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1 引言
焦爐集氣管壓力是焦爐生產中重要的工藝參數，在煤焦化生產過程中，因受多種因素如出焦、裝煤、換向、煤氣發生量變化、工藝設備及管道阻力等影響而使得集氣管壓力常常發生劇烈波動。對焦爐集氣管壓力進行控制，使其穩定在生產工藝所需范圍內，是保證安全生產、提高產品質量、減少環境污染、延長爐齡的重要技術措施。采用北京亞控組態王Kingview和KingACT，運用智能協調最優控制及變參數PID控制相結合的方法，把控制焦爐集氣管壓力穩定在最佳值，使其在整個焦化過程中提高焦碳產量與質量，減少能源消耗，增加焦爐壽命，減少污染物排放。
2 多焦爐系統簡介
山西靜樂焦化廠焦爐為兩爐結構，其中一座為55孔，另一座為35孔。孔數不同，集氣管管線長度也不同，阻力分布差異大，風機非線性嚴重，滯后大。壓力大時爐子冒煙，近距離不能看清設備，壓力小時空氣吸入量大，影響焦爐壽命和焦爐煤氣質量，易引發事故。兩座焦爐共用一套鼓冷系統，兩座焦爐發生的煤氣首先進入各自的集氣管，在集氣管控制蝶閥后匯合進入煤氣總管，再經初冷器和鼓風機將焦爐煤氣送至后續工序。因1、2號焦爐的集氣管并聯，兩臺羅茨風機并聯，集氣管與鼓風機機組串聯，故相互間存在著嚴重的耦合關系。多焦爐系統工藝流程與系統構成如圖1所示。
控制部分主要有三個檢測點：集氣管1壓力檢測、集氣管2壓力檢測、集氣總管壓力檢測；三個控制點：閥門1、閥門2、變頻器1、2。由于兩臺變頻器并聯運行，為防止兩臺變頻器由于控制信號大小不同而產生回流，因此兩臺變頻器由一個控制信號串聯進行控制。其中，蝶閥通過電動執行器進行控制，4~20mA電流對應閥門0~90o開度；風機通過兩臺西門子變頻器進行交流變頻調速，4 ~20mA電流對應變頻器0~50Hz輸出。
圖1 多焦爐系統工藝流程與系統構成
3 系統控制方案與策略
以焦爐壓力為主調，鼓風機前吸力為輔調，并以兩個集氣管壓力的平衡調節作為重點設計目標。由于集氣管1、2和鼓風機前吸力這三個回路控制互相影響、互相制約，因此，在確定控制方案時，既要把每個回路單獨考慮，同時又要考慮到其它參數和各回路間的影響。采取保證重點、照顧一般的原則，應用變參數PID控制與智能協調最優控制原理，對整個系統進行優化控制，具體控制方案如下:
(1) 集氣管1和2壓力獨立單回路控制。集氣管1和2壓力能否控制在正常范圍，這是一個重點保證的參數。系統采用軟件方式實現的變參數PID控制，通過程序就可以隨時改變PID控制模塊中的給定值、P、I、D參數值，即可解決正常情況下的壓力波動問題。
(2) 鼓風機前吸力最優控制是穩定集氣管壓力的輔助保證。在調整集氣管壓力時，一般情況下，不同的吸力都可以保證集氣管壓力控制在工藝指標的合格范圍內。這主要是各集氣管壓力控制閥位不同。同樣的氣體流量，如果翻板閥位開度大，所需要的鼓風機吸力就小；如果翻板閥位開度小，所需要的吸力就大。因此在保證集氣管壓力為正常范圍內，優化條件是集氣管控制翻板是否為最佳開度。程序通過采集當前兩蝶閥開度信息，即可按照協調控制原則，綜合、協調兩閥門開度信息，輸出變頻器的控制信號，使得在滿足控制精度的前提下，變頻器在最低頻率運行，實現最優控制。
(3) 重點解決集氣管1和2壓力不平衡問題。根據焦爐生產運行的實際情況，由于各種因素的影響，經常會出現一個集氣管壓力太高，而另一個集氣管壓力太低的不平衡狀態。在這種情況下，先將集氣管壓力低的給定值提高，將集氣管壓力高的給定值降低，同時修改兩PID 模塊的P、I、D參數值，加強控制作用，以使兩個集氣管的壓力趨于平衡，為調節鼓風機前吸力創造條件。
4 控制系統的實現
采用Kingview 6.5和軟邏輯控制軟件kingACT 1.5，編程實現對非線性、多耦合、強擾動的多變量時變系統焦爐集氣管煤氣壓力的精確控制。采用智能協調控制及變參數PID控制相結合的思想，將現場集氣管壓力控制在最佳工藝要求的70Pa?0Pa值。
4.1 硬件實現
硬件采用研華公司智能模塊ADAM5000/485，它是一種通過多通道I/O模塊實現數據采集、監測等功能的數據采集系統。它可以通過雙絞線、多站點RS-485網絡與網絡主機相連。每個系統由兩部分組成：基座（主單元ADAM5000）和I/O模塊（ADAM5017、ADAM5024等）。每個基座可以安裝4個I/O模塊（最多64個I/O點）。ADAM5000/485系統模擬量輸入模塊可以配置為電壓、電流、熱電偶、熱電阻等不同類型的輸入。計數器/頻率模塊還可以設置為加/減計數、雙向和頻率模式。除了節點地址外，所有其它參數（包括通信速度、高低限報警和校準等）均可通過遠程進行程序設定。ADAM的靈活設計擺脫了傳統機械式設置的操作方式，避免了由于采用固定量程而需要購置大量模塊的負擔。硬件模塊示意圖如圖2所示。
圖2 硬件模塊示意圖
ADAM5017是插在ADAM5000/485上的8路通用模擬量輸入模塊，有效分辨率為16位。有效輸入范圍為：±150mV，±500mV，±1V，±5V，±10V，±20mA。
ADAM5024是插在ADAM5000/485上的4路通用模擬量輸出模塊，有效分辨率為12位。有效輸出范圍為：0～10V，0～20 mA，4～20mA。
ADAM5050是插在ADAM5000/485上的16路通用數字量I/O模塊，每路是數字輸入還是輸出可通過DIP開關進行設定。
4.2 軟件實現
KingACT 1.5基于PC機上建立的實時軟邏輯控制軟件，它內含各種標準工業控制算法圖形模塊，只需要賦予特定參數，調用各種算法模塊即可實現常見的各種工業控制。它以Windows中文全系列操作系統作為其操作平臺，提供符合IEC1131-3標準的2種PLC編程語言，包括梯形圖（LD）、功能塊（FBD）。
通過組合組態王和KingACT，可以發揮各自優勢。利用組態王界面功能及圖庫來開發顯示界面；利用其通訊能力和良好的開放性，組態王可以與一些常用I/O設備直接進行通訊；利用其靈活的語法和函數庫編寫協調控制系統。利用KingACT軟邏輯控制功能完成變參數PID控制，采集監測信號，并直接輸出控制信號到I/O硬件。軟件模塊結構如圖3所示。
圖3 軟件模塊結構圖
其中，為了實現快速實時控制，使用KingACT通過COM1口實現三個監測點及兩個控制點（蝶閥的變參數PID控制）的I/O處理。其他參數由組態王通過COM2口采集、輸出，如變頻器電流、電壓、輸出頻率及兩個蝶閥當前位置等其他參數，變頻器控制信號由程序計算后由組態王經COM2口輸出。同時組態王與KingACT之間通過IEC1131-3標準進行通信，讀取、設置KingACT中的各種參數。例如，可以讀取、設置PID模塊的P、I、D當前值及PID模塊涉及到的其他參數，如位置型或增量型輸出選擇、正反向作用選擇、是否進行積分分離、輸出高限設定、輸出低限設定等其他重要參數。
5 結語
本系統于2004年3月在山西靜樂焦化廠投入運行。實際運行表明，該系統工作可靠、性能穩定、功能齊全、操作方便、控制精度高。對壓力的最大擾動能在幾秒內快速調節到最佳值，確保壓力穩定在工藝要求值±10Pa范圍以內。經濟效益顯著，在國內焦化行業具有廣泛的推廣應用價值。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號