西門子 PCS7在焦爐溫度控制中的應用

隨著計算機技術的普及以及國內煉焦行業對生產技術要求以及焦炭質量的不斷提高，應用復雜控制系統甚至于先進控制算法對焦爐溫度進行控制已經成為提高焦化企業生產技術水平，增加經濟和社會效益的有效手段之一。

焦爐的加熱過程是單個燃燒室間歇、全爐連續、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雜系統，其加熱控制難度較其它工業窯爐要大得多【3】。傳統意義上PLC或DCS系統通常應用的單回路PID控制方式已不能完全適應目前生產上對溫度精確控制的需要。因此，應用較為先進的控制方式和手段對焦爐溫度進行控制已成為各個焦化廠進行技術改造的必然趨勢。經過工程實踐檢驗，本文提出了一種基于DCS系統內的、應用西門子PCS系統自帶的控制器構成的以反饋為主輔之以前饋來對焦爐火道溫度進行控制的方案。

圖1 焦爐機側實物圖

焦爐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，實際的焦爐火道溫度一般難以準確測量。目前國內焦化廠均采用火道直行溫度來反映焦爐溫度。焦爐全爐溫度用機、焦側側溫火道平均溫度來代表，全爐總供熱的調節（以加減煤氣和空氣的方式進行調節）應當使機、焦側測溫火道平均溫度符合工藝所規定的標準溫度，并保持穩定。作為衡量全爐溫度的穩定性重要指標，反映焦爐穩定穩定性的指標一般用直行溫度的安定系數Kc來衡量，Kc能否接近1并保持穩定，對焦炭質量的提高、降低耗熱量以及延長焦爐爐齡至關重要【4】。

傳統PLC或DCS控制方式是當班煉焦測溫工每隔四小時在交換前后從焦爐爐頂測量直行溫度并計算出平均溫度后，根據計算出來的平均溫度與標準溫度比較產生偏差進行煤氣流量的增減以達到控制溫度始終保持在標準溫度允許范圍內的偏差內。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備的情況存在著不穩定性和操作人員主觀上的偏差，實際操作時經常會造成溫度大幅度波動影響焦爐溫度參數，從而影響焦炭質量和整個焦爐工況變化。因此，我們在以往簡單控制系統的基礎上采用了復雜控制系統中的串級控制方式進行爐溫的調節。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。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換為對應的流量值（或者壓力值）輸入進PID控制器上的設定值內，由控制器根據現場情況整定好的比例、積分或微分方式進行較為準確的調節，從而避免人為加減煤氣流量而導致溫度大起大落的現象。由于焦爐火道溫度經常會隨一系列因素（比如裝煤量和裝煤水分、加熱煤氣熱值、空氣過剩系數、檢修時間等等）的變化而波動，因此，在串級控制基礎上，如果現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引入控制系統中作為系統的前饋參數進行控制，效果會更好。控制原理圖見圖2所示。

圖2 控制原理圖

SIMATIC PCS7是西門子公司在TELEPERM系列集散系統和 S5、S7系列可編程控制器的基礎上，結合先進的電子制造技術、網絡通訊技術、圖形及圖像處理技術、冗余技術、現場總線技術、計算機技術以及先進自動化控制技術開發的面向工業工藝過程控制應用場合的新一代過程控制系統【1】。作為一個真正意義上的DCS系統，PCS7系統在連續過程變量的處理和實現上體現出了其強大的功能，尤其是在處理連續過程變量控制以及進行復雜控制方面表現出了較大的優勢。

根據焦爐生產中直行火道溫度與流量（或者壓力）之間的關系，焦爐火道溫度控制系統也就完全可以用PCS7系統中集成的PID控制器來實現其控制要求。從系統原理分析中可以知道，爐溫控制原理從結構上看其實就是一個串級調節系統，而串級系統其實就是一個雙回路閉環系統，實質上是把兩個PID調節器串接起來，通過它們的協調工作，使一個被控量準確地保持為生產工藝要求的給定值。通常情況下串級系統副環的對象慣性小，工作頻率高，而主環慣性大，工作頻率也低。基于此，為了提高系統的控制性能合品質，主副環的工作頻率應錯開在相差三倍以上，以免頻率相近時發生共振現象而破壞正常工作。串級控制系統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。除了克服落在副環內的擾動外，還提高了系統的工作頻率，加快過渡過程，避免擾動的產生。

PCS7環境下的串級控制回路由兩個PID（FB61）控制器構成如圖4所示，其中主回路控制器接收焦爐直行火道溫度（由于在技術上火道溫度難以在線檢測，根據焦爐蓄熱室頂部溫度與火道溫度存在著一定的數學關系，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行替代，這樣就使難以在線測量的火道溫度模擬為連續變化的過程參數參與到串級控制系統中），其輸出值送入副回路的外部給定設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）和主回路的外部設定值，其輸出值送入串級控制器的執行機構，通過調節煤氣管道上孔板的開度來達到調節火道溫度的目的。主副調節控制器連接見圖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準狀態下的流量信號；

（5） 副回路的PID的輸出操縱量LMN送入到串級回路的執行機構以控制閥門的開度達到調節目的；

（6） 副回路的PID輸出端的串級回路切除開關QCAS_CUT送入主回路PID輸入端的外部跟蹤設定開關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進行前饋調節，為了更好的整定前饋系數，最好將煤氣熱值和煤水分參數在進入前饋前進行線性轉換，也就是將有量綱的參數轉換為無量綱的百分數后再進入DISV管腳。

經過編譯上傳到上位機后的PID控制器操作標準面板如圖5所示：

先確定主調節器的控制目標設定值，然后手動調節副控制器的手動值，使閥門開度在適當的位置，將副調節器投入自動下，根據現場情況整定PID參數，使副調節器達到一個相對穩定的狀態，將副調節器切換到外部給定下，最后將主調節器切換到自動控制并根據現場情況整定PID參數。如果有前饋控制的話，則還需要將前饋系數整定對話框設置在上位機畫面上，以方便操作人員根據現場情況進行系數整定。

應用西門子PCS7的CFC連續功能圖實現焦爐火道溫度的復雜調節，達到了對焦爐火道溫度的比較精確的控制，保證了焦爐生產的需要，下表就是實施復雜控制系統前后某廠2＃焦爐直行溫度的安定系數Kc的對比表，從表中我們可以發現，應用西門子PCS7系統內的控制器構成的復雜控制系統實施后，Kc系數提高了30％左右。同時，實施復雜控制后也大大減少了由于焦爐溫度波動大和頻繁造成的環境污染，而且由于爐溫實現了較為準確的調節調節，相比于單回路調節下使焦爐在接近極限溫度下操作，大大縮短了結焦時間、提高了焦爐生產能力，從而有效的降低了焦爐耗熱量。

經過工程實踐，以上編程方法對焦爐火道溫度的控制起到了比較良好的自動調節作用，與單回路系統相比，它克服了落在副環內的擾動，達到了比較滿意的調節效果，符合工程上衡量自動控制系統穩定性（穩）、穩態精度（準）、動態過程（好）的要求【2】。不過，由于蓄熱室頂部溫度與火道溫度的關系不僅僅是一個靜態的簡單數學關系，導致模擬火道溫度有時難以正確反映焦爐實際溫度情況，另外就是煤氣熱值儀以及煤水分在線檢查儀器目前國內市場上存在著價格高、壽命短以及維護困難等因素，導致熱值和煤水分測量難以滿足前饋控制需求。因此，采用先進控制算法進行焦爐溫度自動調節更能準確的進行控制，目前國內已經出現了包括由北京三博中自科技有限公司開發的焦爐自適應智能加熱系統（Coke Intelligent Adaptive Heating System）在內的基于自適應火道模型，智能容錯控制器以及基于精確模型的煙道吸力調節等先進控制算法的焦爐加熱獨立軟件【5】，這也為日后焦爐溫度全自動控制提供了更為準確、穩定的解決方案。

參考文獻：

[1] 楊憲惠主編 《現場總線技術及其應用》 北京 清華大學出版社 1999 年版

[2] 謝克明 主編 《自動控制原理》 北京 電子工業出版社 2004年版

[3] 嚴文福 鄭明東 編著 《焦爐加熱調節與節能》 安徽 合肥工業大學出版社 2005年版

[4] 于振東，蔡承佑等 編著《焦爐生產技術》，沈陽 遼寧科學技術出版社 2003年版

[5] 王學雷等 “焦爐智能自適應加熱系統在我廠的實施和應用” 燃料與化工 2005年第5期 P1~P4