西門子 PCS7在焦?fàn)t溫度控制中的應(yīng)用
1 引言
隨著計(jì)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(gè)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(gè)典型的大慣性、非線性、時(shí)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(gè)焦化廠進(jìn)行技術(shù)改造的必然趨勢。經(jīng)過工程實(shí)踐檢驗(yàn)，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(diǎn)的特殊位置，實(shí)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(shí)在交換前后從焦?fàn)t爐頂測量直行溫度并計(jì)算出平均溫度后，根據(jù)計(jì)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(shí)際操作時(shí)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(gè)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(jì)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(shí)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(jì)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)就是一個(gè)串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而串級系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)雙回路閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)PID調(diào)節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)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。基于此，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(shí)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(gè)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)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)奈恢茫瑢⒏闭{(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(gè)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(shí)施效果
應(yīng)用西門子PCS7的CFC連續(xù)功能圖實(shí)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(shí)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(shí)施后，Kc系數(shù)提高了30％左右。同時(shí)，實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間 | 安定系數(shù) | 時(shí)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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