOAT_TO_SFLOAT(aw1);
      if aw2>fsx then
        g1=on;
      else
        g1=off;
      end_if;
      if aw2<fxx then
        g2=on;
      else
        g2=off;

    上例中，當4個集氣管都是自動控制，并且4個集氣管的偏差等級都小于3時，開始蝶閥平均位置的計算。為了計算的精確，蝶閥位置采用累積后計算平均值的方法，累積次數可以由操作人員設定。程序中，g1代表平均閥位超過某一設定值的標志，g2代表平均閥位小于某一設定值的標志。

    （3）鼓風機的調速控制程序（片段）

      if qtwzh then
  if timers[1]>=dsh then
    timers[1]=0;
    if gd1g then
      g_bsc[9].OA=g_bsc[9].OA - z;
    end_if;
    if gd2g then
      g_bsc[9].OA=g_bsc[9].OA+z;
    end_if;
  end_if;
else
  timers[1]=0;     
              
    上例是給鼓風機調節器的輸出自動加補償的一段程序節選，目的是使鼓風機轉數按程序要求，自動增加或減少，增加或減少的量可由操作人員設定。

    除上述幾個例子之外，還有選擇程序；自動調整集氣管調節器的比例度程序；小循環線的一階超前控制程序等等共同構成一套專家控制系統，這里就不一一贅述了。

    5 總結

    本套專家控制系統投入運行已經3年，實際應用表明，該系統工作可靠、性能穩定、操作方便，控制精度達到要求。單座焦爐的調節對其它焦爐壓力的影響較控制前明顯削弱，對壓力的最大擾動幅度從±200Pa下降到±10Pa，當出現擾動時，能快速調節達到穩定，保證集氣管壓力穩定在工藝要求的范圍內。

    參考文獻：

    [1] 林德杰. 過程控制儀表及控制系統[M]. 北京: 機械工業出版社,2004.

    [2] 徐兵主. 過程控制[M]. 北京: 機械工業出版社,2004.




                                                        轉自《自動化博覽》