今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
張乃祿 徐竟天 楊彩鴿 王東 黃建平
1 引言
焦爐集氣管壓力是焦爐生產(chǎn)中重要的工藝參數，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)。對焦爐集氣管壓力進(jìn)行控制，使其穩定在生產(chǎn)工藝所需范圍內，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(cháng)爐齡的重要技術(shù)措施。采用北京亞控組態(tài)王Kingview和KingACT，運用智能協(xié)調最優(yōu)控制及變參數PID控制相結合的方法，把控制焦爐集氣管壓力穩定在最佳值，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，增加焦爐壽命，減少污染物排放。
2 多焦爐系統簡(jiǎn)介
山西靜樂(lè )焦化廠(chǎng)焦爐為兩爐結構，其中一座為55孔，另一座為35孔?？讛挡煌?，集氣管管線(xiàn)長(cháng)度也不同，阻力分布差異大，風(fēng)機非線(xiàn)性嚴重，滯后大。壓力大時(shí)爐子冒煙，近距離不能看清設備，壓力小時(shí)空氣吸入量大，影響焦爐壽命和焦爐煤氣質(zhì)量，易引發(fā)事故。兩座焦爐共用一套鼓冷系統，兩座焦爐發(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)機將焦爐煤氣送至后續工序。因1、2號焦爐的集氣管并聯(lián)，兩臺羅茨風(fēng)機并聯(lián)，集氣管與鼓風(fēng)機機組串聯(lián)，故相互間存在著(zhù)嚴重的耦合關(guān)系。多焦爐系統工藝流程與系統構成如圖1所示。
控制部分主要有三個(gè)檢測點(diǎn)：集氣管1壓力檢測、集氣管2壓力檢測、集氣總管壓力檢測；三個(gè)控制點(diǎn)：閥門(mén)1、閥門(mén)2、變頻器1、2。由于兩臺變頻器并聯(lián)運行，為防止兩臺變頻器由于控制信號大小不同而產(chǎn)生回流，因此兩臺變頻器由一個(gè)控制信號串聯(lián)進(jìn)行控制。其中，蝶閥通過(guò)電動(dòng)執行器進(jìn)行控制，4~20mA電流對應閥門(mén)0~90o開(kāi)度；風(fēng)機通過(guò)兩臺西門(mén)子變頻器進(jìn)行交流變頻調速，4 ~20mA電流對應變頻器0~50Hz輸出。
圖1 多焦爐系統工藝流程與系統構成
3 系統控制方案與策略
以焦爐壓力為主調，鼓風(fēng)機前吸力為輔調，并以?xún)蓚€(gè)集氣管壓力的平衡調節作為重點(diǎn)設計目標。由于集氣管1、2和鼓風(fēng)機前吸力這三個(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)回路單獨考慮，同時(shí)又要考慮到其它參數和各回路間的影響。采取保證重點(diǎn)、照顧一般的原則，應用變參數PID控制與智能協(xié)調最優(yōu)控制原理，對整個(gè)系統進(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。系統采用軟件方式實(shí)現的變參數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參數值，即可解決正常情況下的壓力波動(dòng)問(wèn)題。
(2) 鼓風(fēng)機前吸力最優(yōu)控制是穩定集氣管壓力的輔助保證。在調整集氣管壓力時(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的合格范圍內。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)機吸力就??；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，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)采集當前兩蝶閥開(kāi)度信息，即可按照協(xié)調控制原則，綜合、協(xié)調兩閥門(mén)開(kāi)度信息，輸出變頻器的控制信號，使得在滿(mǎn)足控制精度的前提下，變頻器在最低頻率運行，實(shí)現最優(yōu)控制。
(3) 重點(diǎn)解決集氣管1和2壓力不平衡問(wèn)題。根據焦爐生產(chǎn)運行的實(shí)際情況，由于各種因素的影響，經(jīng)常會(huì )出現一個(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參數值，加強控制作用，以使兩個(gè)集氣管的壓力趨于平衡，為調節鼓風(fēng)機前吸力創(chuàng )造條件。
4 控制系統的實(shí)現
采用Kingview 6.5和軟邏輯控制軟件kingACT 1.5，編程實(shí)現對非線(xiàn)性、多耦合、強擾動(dòng)的多變量時(shí)變系統焦爐集氣管煤氣壓力的精確控制。采用智能協(xié)調控制及變參數PID控制相結合的思想，將現場(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
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)現數據采集、監測等功能的數據采集系統。它可以通過(guò)雙絞線(xiàn)、多站點(diǎn)RS-485網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)絡(luò )主機相連。每個(gè)系統由兩部分組成：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。計數器/頻率模塊還可以設置為加/減計數、雙向和頻率模式。除了節點(diǎn)地址外，所有其它參數（包括通信速度、高低限報警和校準等）均可通過(guò)遠程進(jìn)行程序設定。ADAM的靈活設計擺脫了傳統機械式設置的操作方式，避免了由于采用固定量程而需要購置大量模塊的負擔。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路通用數字量I/O模塊，每路是數字輸入還是輸出可通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行設定。
4.2 軟件實(shí)現
KingACT 1.5基于PC機上建立的實(shí)時(shí)軟邏輯控制軟件，它內含各種標準工業(yè)控制算法圖形模塊，只需要賦予特定參數，調用各種算法模塊即可實(shí)現常見(jiàn)的各種工業(yè)控制。它以Windows中文全系列操作系統作為其操作平臺，提供符合IEC1131-3標準的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。利用組態(tài)王界面功能及圖庫來(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設備直接進(jìn)行通訊；利用其靈活的語(yǔ)法和函數庫編寫(xiě)協(xié)調控制系統。利用KingACT軟邏輯控制功能完成變參數PID控制，采集監測信號，并直接輸出控制信號到I/O硬件。軟件模塊結構如圖3所示。
圖3 軟件模塊結構圖
其中，為了實(shí)現快速實(shí)時(shí)控制，使用KingACT通過(guò)COM1口實(shí)現三個(gè)監測點(diǎn)及兩個(gè)控制點(diǎn)（蝶閥的變參數PID控制）的I/O處理。其他參數由組態(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)蝶閥當前位置等其他參數，變頻器控制信號由程序計算后由組態(tài)王經(jīng)COM2口輸出。同時(shí)組態(tài)王與KingACT之間通過(guò)IEC1131-3標準進(jìn)行通信，讀取、設置KingACT中的各種參數。例如，可以讀取、設置PID模塊的P、I、D當前值及PID模塊涉及到的其他參數，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、輸出高限設定、輸出低限設定等其他重要參數。
5 結語(yǔ)
本系統于2004年3月在山西靜樂(lè )焦化廠(chǎng)投入運行。實(shí)際運行表明，該系統工作可靠、性能穩定、功能齊全、操作方便、控制精度高。對壓力的最大擾動(dòng)能在幾秒內快速調節到最佳值，確保壓力穩定在工藝要求值±10Pa范圍以?xún)?。?jīng)濟效益顯著(zhù)，在國內焦化行業(yè)具有廣泛的推廣應用價(jià)值。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號