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西門子PCS7在焦爐溫度控制中的應用
信息來源： 發(fā)布時間：2012-01-18 09:34:56 點擊次數(shù)：0
焦爐的加熱過程是單個燃燒室間歇、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(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(tǒng)內的、應用西門子PCS系統(tǒng)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。
火道溫度在焦爐生產中的作用
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(jié)（以加減煤氣和空氣的方式進行調節(jié)）應當使機、焦側測溫火道平均溫度符合工藝所規(guī)定的標準溫度，并保持穩(wěn)定。作為衡量全爐溫度的穩(wěn)定性重要指標，反映焦爐穩(wěn)定穩(wěn)定性的指標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，對焦炭質量的提高、降低耗熱量以及延長焦爐爐齡至關重要【4】?？刂圃?br />
傳統(tǒng)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(wěn)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(shù)，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(tǒng)的基礎上采用了復雜控制系統(tǒng)中的串級控制方式進行爐溫的調節(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(xiàn)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(jié)，從而避免人為加減煤氣流量而導致溫度大起大落的現(xiàn)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(shù)、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(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)進行控制，效果會更好?？刂圃韴D見圖2所示?？刂撇呗?br />
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(xiàn)場總線技術、計算機技術以及先進自動化控制技術開發(fā)的面向工業(yè)工藝過程控制應用場合的新一代過程控制系統(tǒng)【1】。作為一個真正意義上的DCS系統(tǒng)，PCS7系統(tǒng)在連續(xù)過程變量的處理和實現(xiàn)上體現(xiàn)出了其強大的功能，尤其是在處理連續(xù)過程變量控制以及進行復雜控制方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)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(tǒng)也就完全可以用PCS7系統(tǒng)中集成的PID控制器來實現(xiàn)其控制要求。從系統(tǒng)原理分析中可以知道，爐溫控制原理從結構上看其實就是一個串級調節(jié)系統(tǒng)，而串級系統(tǒng)其實就是一個雙回路閉環(huán)系統(tǒng)，實質上是把兩個PID調節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)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(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?；诖耍瑸榱颂岣呦到y(tǒng)的控制性能合品質，主副環(huán)的工作頻率應錯開在相差三倍以上，以免頻率相近時發(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，避免擾動的產生。
PCS7環(huán)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(shù)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(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(zhí)行機構，通過調節(jié)煤氣管道上孔板的開度來達到調節(jié)火道溫度的目的。主副調節(jié)控制器連接見圖4。
火道溫度在焦爐生產中的作用
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(jié)（以加減煤氣和空氣的方式進行調節(jié)）應當使機、焦側測溫火道平均溫度符合工藝所規(guī)定的標準溫度，并保持穩(wěn)定。作為衡量全爐溫度的穩(wěn)定性重要指標，反映焦爐穩(wěn)定穩(wěn)定性的指標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，對焦炭質量的提高、降低耗熱量以及延長焦爐爐齡至關重要【4】?？刂圃?br />
傳統(tǒng)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(wěn)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(shù)，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(tǒng)的基礎上采用了復雜控制系統(tǒng)中的串級控制方式進行爐溫的調節(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(xiàn)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(jié)，從而避免人為加減煤氣流量而導致溫度大起大落的現(xiàn)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(shù)、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(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)進行控制，效果會更好?？刂圃韴D見圖2所示?？刂撇呗?br />
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(xiàn)場總線技術、計算機技術以及先進自動化控制技術開發(fā)的面向工業(yè)工藝過程控制應用場合的新一代過程控制系統(tǒng)【1】。作為一個真正意義上的DCS系統(tǒng)，PCS7系統(tǒng)在連續(xù)過程變量的處理和實現(xiàn)上體現(xiàn)出了其強大的功能，尤其是在處理連續(xù)過程變量控制以及進行復雜控制方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)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(tǒng)也就完全可以用PCS7系統(tǒng)中集成的PID控制器來實現(xiàn)其控制要求。從系統(tǒng)原理分析中可以知道，爐溫控制原理從結構上看其實就是一個串級調節(jié)系統(tǒng)，而串級系統(tǒng)其實就是一個雙回路閉環(huán)系統(tǒng)，實質上是把兩個PID調節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)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(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?；诖耍瑸榱颂岣呦到y(tǒng)的控制性能合品質，主副環(huán)的工作頻率應錯開在相差三倍以上，以免頻率相近時發(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，避免擾動的產生。
PCS7環(huán)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(shù)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(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(zhí)行機構，通過調節(jié)煤氣管道上孔板的開度來達到調節(jié)火道溫度的目的。主副調節(jié)控制器連接見圖4。