串級控制在200 kg試驗焦爐上的研究與應用

佟 欣 李伯群 姜 輝

(1.營口理工學院，2.遼寧科技大學，3.中唯煉焦技術(shù)國家工程研究中心有限責任公司)

200 kg試驗焦爐爐溫控制系統(tǒng)主要由溫度控制器、測溫系統(tǒng)、煤氣流量調(diào)節(jié)閥組成。溫度控制器實時采集焦爐爐膛溫度，根據(jù)設(shè)定溫度值與實際溫度值的偏差作為溫度控制器的輸入值，該輸入值經(jīng)溫度控制器計算出煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度值，控制進入燃燒系統(tǒng)的煤氣流量，達到調(diào)節(jié)爐溫的目的。

在上述焦爐爐溫控制系統(tǒng)中，溫度控制器起主導作用，通過調(diào)節(jié)煤氣流量實現(xiàn)爐溫的調(diào)節(jié)功能，但沒有考慮到煤氣流量、爐溫等因素的變化對系統(tǒng)的溫控效果的影響。例如，當煤氣流量波動較大時，控制系統(tǒng)對煤氣流量變化沒有做相關(guān)的自適應控制，影響爐溫控制效果。因此，在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的控制特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，提出采用溫度與煤氣流量兩個PID控制系統(tǒng)串聯(lián)來實現(xiàn)試驗焦爐溫度的自動調(diào)節(jié)控制[1]。

1 串級控制系統(tǒng)

串級控制系統(tǒng)是把兩個控制回路串接在一起，整體構(gòu)成一個控制回路。前一個回路稱為主回路，其計算輸出值作為后一個回路即副回路控制器的輸入值，副回路控制器的計算輸出值送往調(diào)節(jié)裝置[2]，串級控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 串級控制系統(tǒng)原理

與單回路控制系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上串級控制系統(tǒng)是由兩個閉環(huán)控制組成，稱為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。在主副回路所構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)中，副回路控制可以減少外界條件變化給控制系統(tǒng)帶來的擾動，副回路在系統(tǒng)中起“粗調(diào)”的作用，具有調(diào)節(jié)靈敏，滯后性小的特點；主回路在整個系統(tǒng)中起“細調(diào)”的作用，具有滯后性較大的特點。兩回路控制作用相互影響，優(yōu)化系統(tǒng)的控制效果。

2 爐溫與煤氣流量串級控制系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)作業(yè)中，試驗焦爐在煉焦過程中常遇到煤氣流量與爐膛溫度波動造成試驗焦爐爐溫控制不穩(wěn)定的情況。如何使焦爐溫度快速恢復穩(wěn)定，是文章研究的技術(shù)難點。根據(jù)串級系統(tǒng)的控制特點，選用爐溫與煤氣流量兩個控制量進行串級PID控制，來實現(xiàn)在控制量在干擾作用下的試驗焦爐爐溫的自適應調(diào)節(jié)。即：將煤氣流量控制放在副回路控制系統(tǒng)中，利用負反饋調(diào)節(jié)特性來調(diào)整外界干擾對煤氣流量的影響；將爐溫控制放在主回路控制系統(tǒng)中。爐溫與煤氣流量串級控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 爐溫與煤氣流量串級控制

串級控制的主回路為焦爐爐溫控制器，副回路為煤氣流量控制器。主回路具有負反饋的溫度控制，其溫度的實際測量值與設(shè)定值之差，作為爐溫控制器的輸入值。爐溫控制器由輸入值計算后得到的輸出值，作為副回路煤氣流量控制器的輸入設(shè)定值。用煤氣流量的設(shè)定值與實際值之差作為煤氣流量控制器的輸入值。煤氣流量控制器根據(jù)輸入值計算出相應煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度設(shè)定值，使煤氣流量自適應發(fā)生改變，控制試驗焦爐燒嘴實際負荷，最終達到控制焦爐爐膛溫度的目的。

在外界控制條件平穩(wěn)的情況下，爐溫控制器與煤氣流量控制器所構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當爐溫驟變或煤氣流量發(fā)生波動時，主副回路控制系統(tǒng)做自適應控制工作，最終控制系統(tǒng)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 串級控制擾動分析

在煤氣流量變化、爐膛溫度變化和煤氣流量與爐膛溫度同時變化時，分析焦爐控制中串級控制器的工作情況。

(1)煤氣流量變化

煤氣流量變化初期，由于溫度測量值滯后，即溫度測量值未變化，主回路溫度控制器輸出穩(wěn)定，副回路煤氣控制器的設(shè)定值不變。但煤氣流量實際值發(fā)生變化，副回路煤氣流量控制器開始調(diào)節(jié)，直至煤氣實際流量值接近設(shè)定值。

當煤氣流量波動較小時，副回路煤氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)調(diào)整煤氣流量到平穩(wěn)狀態(tài)，不會影響爐膛溫度變化。當煤氣流量波動較大，延續(xù)時間較長，會影響爐膛溫度，觸發(fā)主回路溫度控制器對爐膛溫度的調(diào)節(jié)，即主回路與副回路同時進行調(diào)節(jié)，直到焦爐爐膛溫度穩(wěn)定到設(shè)定溫度為止，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)爐膛溫度變化

焦爐出焦時，爐膛溫度發(fā)生劇降，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)被破壞，主回路爐溫控制器進入調(diào)節(jié)狀態(tài)，副回路煤氣流量控制器的設(shè)定值增大，煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度增大，流量增加，爐膛溫度上升，直到爐膛溫度重新穩(wěn)定到設(shè)定溫度為止，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)爐膛溫度和煤氣流量同時發(fā)生改變

對爐膛溫度和煤氣流量同時升高或降低的情況進行分析。以兩者同時降低情況為例。在控制穩(wěn)定的情況下，當串級控制主回路檢測到爐溫突降，在負反饋的作用下主回路爐溫控制器輸出值增大，導致副回路煤氣流量控制器的設(shè)定值增大，但此時煤氣實際流量減小，副回路煤氣流量控制器的輸出值會增加，煤氣流量會增大，爐溫快速上升，直到爐溫達到溫度設(shè)定值，系統(tǒng)逐步恢復穩(wěn)定狀態(tài)。

對爐膛溫度和煤氣流量升降趨勢相反的情況進行分析。以爐膛溫度降低、煤氣流量增大為例。當爐溫降低時，在負反饋的作用下主回路爐溫控制器的輸出量增大，導致副回路煤氣流量的設(shè)定值增大，但此時煤氣實際流量增加，副回路煤氣流量控制器的偏差值是正偏差，則副回路煤氣流量控制器則會減小煤氣調(diào)節(jié)閥開度，降低煤氣流量，使爐溫恢復到溫度設(shè)定值，系統(tǒng)逐步恢復穩(wěn)定狀態(tài)。

4 串級控制在試驗焦爐的應用

以山西某焦炭生產(chǎn)廠質(zhì)檢車間200 kg試驗焦爐為例，該試驗焦爐爐體由加熱室和炭化室構(gòu)成，加熱室兩側(cè)設(shè)立火道，具體結(jié)構(gòu)見圖3。煉焦煤樣裝入單孔炭化室，加熱方式為兩側(cè)煤氣燃燒加熱，在真空條件下，煉焦煤樣經(jīng)高溫干餾最終形成焦炭。備煤、煉焦和焦炭強度檢驗等相關(guān)操作完全模擬工業(yè)焦爐的實際運行情況，最后通過計算對試驗煉焦煤樣作出結(jié)焦性評價[4]。

圖3 試驗焦爐爐體結(jié)構(gòu)

4.1 試驗焦爐工藝流程

第一步，焦爐預熱工作，使焦爐耐火磚達到升溫條件，通常預熱溫度在100 ℃左右，預熱時間1 h，期間同步進行原料煤的制備工作。第二步，根據(jù)試驗煉焦流程生產(chǎn)要求，進行裝煤、煉焦、出焦、熄焦、相關(guān)焦炭機械強度檢測等操作。第三步，檢測結(jié)束后進行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和報表填寫。流程見圖4。

圖4 試驗焦爐生產(chǎn)流程

4.2 試驗焦爐加熱控制系統(tǒng)

試驗焦爐燃燒控制系統(tǒng)由燒嘴、煤氣與空氣流量調(diào)節(jié)閥組及爐溫控制系統(tǒng)組成?；鸬纼蓜t各安裝一個燒嘴?；鸬罓t墻、焦爐中心均設(shè)置測溫點。火道爐墻測溫點安裝在煤氣燒嘴處，焦餅中心測溫熱電偶為K型，爐墻測溫熱電偶為S型，上升管、煤氣管道及其他廢氣管道測溫熱電偶為K型?？刂葡到y(tǒng)采用西門子S7-200 Smart PLC，性價比高，控制效果好，可以非常方便地書寫自定義的PID算法[5]。

4.3 控制效果

對200 kg試驗焦爐分別采用傳統(tǒng)單回路PID控制和串級PID溫度控制，PID控制相關(guān)參數(shù)一致。試驗焦爐在控制目標溫度較低時，常規(guī)的控制器控制溫度魯棒性不好，控制溫度不理想，所以文中選擇控制目標溫度為300 ℃。當煤氣流量發(fā)生波動時，兩PID控制的爐溫控制效果如圖5、6所示。

圖5 單回路PID溫度控制曲線

由圖5可以看出，在煤氣流量發(fā)生波動時，單回路PID溫度控制的控制效果：最大超調(diào)量50%，峰值時間5 min，調(diào)節(jié)時間18 min，溫度控制超調(diào)嚴重，控制效果不理想，對試驗煤樣最終機械強度參數(shù)影響較大。由圖6可以看出，在煤氣流量發(fā)生波動時，采取串級PID溫度控制的控制效果：最大超調(diào)量25%，峰值時間7 min，調(diào)節(jié)時間13 min，基本上一個調(diào)節(jié)周期后系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。串級PID溫度控制在最大超調(diào)量、控制溫度調(diào)節(jié)時間方面都優(yōu)于單回路PID控制，說明串級PID溫度控制控制效果好于單回路PID溫度控制。

圖6 串級PID溫度控制曲線