DCS在焦炉集气管压力控制系统中的应用

李 俊

(山西省自动化研究所，山西太原030012)

1 项目描述

焦炉集气管煤气压力控制［1］，是一个具有严重非线性、时变特性的多扰动、多变量耦合系统。焦炉与焦炉之间并联，炉间集气管压力存在负耦合关系;焦炉与鼓风机之间串联，机前吸力与集气管压力存在正耦合关系;随工艺管路设置方式及管道阻力和对各焦炉装煤等操作时间的不同，耦合强弱有所不同，交叉耦合严重，扰动因素较多。各控制单回路之间由于翻板间的相互干扰，振荡超调现象严重。而且焦炉蝶阀调节特性存在着非线性影响，当蝶阀开度小时，压力和流量变化非常明显;当蝶阀开度大时，压力与流量变化迟缓，甚至饱和，造成系统采用常规PID调节时不稳定，很难兼顾减少超调与提高快速性的要求。随着生产技术要求的不断提高，对于温度、压力、流量以及回路控制的要求也越来越高，同时，如何利用控制系统更好地发挥作用，提高生产效率，对提高综合效益也至关重要。该项目通过DCS系统，实现对集气管压力的管理和监控。

2 方案介绍

由于炉间集气管压力存在负耦合关系，机前吸力与集气管压力存在正耦合关系。各控制单回路之间由于翻板间的相互干扰，振荡超调现象严重。系统采用常规PID调节时不稳定，很难兼顾减少超调与提高快速性的要求。针对这一工艺特点，我们采用了基于模糊控制的多级智能控制方案。

2.1 集气管压力子控制器［2］

根据工艺设定的集气管压力对集气管蝶阀开度进行模糊控制。我们采用的是智能二维模糊控制的方法。

通过工艺规律，可以得出模糊的IF－THEN规则

IF压力过低，压力向上变化较快THEN阀位输出不变

IF压力偏低，压力向上变化较快THEN阀位输出小开

IF压力正常，压力向上变化较快THEN阀位输出中开

IF压力偏高，压力向上变化较快THEN阀位输出大开

……

这样，通过构建模糊规则表，我们可以对集气管压力调节蝶阀进行模糊控制。同时，此子调节器PID参数，通过判断在一段时间内(T)，集气管压力的振荡周期进行自适应。

2.2 机前吸力子控制器

机前吸力与集气管压力间正耦合强，且随工况条件变化而不同，因此，我们采用经验控制，利用现场人员知识与经验构成知识库，当蝶阀开到一定程度集气管压力仍有高于设定压力的趋势时，控制器将发出升高鼓风机液力偶合器给定值的控制信号，以增大吸力;反之，当蝶阀关到一定程度(该值可设定)集气管压力仍有低于设定压力的趋势时，控制器将发出降低鼓风机液力偶合器给定值的控制信号，以减小吸力。同时，液力偶合器与大循环蝶阀构成分程调节。当鼓风机的转速降到接近临界转速时，通过打开大循环来调节机前吸力。在风机转速调节范围内，大循环蝶阀关死，以便于节能。当鼓风机的转速达到我们设定的上限时，不管集气管压力如何，鼓风机都将逐渐减速以使初冷前吸力恢复安全值，同时发出报警检查系统。

图1 系统功能结构图

此方案综合应用各种调节功能模块、综合对集气管压力、集气管压力的变化、蝶阀开度、风机转速范围、大循环蝶阀开度进行判断，全面协调控制机前吸力及集气管压力。

3 系统特点

(1)开放式系统结构［3］，易于扩展。工作站和操作系统均采用商用信息技术，使用标准编程语言，能够与第三方产品无缝集成。

(2)分布式实时数据库在网络上共享，无需配置服务器，消除了中间通讯或服务器环节带来的瓶颈。

(3)双网冗余，容错的高速公路，传送速率达100 Mbps，实时性高。

(4)所有I/O模件均为带CPU的智能化设计，可在线诊断至通道级，并能以报警方式进行提示。

(5)操作员站可通过授权提升为工程师站，方便了工程师对系统的维护。

(6)采用专业化嵌入式算法模块，实现了在线修改功能，对控制程序的修改不需编译可再次下装，极大方便了系统的在线调试，确保了生产的连续性。

图2 系统主界面

图3 调节界面

图4 历史趋势功能界面

4 系统部分功能介绍

4.1 主控画面简介

在主控图画面中设计有主流程图和主操作条，主流程图展示了集气管压力调节系统的整个工艺过程，其中包括“集气管压力”、“初冷气前压力”、“风机进口压力”、“风机耦合器转速”等参数的显示及调节阀门按钮，停电报警按钮和鼓冷总报警按钮等;主操作条包括“主画面”、“调节画面”、“报警一览”、“报警历史”、“趋势曲线”等按钮，用于各功能画面的切换。

4.2 报警方法

1#、2#集气管压力报警范围是小于40 Pa或大于150 Pa;1#、2#风机转速范围是1650～1850 r/min;当生产工艺参数达到上述范围时，声音报警器报警，同时相应的参数会变成红色。操作人员此时须密切注视，必要时须采取相应的措施。

4.3 消声方法

为避免声音报警器因长时间工作而损坏，须对相应的参数消音。消音的方法是点击参数下方的绿框，弹出一方框，点击消音按钮，此时绿框变成红色，声音报警器将停止报警。当参数正常后，点击红框，弹出一方框，点击恢复报警按钮，此时红框变成绿框。参数处于正常报警监控状态。

4.4 集气管压力DCS调节系统与现场仪表控制切换

切换之前，应检查DCS系统各个调节器的调节输出信号百分比是否分别与仪表调节的输出百分比一致，在保持一致的情况下，才能分别切换到DCS调节。其中包括:鼓风机转速由仪表调节转为DCS调节;鼓风机转速由DCS调节转为仪表调节;焦炉翻板调节由仪表调节转为DCS系统调节;风机循环调节由仪表调节转为由DCS系统调节;风机循环调节由DCS系统调节转为由仪表调节。

5 结束语

改进后的集气管压力控制系统自动化水平高、运行稳定、操作简便、故障率低、维修量小，系统综合应用各种调节功能模块、综合对集气管压力、集气管压力的变化、蝶阀开度、风机转速范围、大循环蝶阀开度进行判断，全面协调控制机前吸力及集气管压力，成功解决了集气管压力控制这一难题。

［1］周耀忠.DCS系统在75t/h锅炉中的应用［M］.太原:山西经济出版社，2001.

［2］郭一楠，程健，谭德健.集气管压力多级控制系统的研制［J］.工矿自动化2002(4):32－34.

［3］魏爱玲.DCS在鞍钢二发电油改煤工程中的应用［M］.太原:山西经济出版社，2000.