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張乃祿 徐竟天 楊彩鴿 王東 黃建平
1 引言
焦?fàn)t集氣管壓力是焦?fàn)t生產(chǎn)中重要的工藝參數(shù)，在煤焦化生產(chǎn)過(guò)程中，因受多種因素如出焦、裝煤、換向、煤氣發(fā)生量變化、工藝設(shè)備及管道阻力等影響而使得集氣管壓力常常發(fā)生劇烈波動(dòng)。對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定在生產(chǎn)工藝所需范圍內(nèi)，是保證安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染、延長(zhǎng)爐齡的重要技術(shù)措施。采用北京亞控組態(tài)王Kingview和KingACT，運(yùn)用智能協(xié)調(diào)最優(yōu)控制及變參數(shù)PID控制相結(jié)合的方法，把控制焦?fàn)t集氣管壓力穩(wěn)定在最佳值，使其在整個(gè)焦化過(guò)程中提高焦碳產(chǎn)量與質(zhì)量，減少能源消耗，增加焦?fàn)t壽命，減少污染物排放。
2 多焦?fàn)t系統(tǒng)簡(jiǎn)介
山西靜樂(lè)焦化廠焦?fàn)t為兩爐結(jié)構(gòu)，其中一座為55孔，另一座為35孔。孔數(shù)不同，集氣管管線長(zhǎng)度也不同，阻力分布差異大，風(fēng)機(jī)非線性嚴(yán)重，滯后大。壓力大時(shí)爐子冒煙，近距離不能看清設(shè)備，壓力小時(shí)空氣吸入量大，影響焦?fàn)t壽命和焦?fàn)t煤氣質(zhì)量，易引發(fā)事故。兩座焦?fàn)t共用一套鼓冷系統(tǒng)，兩座焦?fàn)t發(fā)生的煤氣首先進(jìn)入各自的集氣管，在集氣管控制蝶閥后匯合進(jìn)入煤氣總管，再經(jīng)初冷器和鼓風(fēng)機(jī)將焦?fàn)t煤氣送至后續(xù)工序。因1、2號(hào)焦?fàn)t的集氣管并聯(lián)，兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)并聯(lián)，集氣管與鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組串聯(lián)，故相互間存在著嚴(yán)重的耦合關(guān)系。多焦?fàn)t系統(tǒng)工藝流程與系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
控制部分主要有三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)：集氣管1壓力檢測(cè)、集氣管2壓力檢測(cè)、集氣總管壓力檢測(cè)；三個(gè)控制點(diǎn)：閥門(mén)1、閥門(mén)2、變頻器1、2。由于兩臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行，為防止兩臺(tái)變頻器由于控制信號(hào)大小不同而產(chǎn)生回流，因此兩臺(tái)變頻器由一個(gè)控制信號(hào)串聯(lián)進(jìn)行控制。其中，蝶閥通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行控制，4~20mA電流對(duì)應(yīng)閥門(mén)0~90o開(kāi)度；風(fēng)機(jī)通過(guò)兩臺(tái)西門(mén)子變頻器進(jìn)行交流變頻調(diào)速，4 ~20mA電流對(duì)應(yīng)變頻器0~50Hz輸出。
圖1 多焦?fàn)t系統(tǒng)工藝流程與系統(tǒng)構(gòu)成
3 系統(tǒng)控制方案與策略
以焦?fàn)t壓力為主調(diào)，鼓風(fēng)機(jī)前吸力為輔調(diào)，并以?xún)蓚€(gè)集氣管壓力的平衡調(diào)節(jié)作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于集氣管1、2和鼓風(fēng)機(jī)前吸力這三個(gè)回路控制互相影響、互相制約，因此，在確定控制方案時(shí)，既要把每個(gè)回路單獨(dú)考慮，同時(shí)又要考慮到其它參數(shù)和各回路間的影響。采取保證重點(diǎn)、照顧一般的原則，應(yīng)用變參數(shù)PID控制與智能協(xié)調(diào)最優(yōu)控制原理，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，具體控制方案如下:
(1) 集氣管1和2壓力獨(dú)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(gè)重點(diǎn)保證的參數(shù)。系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)的變參數(shù)PID控制，通過(guò)程序就可以隨時(shí)改變PID控制模塊中的給定值、P、I、D參數(shù)值，即可解決正常情況下的壓力波動(dòng)問(wèn)題。
(2) 鼓風(fēng)機(jī)前吸力最優(yōu)控制是穩(wěn)定集氣管壓力的輔助保證。在調(diào)整集氣管壓力時(shí)，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(biāo)的合格范圍內(nèi)。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(kāi)度大，所需要的鼓風(fēng)機(jī)吸力就小；如果翻板閥位開(kāi)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(nèi)，優(yōu)化條件是集氣管控制翻板是否為最佳開(kāi)度。程序通過(guò)采集當(dāng)前兩蝶閥開(kāi)度信息，即可按照協(xié)調(diào)控制原則，綜合、協(xié)調(diào)兩閥門(mén)開(kāi)度信息，輸出變頻器的控制信號(hào)，使得在滿足控制精度的前提下，變頻器在最低頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。
(3) 重點(diǎn)解決集氣管1和2壓力不平衡問(wèn)題。根據(jù)焦?fàn)t生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際情況，由于各種因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)集氣管壓力太高，而另一個(gè)集氣管壓力太低的不平衡狀態(tài)。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(shí)修改兩PID 模塊的P、I、D參數(shù)值，加強(qiáng)控制作用，以使兩個(gè)集氣管的壓力趨于平衡，為調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)前吸力創(chuàng)造條件。
4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
采用Kingview 6.5和軟邏輯控制軟件kingACT 1.5，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性、多耦合、強(qiáng)擾動(dòng)的多變量時(shí)變系統(tǒng)焦?fàn)t集氣管煤氣壓力的精確控制。采用智能協(xié)調(diào)控制及變參數(shù)PID控制相結(jié)合的思想，將現(xiàn)場(chǎng)集氣管壓力控制在最佳工藝要求的70Pa?0Pa值。
4.1 硬件實(shí)現(xiàn)
硬件采用研華公司智能模塊ADAM5000/485，它是一種通過(guò)多通道I/O模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)等功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它可以通過(guò)雙絞線、多站點(diǎn)RS-485網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)主機(jī)相連。每個(gè)系統(tǒng)由兩部分組成：基座（主單元ADAM5000）和I/O模塊（ADAM5017、ADAM5024等）。每個(gè)基座可以安裝4個(gè)I/O模塊（最多64個(gè)I/O點(diǎn)）。ADAM5000/485系統(tǒng)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(lèi)型的輸入。計(jì)數(shù)器/頻率模塊還可以設(shè)置為加/減計(jì)數(shù)、雙向和頻率模式。除了節(jié)點(diǎn)地址外，所有其它參數(shù)（包括通信速度、高低限報(bào)警和校準(zhǔn)等）均可通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行程序設(shè)定。ADAM的靈活設(shè)計(jì)擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械式設(shè)置的操作方式，避免了由于采用固定量程而需要購(gòu)置大量模塊的負(fù)擔(dān)。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(shù)字量I/O模塊，每路是數(shù)字輸入還是輸出可通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)定。
4.2 軟件實(shí)現(xiàn)
KingACT 1.5基于PC機(jī)上建立的實(shí)時(shí)軟邏輯控制軟件，它內(nèi)含各種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制算法圖形模塊，只需要賦予特定參數(shù)，調(diào)用各種算法模塊即可實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的各種工業(yè)控制。它以Windows中文全系列操作系統(tǒng)作為其操作平臺(tái)，提供符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的2種PLC編程語(yǔ)言，包括梯形圖（LD）、功能塊（FBD）。
通過(guò)組合組態(tài)王和KingACT，可以發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)。利用組態(tài)王界面功能及圖庫(kù)來(lái)開(kāi)發(fā)顯示界面；利用其通訊能力和良好的開(kāi)放性，組態(tài)王可以與一些常用I/O設(shè)備直接進(jìn)行通訊；利用其靈活的語(yǔ)法和函數(shù)庫(kù)編寫(xiě)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。利用KingACT軟邏輯控制功能完成變參數(shù)PID控制，采集監(jiān)測(cè)信號(hào)，并直接輸出控制信號(hào)到I/O硬件。軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖
其中，為了實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)控制，使用KingACT通過(guò)COM1口實(shí)現(xiàn)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及兩個(gè)控制點(diǎn)（蝶閥的變參數(shù)PID控制）的I/O處理。其他參數(shù)由組態(tài)王通過(guò)COM2口采集、輸出，如變頻器電流、電壓、輸出頻率及兩個(gè)蝶閥當(dāng)前位置等其他參數(shù)，變頻器控制信號(hào)由程序計(jì)算后由組態(tài)王經(jīng)COM2口輸出。同時(shí)組態(tài)王與KingACT之間通過(guò)IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，讀取、設(shè)置KingACT中的各種參數(shù)。例如，可以讀取、設(shè)置PID模塊的P、I、D當(dāng)前值及PID模塊涉及到的其他參數(shù)，如位置型或增量型輸出選擇、正反向作用選擇、是否進(jìn)行積分分離、輸出高限設(shè)定、輸出低限設(shè)定等其他重要參數(shù)。
5 結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)于2004年3月在山西靜樂(lè)焦化廠投入運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定、功能齊全、操作方便、控制精度高。對(duì)壓力的最大擾動(dòng)能在幾秒內(nèi)快速調(diào)節(jié)到最佳值，確保壓力穩(wěn)定在工藝要求值±10Pa范圍以?xún)?nèi)。經(jīng)濟(jì)效益顯著，在國(guó)內(nèi)焦化行業(yè)具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)