焦炉集气管压力智能控制系统
焦炉集气管压力智能控制系统
摘要：焦炉集气管系统是焦炉系统的重要组成部分，针对目前我国焦炉集气管压力系统波动大及自动化低下的现状，开发了焦炉集气管压力智能控制系统。通过采用Honeywell集散控制系统和VC软件编程，实现了焦炉集气管压力的可视化调节，将集气管压力稳定在给定的工艺波动范围内。该系统在涟源钢铁有限公司进行了试验和使用，效果良好。
关键词：智能控制; Honeywell集散控制系统; 自动化
Abstract：The collector pressure system of coke-oven is important part of oke-oven system. Based on the collector pressure system of coke-oven which has changed value between large scope and lower automatization, the gas collector pressure intelligent control system for coke-oven is developed. Through adopting Honeywell DCS and VC programme, the system implements the visualization regulation of the collector pressure system of coke-oven, and stable the pressure in in the technics area. The system is tested and used in Lianyuan iron and steel Ltd and acquires better effect.
Keyword：Intelligent control; Honeywell DCS, Automation
1 引言
焦炉集气管系统是焦炉系统的重要组成部分，它负责收集焦炉生产过程中产生的焦炉煤气，对其进行气液分离，冷却，洗涤等净化操作，提供给民用供气，锅炉或高炉加热等进一步使用[1~4]。在焦炉工业中焦炉集气管压力的稳定是焦炉正常生产的重要保证。生产中受到多种因素的影响，如出焦，装煤，炉底换向，煤气量发生变化，工艺设备及管道阻力变化都会引起集气管压力大幅度波动。当压力过低时，空气就会进入炉体，导致焦碳燃烧，灰份增加，焦碳质量下降，加重冷却系统的负担并缩短炉体使用寿命，当压力过高时，荒煤气将会冒出，造成跑烟冒火，降低了荒煤气的回收率并造成环境污染。目前我国很多钢铁企业集气管压力波动范围达，自动化程度较低，因此，研制焦炉集气管压力控制系统以及成功应用，对于改善环境，提高煤气回收量和质量，提高焦炉辅助产品和质量，具有重要意义[5,6]。
2 工艺现状
涟源钢铁有限公司焦化厂目前有1#、2#、新2#三座焦炉，其中1#、2#焦炉焦炭产量相对新2#焦炉（简称N2#）要小，相应其荒煤气的产量和集气管气压也要小些。1#、2#焦炉相距很近，其集气管压力耦合严重，其中任一集气管压力的变化都会引起另一集气管气压的波动。两座老焦炉集气管压力原先设定值为80~120Pa，现因炉体老化，其值设定在40~80Pa之间才能防止焦炉出现跑烟、冒火的现象，在实际生产中，有时甚至设定在20Pa。1#、2#焦炉荒煤气汇合后，经一段长为600m左右的输气管传输后与N2#焦炉的荒煤气汇合。N2#焦炉与鼓风机相距较近
，鼓风机转速的变化对N2#焦炉影响显著，对1#、2#焦炉影响较小。因为1#、2#焦炉集气管与N2#焦炉集气管相距较远，输气管长且阻尼大，同时鼓风机吸力气压远大于集气管所能产生的最大负气压，所以1#、2#焦炉与N2#焦炉之间耦合相对较小。
3 控制系统硬件设计
控制系统选用Honeywell公司生产的Honeywell PlantScape集散控制系统，该系统开放性好，使用方便，功能强大，能满足集成和分散控制的各种要求。
集气管压力控制系统硬件结构图如图1所示，系统为冗余结构，每一个主机架都由电源模块TK-FPCXX2,网络接口模块TC-CCR013，中央处理模块TC-PRS021，冗余模块TK-PRR021构成。从机架由电源模块TK-FPCXX2,网络接口模块TC-CCR013，数字量输入模块TK-IDD321，数字量输出模块TK-ODK161，模拟量输入模块TC-FIAH81，模拟量输出模块TK-OAV081，热电阻模块TB-IXR061构成。操作员控制与监视（人机界面）采用戴尔工控机，配置以太网卡和1784-PCIC卡，以太网卡用于服务器与各工作站的通信。1784-PCIC卡用于和DCS系统的CONTROLNET网连接。系统监控和数据采集选用Honeywell公司的PlantScape，提供操作员监视，操作，系统报警及报表生成功能。另外，在鼓风机房配置了两台工作站，通过光缆和中控室服务器相连，用于监控鼓风机运行和集气管压力状况。
三座焦炉因投产时间和设计的原因，使用的调节阀各不相同，其中1#焦炉使用的是西贝公司的SCHIEBEL调节阀，2#焦炉使用的是ROTORK调节阀，3#焦炉使用的是川仪的调节阀，均为电动调节阀，动作力矩大，缺点是不能频繁的调节，容易引起电机发热，安装位置在集气管的末端，从运行的情况看，因集气管内焦油的逐渐增多，引起阀门动作力矩增大。
N2#焦炉主要采用专家模糊控制器对其进行控制，它根据专家控制器，选择不同的模糊控制器进行计算，得到N2#焦炉蝶阀的目标设定值；然后由协调控制器根据N2#蝶阀的特性，对目标设定值进行补偿修正，得到N2#蝶阀目标执行值（当鼓风机转速、外送压力发生突变时，采用N2#前馈补偿控制器对目标执行值进行补偿修正），下发给Honeywell集散控制系统，进行控制。
1#、2#智能解耦控制器通过模糊运算或PID运算，根据补偿解耦规则，得到1#蝶阀和2#蝶阀的目标设定值；然后由协调控制器根据蝶阀的特性，对目标设定值进行补偿修正，得到1#蝶阀和2#蝶阀的目标执行值，下发给Honeywell集散控制系统，进行控制。
由于智能解耦控制系统要进行大量的计算，要求很高的实时性，同时要便于调试，并且要有一定的界面，故采用C/C++等高级语言来进行开发。系统用了OPC技术进行数据通信。
4 智能控制方案
在Honeywell系统的
基础上设计了集气管协调专家控制器、1#、2#智能解耦控制器、N2#专家模糊控制器和协调控制器。其整体结构如图2所示。
集气管压力智能解耦控制系统的工作原理如下：三座焦炉的集气管压力设定值以及外送压力、鼓风机转速和蝶阀阀位的检测值输入到集气管协调专家控制器，由专家控制器根据专家经验，处理有关的设定值和检测值，并把处理的数据传给1#、2#智能解耦控制器和N2#专家模糊控制器。
5 系统运行情况
由两台工业控制机和Honeywell控制器组成两级系统，共同完成集气管压的智能解耦控制、工艺过程的实时监视和综合信息管理。系统于2004年11月投入涟源钢铁有限公司焦化厂运行，从自动控制效果来看，控制算法是有效的，并根据实际运行情况和控制效果对模糊专家智能解耦控制器做了参数调整和优化，达到项目的设计要求。对控制界面也进行了优化设计，操作简单，界面清晰明了。
焦炉集气管压力解耦控制系统软件运行画面如图3所示。该系统工作可靠、性能稳定、功能齐全、操作方便，压力控制精度达到了要求。当负荷变化、集气管压力波动、外送压力波动、上升盖打开或关闭等外界干扰出现，使得三座焦炉出现高压或低压时，计算机控制系统可以在短时间内通过对三座焦炉集气管蝶阀调节使集气管压力动态调整为正常范围。以N2#焦炉为例，对其进行智能控制后，对其采样数据进行分析：当其设定值为110Pa时，压力波动范围在±10 Pa占全部采样的45%，压力波动范围在±20 Pa占全部采样的30%，压力波动范围在±30 Pa占全部采样的25%；而原系统压力波动范围在±50 Pa占全部采样的20%，压力波动范围在±250 Pa占全部采样的80%；当外界因素引起集气管压力波动时，该系统能迅速调节N2#蝶阀开度使压力在30 s内能达到稳定，保证压力稳定在工艺要求波动范围内。
该系统在某钢铁有限公司的具体使用过程中取得了良好的效果，实现了焦炉集气管压力的自动化监控，提高了生产效能。
参考文献：
[1] Hongbo Liu; Shaoyuan Li. Intelligent decoupling control of power plant main steam pressure and power output[J].Electrical Power and Energy System.2003;25:809-819.
[2] 赖旭芝，周国雄，曹卫华，吴敏．焦炉集气管的模糊专家控制方法及其应用[J]．控制工程，2006，13(2)：108-110
[3] 蔡自兴，徐光佑．人工智能及其应用[J]．北京：清华大学出版社，2003
[4] Lo J, C. and Kuo Y.H. Decoupled fuzzy sliding-mode control. IEEE Transactions on Fuzzy Systems[J], 1998, 3(6): 2356–2361.
[5] 潘海鹏．焦炉集气管压力综合控制算法研究与应用[J]．控制工程，2003，10 (6)：529-531．
[6] 何平，王鸿绪．模糊控制器设计与应用[M]．北京：
科学出版社，2004．
[7] Chaichenko, V.I, Lavrov, K.G. . Pressure stabilization of direct coke oven gas in the gas collectors of coke batteries. Coke & Chemistry (USSR) (English translation of Koks i Khimiya)[J], 2001, 64(7): 72–76.转