李昌胤 ，趙鋒 ，郭天勝 ，甘秀石 ，梁波

（1.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

鞍鋼股份有限公司煉焦總廠（以下簡稱“煉焦總廠”）一煉焦與四煉焦兩個(gè)作業(yè)區(qū)共有4座2×55孔6 m頂裝焦?fàn)t，集氣管8個(gè)，各集氣管翻板均為單回路PID控制，壓力設(shè)定值為130 Pa。4座焦?fàn)t的8根吸氣管匯總到三回收。該作業(yè)區(qū)的鼓冷系統(tǒng)有初冷器6臺(tái)、離心式鼓風(fēng)機(jī)3臺(tái)（2開1備，均為液力偶合器調(diào)速控制）、運(yùn)行的風(fēng)機(jī)2臺(tái)（其中一臺(tái)自動(dòng)控制，另一臺(tái)手動(dòng)控制，自動(dòng)控制的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)機(jī)前吸力設(shè)定值調(diào)節(jié)）。焦?fàn)t集氣管壓力是焦?fàn)t壓力制度中的重要參數(shù)之一，由于8根集氣管各調(diào)節(jié)系統(tǒng)間存在復(fù)雜的耦合作用，焦?fàn)t集氣管壓力經(jīng)常發(fā)生震蕩，導(dǎo)致集氣管壓力不穩(wěn)且波動(dòng)很大，給焦?fàn)t生產(chǎn)帶來困難，焦?fàn)t冒煙著火現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不符合環(huán)保要求。本文對(duì)煉焦總廠原焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)改造方案，新控制系統(tǒng)運(yùn)行后效果良好。

1 存在問題分析

由于煉焦總廠4座焦?fàn)t分為兩期建造完成，集氣管匯總總管長度差距約為80 m，集氣管壓力及回收鼓風(fēng)均采用獨(dú)立PID控制，相互無關(guān)聯(lián)，無自動(dòng)大循環(huán)管控制，鼓風(fēng)機(jī)基本沒有調(diào)節(jié)余量，屬典型的非線性、多耦合、強(qiáng)擾動(dòng)的多變量時(shí)變系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)行裝煤、出焦、交換、平煤、氨水噴灑等操作時(shí)，均對(duì)集氣管壓力產(chǎn)生較大沖擊，僅用PID等單回路調(diào)節(jié)手段，集氣管壓力無法克服互相干擾，實(shí)現(xiàn)解耦，防止震蕩，最終會(huì)導(dǎo)致集氣管壓力發(fā)生較大波動(dòng)，范圍在0～400 Pa，很難控制穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生鼓蓋冒黃煙等情況。

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，改造前的控制過程存在以下問題：①各執(zhí)行器以及風(fēng)機(jī)之間缺乏協(xié)調(diào)控制，出現(xiàn)波動(dòng)之后相互影響，導(dǎo)致耦合震蕩，不能協(xié)調(diào)消除耦合；②風(fēng)機(jī)控制根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)前吸力調(diào)節(jié)，容易出現(xiàn)吸力不能適合于不同工況和不同煤氣發(fā)生量的情況，進(jìn)而影響集氣管閥門之間的控制，最終影響集氣管壓力；③ 系統(tǒng)缺乏初始的整體分析，初始吸力分配不均勻；④ 工況變動(dòng)較為頻繁，單回路閥門和風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)不適合。

2 控制系統(tǒng)改造

2.1 改造方案

新控制系統(tǒng)下位機(jī)采用SIEMENS的S7-400H、IO冗余（除系統(tǒng)冗余外，IO模塊也是100%冗余的），H系統(tǒng)通過部件的冗余實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性，一旦某一信號(hào)通道出現(xiàn)故障，該通道的冗余通道會(huì)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，故障模塊可以在線更換，發(fā)揮PLC系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)；上位機(jī)采用研華工控機(jī)，安裝step7和組態(tài)王軟件，用高級(jí)語言軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，發(fā)揮IPC的控制優(yōu)勢(shì)。在原手動(dòng)翻板上增設(shè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)翻板的串聯(lián)自動(dòng)調(diào)節(jié)，解決檢修結(jié)束后，煤氣量不平衡的調(diào)節(jié)問題。改造后的硬件系統(tǒng)組態(tài)和軟件HMI畫面如圖1、2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組態(tài)Fig.1 Configuration for Hardware System

圖2 軟件HMI畫面Fig.2 General Appearance of HMI Software

此系統(tǒng)在高級(jí)語言編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)模糊控制的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的雙機(jī)熱備100%冗余，這種配置可以確保系統(tǒng)的可靠性。通過工控機(jī)智能控制集氣管翻板及鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在軟件中實(shí)現(xiàn)“解耦”，確保了焦?fàn)t集氣管壓力的穩(wěn)定。系統(tǒng)很好的將硬件的高可靠性、軟件的靈活性與現(xiàn)代智能控制相結(jié)合。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

新焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。新控制系統(tǒng)的核心由2臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（雙機(jī)熱備）構(gòu)成，將集氣管壓力、蝶閥開度、機(jī)前吸力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)均接入控制系統(tǒng)。

圖3 新焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.3 Structure of Pressure Control System for Gas Collectors to New Coke Oven

新控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的集氣管壓力對(duì)蝶閥開度進(jìn)行模糊控制，當(dāng)實(shí)際壓力高于設(shè)定壓力時(shí)開閥，當(dāng)實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力時(shí)關(guān)閥。當(dāng)?shù)y關(guān)到一定程度（該值可設(shè)定）集氣管壓力仍有低于設(shè)定壓力的趨勢(shì)時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出降低鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)，以減小吸力；當(dāng)?shù)y開到一定程度集氣管壓力仍有高于設(shè)定壓力的趨勢(shì)時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出升高鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)，以增大吸力。

通過鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)，可使集氣管翻板角度在設(shè)定的范圍內(nèi)，增加其調(diào)節(jié)的靈敏度。最終系統(tǒng)將穩(wěn)定在至少有一個(gè)蝶閥開度較大的狀態(tài)下，以盡量減小系統(tǒng)的阻力，即最大限度地節(jié)省電能。鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)集氣管壓力及翻板開度而非機(jī)前吸力進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效避免了由于機(jī)前（初冷器等）設(shè)備的阻力變化或各焦?fàn)t總吸氣管長度不同而影響集氣管壓力的情況發(fā)生，使鼓風(fēng)機(jī)真正參與到集氣管壓力的控制中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制策略。

2.3 方案的技術(shù)特點(diǎn)

（1）控制思想先進(jìn)，手段全面。系統(tǒng)更能貼近焦化廠的生產(chǎn)實(shí)際，與生產(chǎn)工藝結(jié)合得更緊密。每一個(gè)集氣管翻板及鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速都可以實(shí)現(xiàn)“手動(dòng)”與“自動(dòng)”的無擾切換；也可以實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與DCS等原系統(tǒng)的無擾切換，該控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)互為備用。

（2）生產(chǎn)工藝過程連續(xù)。煤氣在炭化室產(chǎn)生，經(jīng)上升管、橋管、集氣管、氣液分離器和初冷器等負(fù)壓設(shè)備后，由鼓風(fēng)機(jī)輸送出去。通過完整的檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合運(yùn)算，采用模糊控制的思想，達(dá)到了理想的控制效果。

（3）系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性高。兩臺(tái)工控機(jī)互為備用，100%冗余；下位機(jī)采用PLC（IO冗余）系統(tǒng)，抗干擾性顯著增強(qiáng)，功能齊全，并充分考慮安全優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)安全性大大提高。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

集氣管壓力改造前后控制曲線如圖4所示。通過系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了集氣管壓力的自動(dòng)解耦控制，新系統(tǒng)集氣管壓力能夠在設(shè)定值130 Pa周圍穩(wěn)定運(yùn)行，集氣管壓力波動(dòng)范圍小，密集程度高，曲線光滑平穩(wěn)，控制指標(biāo)一般情況下為設(shè)定值±30 Pa，交換機(jī)換向或裝煤操作期間為設(shè)定值±50 Pa，一旦出現(xiàn)壓力擾動(dòng)，能夠在30 s內(nèi)迅速調(diào)回，壓力合格率大于90%以上，控制精度達(dá)到工藝要求。應(yīng)用新系統(tǒng)后，爐上集氣管壓力穩(wěn)定性改變明顯，正常生產(chǎn)情況下能夠滿足環(huán)保要求，焦?fàn)t冒煙著火現(xiàn)象明顯減少。

圖4 改造前后集氣管壓力控制曲線Fig.4 Pressure Control Curves of Gas Collectors before and after Upgrading

4 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉焦總廠為了解決生產(chǎn)中焦?fàn)t集氣管壓力不穩(wěn)定、波動(dòng)大的問題，進(jìn)行了焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)改造，實(shí)施后實(shí)現(xiàn)了集氣管壓力的自動(dòng)解耦控制，新系統(tǒng)集氣管壓力能夠在設(shè)定值130 Pa周圍穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)減少了焦?fàn)t裝煤、出焦時(shí)鼓蓋冒煙的情況，操作環(huán)境和環(huán)保水平明顯改善。新集氣管壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用解決了行業(yè)內(nèi)集氣管壓力波動(dòng)大的技術(shù)難題，是焦?fàn)t智能控制的一次技術(shù)進(jìn)步，對(duì)同類焦?fàn)t具有借鑒意義。