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    王彥君（1974-）

    男，工程師， 現(xiàn)任七臺(tái)河寶泰隆煤化工有限公司儀表工程師。



    摘  要：我國的焦?fàn)t大多采用多集氣管并聯(lián)，共用一套風(fēng)機(jī)、冷凝系統(tǒng)。本文針對(duì)集氣管壓力被控過程的多樣性、時(shí)變性、非線性的特點(diǎn)，通過分析影響集氣管壓力控制的多種因素，建立了一種新形式的焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文詳細(xì)介紹了自適應(yīng)專家智能控制系統(tǒng)程序的編制以及具體實(shí)現(xiàn)方法，通過專家控制算法和解耦相結(jié)合控制集氣管壓力，結(jié)果令人滿意。經(jīng)過兩年的實(shí)際應(yīng)用，表明了所建模型和控制方案的合理性和實(shí)用性。

    關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；集氣管壓力；專家控制；解耦；模型

    Abstract: Most coke ovens in China have multiple gas collector connected in parallel, sharing a set of fans and refrigeration system. This paper establishes a new mathematical model for the pressure system of coke oven gas collectors, by analyzing the factors that affects the presssure control of gas collector and the diversity, time-varying, and non-linear characteristics in the process. The author introduces the details of the adaptive expert intelligent control system and its specific implementations. The new system combines expert control algorithm and decoupling together to control the pressure of gas collectors. The control results is satisfactory. The three-year’s practical application shows the reasonableness and practicality of the proposed model and its control program.

     Key words: coke oven; pressure of gas collector; expert control;  decoupling; model

    1 前言

    在煉焦生產(chǎn)過程中，需保證各焦?fàn)t煤氣壓力在80~120Pa之間的穩(wěn)定是焦?fàn)t正常生產(chǎn)的重要保證。若壓力過高會(huì)導(dǎo)致爐子跑煙冒火、污染環(huán)境并且嚴(yán)重影響操作安全，造成能源的浪費(fèi)；若壓力過低，會(huì)使大量空氣從爐門等不嚴(yán)密處進(jìn)入炭化室，與焦炭及煤氣燃燒造成損失，降低煤氣和焦碳質(zhì)量，同時(shí)也影響爐子壽命。

    焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)是多個(gè)集氣管并聯(lián)系統(tǒng)，具有強(qiáng)干擾、多耦合、時(shí)變、非線性的特性，存在著多種外部干擾因素和組內(nèi)、組間以及焦?fàn)t與鼓風(fēng)機(jī)間復(fù)雜的耦合關(guān)系，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。目前，雖然各種控制方案百花齊放，但在實(shí)際應(yīng)用中真正有效的卻少之又少。

    2 工藝介紹

                
                           圖1   工藝流程示意圖

    如圖1所示，P_01、P_02、P_03、P_04、P_05分別是4個(gè)集氣管的壓力和風(fēng)機(jī)前的吸力測(cè)量變送器；PV01、PV02、PV03、PV04、PV05分別為4個(gè)集氣管的自動(dòng)蝶閥和風(fēng)機(jī)的循環(huán)線自動(dòng)蝶閥。

    4個(gè)集氣管分別有PVC01、PVC02、PVC03、PVC04四個(gè)常規(guī)PID控制回路，鼓風(fēng)機(jī)有變頻器的轉(zhuǎn)數(shù)手操器控制和PVC05循環(huán)線常規(guī)PID控制。

    1#焦?fàn)t和2＃焦?fàn)t共4個(gè)集氣管并聯(lián)，將焦?fàn)t中的煤氣最終匯合到一起經(jīng)氣液分離器、初冷器等中間環(huán)節(jié)處理后，由鼓風(fēng)機(jī)送往下道工序。工藝上要保證各焦?fàn)t煤氣壓力在80～120Pa之間的穩(wěn)定，保證風(fēng)機(jī)前的吸力穩(wěn)定，即保證P_01、P_02、P_03、P_04的值要在80～120Pa之間和P_05吸力穩(wěn)定。

    3 專家控制程序的編寫

    通過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間觀察生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)如下問題：

    （1） 出焦、交換、裝煤、平煤操作、噴氨水操作，煤氣發(fā)生量和工藝設(shè)備管道阻力的變化都對(duì)集氣管壓力造成干擾；

    （2） 4個(gè)集氣管共用一套風(fēng)機(jī)、冷凝系統(tǒng)，各集氣管之間以及集氣管與風(fēng)機(jī)之間存在著嚴(yán)重的串并聯(lián)耦合（相互干擾），焦?fàn)t集氣管管道之間相互連通，集氣管壓力相互干擾，一個(gè)集氣管壓力波動(dòng)，其他集氣管隨之波動(dòng)，產(chǎn)生震蕩，系統(tǒng)難以穩(wěn)定；

    （3）風(fēng)機(jī)前吸力（P_05）的波動(dòng)對(duì)集氣管壓力的影響很大；

    （4）集氣管壓力調(diào)節(jié)的范圍小，在大的干擾下，超出了自動(dòng)蝶閥的調(diào)節(jié)范圍。

    為解決以上問題，真正發(fā)揮自動(dòng)控制的作用，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過總結(jié)操作人員對(duì)系統(tǒng)的操作和控制經(jīng)驗(yàn)，用浙江中控DCS的ST語言來編寫程序，本控制程序的特點(diǎn)如下：
 
    （1） 以現(xiàn)場(chǎng)人員或有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、或操作數(shù)據(jù)作為編程基礎(chǔ)。

    （2） 是語言的變量控制，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性的表達(dá)。

    （3） 根據(jù)不同的控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)不同的控制器，其語言控制規(guī)則分別獨(dú)立。 

              
                           圖2   控制程序流程圖

    如圖2所示，當(dāng)集氣管壓力有偏差時(shí)，先由單個(gè)集氣管執(zhí)行自身的常規(guī)PID控制；風(fēng)機(jī)小循環(huán)線也執(zhí)行自身的常規(guī)PID控制，來穩(wěn)定機(jī)前吸力；但是，當(dāng)集氣管蝶閥開度或集氣管壓力偏差平均值已經(jīng)超過某一特定值后，以上控制系統(tǒng)由常規(guī)PID轉(zhuǎn)入專家模糊控制語言，由專家模糊控制自動(dòng)改變鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器的參數(shù)來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，而鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)要求不能太大，否者初冷器前吸力太大，容易進(jìn)入空氣，給后面的電捕操作帶來爆炸危險(xiǎn)，轉(zhuǎn)數(shù)也不能太小，否者鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)。所以，這里做了選擇程序，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到上述界限時(shí)，程序自動(dòng)停止調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)而改變小循環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的出入口循環(huán)線閥門（PV05）開度來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)前吸力，最終使集氣管壓力保持在設(shè)定值。

    4 專家控制程序的編寫實(shí)例

    下面列舉幾個(gè)程序的片段，使讀者對(duì)本套專家控制系統(tǒng)有個(gè)初步的了解。

    （1）4個(gè)集氣管的平均偏差計(jì)算程序（片段）

if g_bsc[0].SwAM and g_bsc[1].SwAM and g_bsc[2].SwAM and g_bsc[3].SwAM then
   pc=0;bzw=on;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p1n);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[6].SV);pc=pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p1b);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[5].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p2n);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[1].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p2b);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[0].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pc=pc/4;pcp=FLOAT_TO_SFLOAT(pc);
else
   bzw=off;
end_if;

    上例中，當(dāng)4個(gè)集氣管都是自動(dòng)控制時(shí)，開始平均偏差計(jì)算。4個(gè)集氣管的偏差值相加除以4即是平均偏差，bzw作為平均偏差計(jì)算的標(biāo)志。

    （2）4個(gè)集氣管蝶閥平均位置計(jì)算程序（片段）

if g_bsc[0].SwAM and g_bsc[1].SwAM and g_bsc[2].SwAM and g_bsc[3].SwAM then
  if pcdj03a<3 and pcdj04a<3 and pcdj03b<3 and pcdj04b<3 then
  mv0=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[0].MV);mv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[1].MV);
  mv5=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[5].MV);mv6=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[6].MV);
    aw1=aw1+(mv0+mv1+mv5+mv6)/4;nw1=nw1+1;
    if nw1>=n1 then
      nw2=INT_TO_FLOAT(nw1);aw1=aw1/nw2;aw2=FLOAT_TO_SFLOAT(aw1);
      if aw2>fsx then
        g1=on;
      else
        g1=off;
      end_if;
      if aw2<fxx then
        g2=on;
      else
        g2=off;

    上例中，當(dāng)4個(gè)集氣管都是自動(dòng)控制，并且4個(gè)集氣管的偏差等級(jí)都小于3時(shí)，開始蝶閥平均位置的計(jì)算。為了計(jì)算的精確，蝶閥位置采用累積后計(jì)算平均值的方法，累積次數(shù)可以由操作人員設(shè)定。程序中，g1代表平均閥位超過某一設(shè)定值的標(biāo)志，g2代表平均閥位小于某一設(shè)定值的標(biāo)志。

    （3）鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制程序（片段）

      if qtwzh then
  if timers[1]>=dsh then
    timers[1]=0;
    if gd1g then
      g_bsc[9].OA=g_bsc[9].OA - z;
    end_if;
    if gd2g then
      g_bsc[9].OA=g_bsc[9].OA+z;
    end_if;
  end_if;
else
  timers[1]=0;     
              
    上例是給鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器的輸出自動(dòng)加補(bǔ)償?shù)囊欢纬绦蚬?jié)選，目的是使鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)按程序要求，自動(dòng)增加或減少，增加或減少的量可由操作人員設(shè)定。

    除上述幾個(gè)例子之外，還有選擇程序；自動(dòng)調(diào)整集氣管調(diào)節(jié)器的比例度程序；小循環(huán)線的一階超前控制程序等等共同構(gòu)成一套專家控制系統(tǒng)，這里就不一一贅述了。

    5 總結(jié)

    本套專家控制系統(tǒng)投入運(yùn)行已經(jīng)3年，實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定、操作方便，控制精度達(dá)到要求。單座焦?fàn)t的調(diào)節(jié)對(duì)其它焦?fàn)t壓力的影響較控制前明顯削弱，對(duì)壓力的最大擾動(dòng)幅度從±200Pa下降到±10Pa，當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，能快速調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定，保證集氣管壓力穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 林德杰. 過程控制儀表及控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

    [2] 徐兵主. 過程控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2004.




                                                        轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》