供稿|張亮亮 / ZHANG Liang-liang

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章介紹了PID控制的特點(diǎn)和基本控制原理及參數(shù)調(diào)整的原則。為了實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)燒鋼控制功能，提高板坯加熱質(zhì)量，需要完成熱風(fēng)和天然氣流量的準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的準(zhǔn)確控制。PID控制在舞鋼新線3#加熱爐的燃燒控制中的應(yīng)用明顯提高了熱風(fēng)和天然氣流量控制準(zhǔn)確性，空燃比控制合理，殘氧量降低，天然氣消耗降低，是PID算法在工業(yè)控制應(yīng)用上的典型實(shí)例。

在過(guò)程控制中，按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

舞鋼新線3#加熱爐燃燒系統(tǒng)是用溫度設(shè)定控制空燃流量，再用流量控制各閥門開(kāi)口度的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。PID控制的應(yīng)用使溫度控制更精確，空氣燃?xì)獾呐浔雀侠?，減輕操作者的工作強(qiáng)度的同時(shí)一定程度上降低了能源的消耗。

PID控制的特點(diǎn)和原理

PID控制的特點(diǎn)

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型以及控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制的原理

◆ 比例控制

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

◆ 積分控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

◆ 微分控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決辦法是使抑制誤差的作用“超前”，即在誤差接近零時(shí)抑制誤差的作用為零。因而，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的。比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而增加“微分項(xiàng)”能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。具有比例+微分的控制器能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。

PID參數(shù)的調(diào)整原則

PID參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)調(diào)：(1)被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P；(2)被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間I，還可加大微分時(shí)間D。

舞鋼新線3#加熱爐燃燒系統(tǒng)

加熱爐本體

加熱爐分設(shè)第一加熱段上下、第二加熱段上下、均熱段上下6段控制供熱?？諝庥稍O(shè)置在煙道中的換熱器預(yù)熱后進(jìn)加熱爐燃燒，天然氣以常溫形式進(jìn)加熱爐燃燒。

加熱爐分為六個(gè)燃燒控制段，各燃燒控制段的控制方式相同。六個(gè)燃燒段分別為：上均熱段、下均熱段、第二上加熱段、第二下加熱段、第一上加熱段、第一下加熱段。在每個(gè)控制段上各設(shè)置4支熱電偶，每個(gè)熱電偶分別將信號(hào)送給PLC，熱電偶的測(cè)量信號(hào)由PLC進(jìn)行處理并在HMI畫(huà)面上顯示。

各段天然氣流量經(jīng)孔板流量檢測(cè)后送PLC進(jìn)行處理，經(jīng)PID控制方式輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至天然氣流量調(diào)節(jié)閥，按爐溫需要調(diào)節(jié)天然氣流量。

各段助燃空氣流量用孔板檢測(cè)，經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)為電信號(hào)后送PLC進(jìn)行處理，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥，按空/燃比需要調(diào)節(jié)助燃空氣流量。

加熱爐控制系統(tǒng)

◆ 硬件系統(tǒng)

加熱爐儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)由SIEMENS PCS7控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)主控制器，I/O采用分布式控制結(jié)構(gòu)ET200M系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFIBUS-DP總線結(jié)構(gòu)將主控制器和ET200M I/O站相連接，工作站(HMI)與控制器連接方式采用工業(yè)以太網(wǎng)形式組成。PLC系統(tǒng)擬采用SIEMENS公司S7-400系列可編程序控制器和工作站系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。PLC控制器用于生產(chǎn)過(guò)程的邏輯和順序控制，閉環(huán)調(diào)節(jié)控制、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和過(guò)程I/O處理等。工作站用于參數(shù)設(shè)定、操作和修改、報(bào)警和事故顯示、過(guò)程畫(huà)面顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等。

◆ 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)編程組態(tài)軟件采用SIEMENS PCS軟件，PCS7控制系統(tǒng)完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各種參量、數(shù)據(jù)的采集，輸入輸出信號(hào)的變換、處理、顯示、記錄、運(yùn)算、連鎖報(bào)警、回路控制、邏輯控制、數(shù)據(jù)通訊等功能。自動(dòng)燒鋼功能的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)PID的運(yùn)算合理調(diào)節(jié)各閥門的比例積分微分參數(shù)，達(dá)到最佳響應(yīng)狀態(tài)，在不同流量偏差下采用不同的PID參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，編寫5種不同加熱速度，適應(yīng)各鋼種工藝需求。

Wincc畫(huà)面顯示各監(jiān)視、控制所必須的各種操作、監(jiān)視畫(huà)面。儀表畫(huà)面有：

系統(tǒng)總貌畫(huà)面、汽化冷卻系統(tǒng)畫(huà)面、報(bào)警總貌畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、分段顯示畫(huà)面、控制回路畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫(huà)面、歷史記錄畫(huà)面。

PID控制在舞鋼新線3#加熱爐燃燒控制中的應(yīng)用

典型程序

OB1

CALL “Isolating Value”

CALL “Recycle Pump”

CALL “Discharge Value”

CALL “Aerif i cation Fan”

CALL “Replenishing Value”

CALL “mode_select”

CALL FC 50

CALL FC 65

OB35

CALL FC 1

CALL FC 2

CALL FC 3

CALL FC 4

CALL FC 5

CALL FC 6

CALL FC 7

CALL FC 17

CALL “Cumulation”

CALL “Attention”

CALL “PID select1”

CALL “Filter”

CALL “Alarm”

CALL “PID select2”

CALL “Communication with Lv2”

CALL FB 10, "FIC#304"

SP :="Range_Limit#302".SPout_Gas

PV :="FT#304".OUT

Kp :=2.000000e-002

Ki :=0.000000e+000

Kd :=0.000000e+000

IN_Dead_line :=2.500000e+001

OUT_Dead_line:=1.000000e-002

Limit_step :=2.000000e+000

Limit_Hi :=8.000000e+001

Limit_Lo :=3.500000e+000

OUT_end :="FIC#304".OUT_end

OUT_P_end :="FIC#304".OUT_P_end

OUT_I_end :="FIC#304".OUT_I_end

OUT_D_end :="FIC#304".OUT_D_end

OUT :="FIC#304".OUT

IN :="FVO#".FV304

L “FIC#304”.OUT

T “FVO#”.FV304

NOP 0

參數(shù)設(shè)定

◆ 簡(jiǎn)介

自動(dòng)燒鋼功能的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)PID的運(yùn)算合理調(diào)節(jié)各閥門的比例、積分微分參數(shù)，達(dá)到最佳響應(yīng)狀態(tài)，在不同流量偏差下采用不同的PID參數(shù)；手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種操作模式靈活操作，其之間操作實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，編寫5種不同加熱速度，適應(yīng)各鋼種工藝需求；助燃風(fēng)壓采用PLC的PID控制功能實(shí)現(xiàn)恒壓變頻控制，可實(shí)現(xiàn)恒壓控制和頻率控制兩種控制方式。以均熱段下部的自動(dòng)燃燒程序?yàn)槔?，介紹其參數(shù)的應(yīng)用。

◆ 溫度對(duì)燃?xì)饬髁康腜ID控制

均熱段下部原來(lái)有兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，一個(gè)是均熱東爐側(cè)TE302A，一個(gè)是均熱西爐側(cè)TE302B，為了使溫度的測(cè)量更精確后添加一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)TE3022B。爐溫的參考值是取以上三點(diǎn)測(cè)量溫度的平均值作為參考值”PID#Peremeter3”.TIC302_PV。溫度的設(shè)定值”PID#Peremeter3”.TIC302_SP來(lái)自HMI畫(huà)面中設(shè)定的溫度值。溫度的設(shè)定值有一定的范圍限制，當(dāng)這個(gè)值被設(shè)定的大于1350℃或小于900℃時(shí)，原設(shè)定值無(wú)效，程序中按1200℃給定這個(gè)值。當(dāng)這個(gè)值在900℃到1350℃之間時(shí)，程序采納這個(gè)設(shè)定值。在PID控制程序塊中Kp為8，Ki為0，Kd為3.5，ID_Dead_Lim為3即實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值的差值在3℃時(shí)就啟動(dòng)調(diào)節(jié)，OUT_Dead_Lim為1即實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值的差值在1℃時(shí)就停止調(diào)節(jié)，Limit Step為200即對(duì)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)的步幅為200 m3/h，Limit_Hi是燃?xì)饬髁吭O(shè)定值的最高限是1100 m3/h，Limit_Lo是流量設(shè)定值的最低限是0，”FT#304”.OUT為實(shí)際燃?xì)獾牧髁?。?shí)際燃?xì)獾牧髁渴乾F(xiàn)場(chǎng)儀表采納的信號(hào)經(jīng)過(guò)程序的變送輸送過(guò)來(lái)參與控制并顯示在HMI畫(huà)面上的。這些參數(shù)經(jīng)過(guò)PID程序塊計(jì)算后得到”TIC#302”.OUT即是燃?xì)饬髁康膶?shí)時(shí)設(shè)定值。

◆ 通過(guò)燃?xì)饬髁縼?lái)控制空氣流量

空氣流量的設(shè)定值是跟隨燃?xì)獾牧髁吭O(shè)定值變化的，以滿足不同燃?xì)饬肯氯紵璧难鯕饬?。根?jù)天然氣和氧氣的化學(xué)特性以及空氣中氧氣的含量，大致的空燃比為10，即空氣的流量是天然氣流量的10倍，但是受到各種因素(如氣體的溫度、燃燒的氣氛、煙氣帶走的流量等)的影響，空燃比是一個(gè)變化的值，程序中對(duì)其做了約束?？杖急取盤ID#Peremeter3”.SCALE302_SP來(lái)自HMI畫(huà)面中的設(shè)定。當(dāng)空燃比設(shè)定大于11時(shí)，程序按11來(lái)采納；當(dāng)空燃比設(shè)定小于9，程序按9采納；在9和11之間，采納畫(huà)面中的輸入值?！盩IC#302”.OUT燃?xì)饬髁吭O(shè)定值乘以”PID#Peremeter3”.SCALE302_SP空燃比設(shè)定值得出”Range_Limit#302”.Spout_Air空氣流量的設(shè)定值。程序也根據(jù)”FT#303”.OUT實(shí)際空氣流量與”FT#304”.OUT實(shí)際燃?xì)饬髁康谋戎涤?jì)算出一個(gè)當(dāng)前的實(shí)際空燃比并輸送到HMI畫(huà)面顯示。

◆ 燃?xì)饬髁繉?duì)燃?xì)忾y門開(kāi)口度的PID控制

“TIC#302”.OUT被重新定名為”Range_Limit#302”.Spout_Gas，為燃?xì)饬髁吭O(shè)定值，”FT#304”.OUT為實(shí)際燃?xì)饬髁?。在PID控制程序塊中Kp為200，Ki為0，Kd為0，ID_Dead_Lim為25，即實(shí)際燃?xì)饬髁恐蹬c設(shè)定燃?xì)饬髁恐档牟钪翟?5時(shí)就啟動(dòng)調(diào)節(jié)，OUT_Dead_Lim為0.01，即實(shí)際燃?xì)饬髁恐蹬c設(shè)定燃?xì)饬髁恐档牟钪翟?.01時(shí)就停止調(diào)節(jié)，Limit Step為2，即對(duì)燃?xì)忾y門閥位調(diào)節(jié)的步幅為2，Limit_Hi是燃?xì)忾y位設(shè)定值的最高限是80，Limit_Lo是燃?xì)忾y位設(shè)定值的最低限是3.5，”FT#304”.OUT為實(shí)際燃?xì)獾牧髁?。這些參數(shù)經(jīng)過(guò)PID程序塊計(jì)算后得到”FV0#”.FV304即是燃?xì)忾y門閥位的實(shí)時(shí)設(shè)定值，這個(gè)值通過(guò)一定的程序變送后變化為電信號(hào)直接控制燃?xì)忾y門的開(kāi)口度。

◆ 空氣流量對(duì)空氣閥門開(kāi)口度的PID控制

“Range_Limit#302”.Spout_Air為空氣流量設(shè)定值，”FT#303”.OUT為實(shí)際空氣流量。在PID控制程序塊中Kp為1500，Ki為0，Kd為0，ID_Dead_Lim為250，即實(shí)際空氣流量值與設(shè)定空氣流量值的差值在250時(shí)就啟動(dòng)調(diào)節(jié)，OUT_Dead_Lim為100，即實(shí)際空氣流量值與設(shè)定空氣流量值的差值在100時(shí)就停止調(diào)節(jié)，Limit Step為1.5，即對(duì)空氣閥門閥位調(diào)節(jié)的步幅為1.5，Limit_Hi是空氣閥位設(shè)定值的最高限是80，Limit_Lo是空氣閥位設(shè)定值的最低限是1。這些參數(shù)經(jīng)過(guò)PID程序塊計(jì)算后得到”FV0#”.FV303即是空氣閥門閥位的實(shí)時(shí)設(shè)定值，這個(gè)值通過(guò)一定的程序變送后變化為電信號(hào)直接控制空氣閥門的開(kāi)口度。

操作界面修改

圖1是PID 控制操作界面。在燃燒系統(tǒng)畫(huà)面點(diǎn)擊“TI101B/TI102B/ TI201B/TI202B/ TI301B/TI302B”等各溫度顯示框均可出現(xiàn)“參數(shù)自動(dòng)控制設(shè)定界面”，通過(guò)此界面，六段燃燒可以任意實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)的燃燒控制，可以實(shí)現(xiàn)一級(jí)或二級(jí)目標(biāo)溫度設(shè)定及空燃比和加熱速度等的設(shè)定。

在“參數(shù)自動(dòng)控制設(shè)定界面”勾選“二級(jí)設(shè)定”選擇框設(shè)定二級(jí)控制目標(biāo)溫度，“二級(jí)設(shè)定”在程序中為二級(jí)控制功能預(yù)留接口。在未勾選“二級(jí)設(shè)定”選擇框下，點(diǎn)擊“SP”輸入框可設(shè)定目標(biāo)溫度和空燃比，點(diǎn)擊“手動(dòng)”、“半自動(dòng)”、“自動(dòng)”等按鈕可實(shí)現(xiàn)三種模式的控制和切換，六段燃燒控制方式互不干擾?！白詣?dòng)”是操作工只設(shè)定各段溫度，由程序控制燃燒；“半自動(dòng)”是操作工設(shè)定燃?xì)饬髁?，空氣流量由程序給定；“手動(dòng)”是操作工直接給閥門開(kāi)口度。最右邊的“加熱爐速度選擇”選擇框，可以選擇加熱速度，速度1最慢，速度5最快。

在燃燒系統(tǒng)畫(huà)面點(diǎn)擊“TI101A/TI102A/TI201A/TI202A/TI301A/TI302A”等各溫度顯示框可以設(shè)定各燃燒段的實(shí)際溫度，小綠點(diǎn)所在的溫度即當(dāng)前實(shí)際溫度。

燃燒系統(tǒng)畫(huà)面點(diǎn)擊“風(fēng)壓自動(dòng)”按鈕可切換助燃風(fēng)風(fēng)壓自動(dòng)控制或頻率控制。在風(fēng)壓自動(dòng)控制方式下，右邊的風(fēng)壓設(shè)定輸入框設(shè)定風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓自動(dòng)控制；在頻率控制方式下，右邊的頻率設(shè)定輸入框設(shè)定頻率，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制風(fēng)壓。

在燃燒系統(tǒng)畫(huà)面點(diǎn)擊“殘氧修正”按鈕，綠色顯示殘氧修正作用啟動(dòng)，灰色顯示殘氧修正作用取消。殘氧修正界面見(jiàn)圖2。

在汽包流量歷史曲線畫(huà)面下可以顯示和查詢各燃燒段空燃比和煙道殘氧含量。

改進(jìn)部分

為了實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)燒鋼控制功能，提高板坯加熱質(zhì)量，降低天然氣消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，需要完成熱風(fēng)和天然氣流量的準(zhǔn)確測(cè)量，增加熱風(fēng)和天然氣的溫度、壓力補(bǔ)償功能，并根據(jù)板坯加熱工藝要求開(kāi)發(fā)自動(dòng)燒鋼控制功能，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)和天然氣流量根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)溫度和空燃比進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的準(zhǔn)確控制，同時(shí)確保天然氣能夠得到充分燃燒，將殘氧含量控制在5%以下。該項(xiàng)目需要完成以下功能：①校對(duì)燃?xì)饬髁坑?jì)，增加溫度、壓力補(bǔ)償功能，程序中做小信號(hào)切除，提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。②增加加熱爐燒鋼控制模式，實(shí)現(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)方式的變化選擇最佳的燒鋼控制速度。在程序的組織塊中，根據(jù)不同的速度選擇執(zhí)行不同周期的主程序調(diào)用。③增加空燃比控制和殘氧含量修正空燃比功能，實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制和動(dòng)態(tài)微調(diào)功能。根據(jù)殘氧量計(jì)算出一個(gè)修正值，用設(shè)定的空燃比減去這個(gè)修正值后的值來(lái)控制空燃比，每2 min修正一次。

結(jié)束語(yǔ)

舞鋼新線3#加熱爐的燃燒控制應(yīng)用了PID算法，使熱風(fēng)和天然氣流量控制準(zhǔn)確性得到明顯提高，空燃比也得到合理控制，殘氧含量降低，天然氣能源消耗降低，提高了天然氣的燃燒效率，是PID算法在工業(yè)控制應(yīng)用上的典型實(shí)例。