《電子技術(shù)應用》
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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
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。
Abstract:
Key words :

[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),從而使風機的抽風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閥口開度也應該較大;在吹氧停止后煙氣量較少,RD閥口開度也應該較小。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,但當煙氣流量變化較大及風機負載突變時,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。又受風機轉(zhuǎn)速等影響,建立一個精確數(shù)學模型很困難。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)學公式表達的數(shù)學模型,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,進入CPU進行模糊計算給出相應的目標值,通過S7-300的模擬量輸出模板進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后,送入液壓伺服閥從而對RD閥的開度進行控制。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)驗及人的思維習慣,將正E,EC,U的模糊集取為:{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}即{負大,負中,負小,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,使爐內(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:當誤差較大時,控制量的變化應盡力使誤差迅速減小。當誤差小時,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閥的開度是否到達臨界值、液壓站的油溫、液位是否到達臨界值、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)境保護十五規(guī)劃》對防治工業(yè)污染排放的精神,益于推廣。

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