[摘 要]：介紹了轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及回收設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐煉鋼在吹煉過程中，產(chǎn)生的CO氣體具有很高的回收利用價值。運用模糊控制原理代替了以往系統(tǒng)中采用PID調(diào)節(jié)器的方法，改善了系統(tǒng)的性能指標(biāo)件，提高了轉(zhuǎn)爐煙氣回收的效果，同時又凈化了大氣環(huán)境。

1 概述
　　轉(zhuǎn)爐煉鋼在吹煉過程中，產(chǎn)生大量以CO為主要成分的轉(zhuǎn)爐煤氣，特別是在吹煉中期CO的濃度可達(dá)80％以上。轉(zhuǎn)爐煙氣中CO具有很高的回收利用價值。通過轉(zhuǎn)爐煤氣的回收，不僅可以節(jié)約大量能源，而且對煙塵加以綜合利用，變廢為寶，同時又凈化了大氣環(huán)境。

　　為了提高煤氣的回收量，就必須精確地控制爐口的壓力。如爐內(nèi)壓力大于大氣壓力，則煙氣噴出，污染環(huán)境，降低煤氣的回收量；如爐內(nèi)壓力小于大氣壓力，則從爐口吸人空氣使CO燃燒而變成CO2，也降低了合格煤氣的回收量。從理論上講，理想的微差壓控制應(yīng)在±0Pa，但在實際運行中，根據(jù)排煙效果及回收煤氣的質(zhì)量一般控制在±20Pa。

　　爐口微差壓的控制范圍是影響轉(zhuǎn)爐煤氣成份及回收量的重要因素之一。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，爐內(nèi)的煙氣量在不斷的變化，爐口微差壓也就隨著變化。通過爐口微差壓的變化，對可調(diào)文氏管喉口裝置中RD閥的開口度實行自動調(diào)節(jié)，從而使風(fēng)機的抽風(fēng)量與煙氣的生成量保持一致，也就是通過對爐口微差壓的自動控制，來達(dá)到對煤氣回收的最佳控制。

2 系統(tǒng)的組成及控制思想
2．1 系統(tǒng)的組成
取壓環(huán)管安裝在活動煙罩上，從爐口取出爐內(nèi)與爐外的壓差，經(jīng)過微差壓變送器將其轉(zhuǎn)化為電信號送入西門子S7-300可編程控制器（PLC），CPU經(jīng)過模糊推理法計算出準(zhǔn)確的輸出值，送人伺服放大器，伺服閥工作，再通過執(zhí)行機構(gòu)帶動RD閥轉(zhuǎn)動。此時，安裝在執(zhí)行機構(gòu)上的角位移傳感器發(fā)出反饋信號與調(diào)節(jié)信號相比較，直至伺服放大器的輸出為零。RD閥轉(zhuǎn)動停止，此時爐口微差壓的實際值基本上控制在微差壓的給定值。系統(tǒng)框圖見圖1。

　　在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，爐口微差壓的變化受到諸多因素的影響。冶煉初期從兌鋼水，加廢鋼起開始吹氧氣，加渣料到吹煉前期，煙氣量上升較快，RD閥口開度也應(yīng)該較大；在吹氧停止后煙氣量較少，RD閥口開度也應(yīng)該較小。RD閥是連接轉(zhuǎn)爐煉鋼與煤氣回收的關(guān)鍵設(shè)備，它的控制既影響到煉鋼的質(zhì)量，又影響到煤氣的回收。因此，對RD閥的自動控制就顯得尤為重要。

2.2 控制思想
　　在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中RD閥是煉鋼及煤氣回收的紐帶。RD閥的執(zhí)行機構(gòu)是由液壓伺服系統(tǒng)控制完成的，它屬于典型非線性、時變、滯后系統(tǒng)。在我國冶金行業(yè)中，轉(zhuǎn)爐微差壓控制系統(tǒng)大都采用微差壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，其具有一定的抗干擾能力，但當(dāng)煙氣流量變化較大及風(fēng)機負(fù)載突變時，往往需要操作人員使用手動操作，顯然該系統(tǒng)的自動功能不能滿足煉鋼及回收的工藝要求。因而我們提出了采用模糊控制的思想。

　　在煉鋼過程中很難對RD閥建立一個精確數(shù)學(xué)模型，對RD閥的控制，就是要將爐口微差壓控制在一個很小的變化范圍內(nèi)，但是煙氣量的變化諸多因素的影響。又受風(fēng)機轉(zhuǎn)速等影響，建立一個精確數(shù)學(xué)模型很困難。但是對于有經(jīng)驗的操作人員，他們通常是根據(jù)爐口火焰及煙氣量，來調(diào)節(jié)RD閥的開口度。而模糊控制能夠方便地解決工業(yè)領(lǐng)域上常見的強耦合、非線性、時變性、大慣性、純滯后的復(fù)雜問題。其基本思想就是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。模糊控制器的模型不是由數(shù)學(xué)公式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型，而是由一組模糊條件語句構(gòu)成的語言形式；它是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員及專家的控制經(jīng)驗和知識組成的知識模型?；谶@一思想以及轉(zhuǎn)爐煉鋼的實際情況，設(shè)計一個基本的二維模糊控制器。

2.3 實現(xiàn)方法
　　硬件由上位機、西門子S7-300可編程序控制器及繼電控制回路組成。微差壓傳感器、角位移傳感器產(chǎn)生的電流信號通過S7-300的模擬量輸入模板，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入CPU進(jìn)行模糊計算給出相應(yīng)的目標(biāo)值，通過S7-300的模擬量輸出模板進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，送入液壓伺服閥從而對RD閥的開度進(jìn)行控制。上位機與PLC的通信為工業(yè)以太網(wǎng)方式。硬件組態(tài)見圖2。

　　在軟件設(shè)計上，有就地、集中兩種操作。就地操作為現(xiàn)場操作；集中操作為在上位機上通過畫面進(jìn)行操作。在集中操作中又分為手動操作及自動操作。
2.3.1 手動操作
　　在就地、集中操作中均可以實現(xiàn)手動操作。手動操作采用PID調(diào)節(jié)方式，通過手動給定某一固定角度作為PID調(diào)節(jié)器的輸入，利用Step7V5.2軟件中提供的PID調(diào)節(jié)器，通過改變參數(shù)找到一組最佳的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，從而得到一組最佳的PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。經(jīng)過實踐得出在本系統(tǒng)中采用比例積分調(diào)節(jié)器即可滿足RD閥的開度控制。但是，這種方式不能夠滿足系統(tǒng)微差壓很好地控制在±20Pa的要求。

2.3.2 自動操作
　　在集中操作中可以實現(xiàn)自動操作。自動操作采用模糊控制原理。模糊控制器的輸入為：爐口內(nèi)外的壓力差E（Pa）及壓差的變化率EC（Pa／s）。模糊控制器的輸出為：液壓伺服閥的開度U（mA）。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗及人的思維習(xí)慣，將正E，EC，U的模糊集取為：｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝即｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝7檔。
考慮到E的變化驗范圍化范圍（－10，＋10）U的化范圍（4，20）。EEC的論域取為｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝由此得到量化因子、比例因子。確定E，EC，U隸屬度，從而得到模糊變量賦值表。
根據(jù)二維模糊控制器算法器的控制規(guī)則及對現(xiàn)場操作工人工作經(jīng)驗的總結(jié)，建立模糊控制器的規(guī)則如下。
1）if E＝PB and EC=PB then U=PBB如果偏差E是“正大”且偏差變化EC也是“正大”，則閥門要大開，使?fàn)t內(nèi)壓力減小。
2）if E＝PB and EC＝PM or PS then U＝PB如果偏差正是“正大”且偏差變化EC也是“正中”，或是“正小”，則閥門要大開。
3）if E＝PM and EC＝PB or PM then U＝PB如果偏差正是“正中”且偏差變化正C也是“正大”，或是“正中”，則閥門要大開。
…（略）
設(shè)計的原則是：當(dāng)誤差較大時，控制量的變化應(yīng)盡力使誤差迅速減小。當(dāng)誤差小時，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以防止系統(tǒng)超調(diào)、振蕩。根據(jù)表1 及模糊變量賦值表得出控制表，通過軟件編程，儲存在PLC中。在自動操作時，使系統(tǒng)通過查表的方式進(jìn)行優(yōu)化的自動控制。

2.3.3 HMI組態(tài)設(shè)計
　　在S7-300中，使用CP343-1與上位機進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)的通訊，組態(tài)軟件采用WINCCV6.0。在設(shè)計中將WinCC的數(shù)據(jù)庫、畫圖、顯示、歷史趨勢、報警等功能緊密結(jié)合起來，做出模擬現(xiàn)場實際的工藝流程圖、液壓泵站的系統(tǒng)圖。這樣在上位機畫面中操作人員不但可以很直觀地看到現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及實時數(shù)據(jù)，而且可以簡單方便地完成對現(xiàn)場設(shè)備的操作及監(jiān)控，如液壓泵站的起、停控制，工作狀態(tài)顯示及報警顯示；RD閥的開度顯示及設(shè)定、手動操作、自動操作；爐口微差壓的顯示及設(shè)定、急停操作等。
使用“變量記錄”組件來組態(tài)過程值的歸檔，能夠?qū)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)按時間存放在數(shù)據(jù)文件里，并可以在系統(tǒng)運行中以趨勢曲線和表格的方式顯示出來，這樣就便于分析事故和改進(jìn)工藝；使用報警記錄編輯器，采集系統(tǒng)工作過程中的操作狀態(tài)及過程故障狀態(tài)并保存記錄，如RD閥的開度是否到達(dá)臨界值、液壓站的油溫、液位是否到達(dá)臨界值、電機是否過熱等狀態(tài)，這樣可以提早通知操作人員，及時排除故障，避免更大事故的發(fā)生。
3 結(jié)論
　　目前我們在系統(tǒng)中采用模糊控制器，將工作人員的經(jīng)驗輸入PLC后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性、精確性有了極大的提高。克服了原來系統(tǒng)因外部干擾而帶來的不穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)中爐口微差壓的自動控制設(shè)備現(xiàn)已經(jīng)在韶鋼煉鋼廠120T＃，2＃轉(zhuǎn)爐中投入使用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。由于自動化程度的提高，煤氣的熱值明顯提高，回收效率高，除塵效果好，本設(shè)備完全符合《國家環(huán)境保護(hù)十五規(guī)劃》對防治工業(yè)污染排放的精神，益于推廣。