隨sui著zhe計ji算suan機ji技ji術shu的de普pu及ji以yi及ji國guo內nei煉lian焦jiao行xing業ye對dui生sheng產chan技ji術shu要yao求qiu以yi及ji焦jiao炭tan質zhi量liang的de不bu斷duan提ti高gao
，應ying用yong複fu雜za控kong製zhi係xi統tong甚shen至zhi於yu先xian進jin控kong製zhi算suan法fa對dui焦jiao爐lu溫wen度du進jin行xing控kong製zhi已yi經jing成cheng為wei提ti高gao焦jiao化hua企qi業ye生sheng產chan技ji術shu水shui平ping，增zeng加jia經jing濟ji和he社she會hui效xiao益yi的de有you效xiao手shou段duan之zhi一yi。

焦爐的加熱過程是單個燃燒室間歇、全爐連續
、受多種因素幹擾的熱工過程，是一個典型的大慣性
、非線性、時變快且受到多種擾動因素影響的複雜係統
，其加熱控製難度較其它工業窯爐要大得多【3】。傳統意義上PLC或DCS係統通常應用的單回路PID控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)已(yi)不(bu)能(neng)完(wan)全(quan)適(shi)應(ying)目(mu)前(qian)生(sheng)產(chan)上(shang)對(dui)溫(wen)度(du)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)的(de)需(xu)要(yao)。因(yin)此(ci)，應(ying)用(yong)較(jiao)為(wei)先(xian)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)和(he)手(shou)段(duan)對(dui)焦(jiao)爐(lu)溫(wen)度(du)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)已(yi)成(cheng)為(wei)各(ge)個(ge)焦(jiao)化(hua)廠(chang)進(jin)行(xing)技(ji)術(shu)改(gai)造(zao)的(de)必(bi)然(ran)趨(qu)勢(shi)。經(jing)過(guo)工(gong)程(cheng)實(shi)踐(jian)檢(jian)驗(yan)，本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)DCS係統內的

、應用西門子PCS係統自帶的控製器構成的以反饋為主輔之以前饋來對焦爐火道溫度進行控製的方案。

 

 圖1 焦爐機側實物圖

 

焦(jiao)爐(lu)火(huo)道(dao)溫(wen)度(du)係(xi)在(zai)下(xia)降(jiang)氣(qi)流(liu)底(di)部(bu)火(huo)嘴(zui)和(he)鼻(bi)梁(liang)磚(zhuan)間(jian)的(de)大(da)磚(zhuan)溫(wen)度(du)，鑒(jian)於(yu)目(mu)前(qian)溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)儀(yi)器(qi)上(shang)的(de)原(yuan)因(yin)以(yi)及(ji)火(huo)道(dao)溫(wen)度(du)點(dian)的(de)特(te)殊(shu)位(wei)置(zhi)，實(shi)際(ji)的(de)焦(jiao)爐(lu)火(huo)道(dao)溫(wen)度(du)一(yi)般(ban)難(nan)以(yi)準(zhun)確(que)測(ce)量(liang)。目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)焦(jiao)化(hua)廠(chang)均(jun)采(cai)用(yong)火(huo)道(dao)直(zhi)行(xing)溫(wen)度(du)來(lai)反(fan)映(ying)焦(jiao)爐(lu)溫(wen)度(du)。焦(jiao)爐(lu)全(quan)爐(lu)溫(wen)度(du)用(yong)機(ji)
、焦側側溫火道平均溫度來代表，全爐總供熱的調節（以加減煤氣和空氣的方式進行調節）應當使機
、焦jiao側ce測ce溫wen火huo道dao平ping均jun溫wen度du符fu合he工gong藝yi所suo規gui定ding的de標biao準zhun溫wen度du，並bing保bao持chi穩wen定ding。作zuo為wei衡heng量liang全quan爐lu溫wen度du的de穩wen定ding性xing重zhong要yao指zhi標biao，反fan映ying焦jiao爐lu穩wen定ding穩wen定ding性xing的de指zhi標biao一yi般ban用yong直zhi行xing溫wen度du的de安an定ding係xi數shuKc來衡量，Kc能否接近1並保持穩定
，對焦炭質量的提高

、降低耗熱量以及延長焦爐爐齡至關重要【4】。

 

傳統PLC或DCS控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)是(shi)當(dang)班(ban)煉(lian)焦(jiao)測(ce)溫(wen)工(gong)每(mei)隔(ge)四(si)小(xiao)時(shi)在(zai)交(jiao)換(huan)前(qian)後(hou)從(cong)焦(jiao)爐(lu)爐(lu)頂(ding)測(ce)量(liang)直(zhi)行(xing)溫(wen)度(du)並(bing)計(ji)算(suan)出(chu)平(ping)均(jun)溫(wen)度(du)後(hou)
，根(gen)據(ju)計(ji)算(suan)出(chu)來(lai)的(de)平(ping)均(jun)溫(wen)度(du)與(yu)標(biao)準(zhun)溫(wen)度(du)比(bi)較(jiao)產(chan)生(sheng)偏(pian)差(cha)進(jin)行(xing)煤(mei)氣(qi)流(liu)量(liang)的(de)增(zeng)減(jian)以(yi)達(da)到(dao)控(kong)製(zhi)溫(wen)度(du)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)在(zai)標(biao)準(zhun)溫(wen)度(du)允(yun)許(xu)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)偏(pian)差(cha)內(nei)。這(zhe)種(zhong)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)對(dui)溫(wen)度(du)和(he)吸(xi)力(li)的(de)控(kong)製(zhi)存(cun)在(zai)著(zhe)比(bi)較(jiao)大(da)的(de)滯(zhi)後(hou)性(xing)
，而(er)且(qie)由(you)於(yu)是(shi)人(ren)工(gong)加(jia)減(jian)煤(mei)氣(qi)流(liu)量(liang)（或者壓力）
，加(jia)之(zhi)煤(mei)氣(qi)熱(re)值(zhi)隨(sui)著(zhe)供(gong)氣(qi)設(she)備(bei)的(de)情(qing)況(kuang)存(cun)在(zai)著(zhe)不(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)主(zhu)觀(guan)上(shang)的(de)偏(pian)差(cha)，實(shi)際(ji)操(cao)作(zuo)時(shi)經(jing)常(chang)會(hui)造(zao)成(cheng)溫(wen)度(du)大(da)幅(fu)度(du)波(bo)動(dong)影(ying)響(xiang)焦(jiao)爐(lu)溫(wen)度(du)參(can)數(shu)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)焦(jiao)炭(tan)質(zhi)量(liang)和(he)整(zheng)個(ge)焦(jiao)爐(lu)工(gong)況(kuang)變(bian)化(hua)。因(yin)此(ci)，我(wo)們(men)在(zai)以(yi)往(wang)簡(jian)單(dan)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)采(cai)用(yong)了(le)複(fu)雜(za)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)串(chuan)級(ji)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)爐(lu)溫(wen)的(de)調(tiao)節(jie)。串(chuan)級(ji)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)中(zhong)分(fen)別(bie)以(yi)火(huo)道(dao)溫(wen)度(du)和(he)煤(mei)氣(qi)流(liu)量(liang)（或者煤氣管道上的壓力）為主、副回路的被控參數。采用這種控製方式就可以在測溫工將直行火道溫度測量並計算出平均值後轉換為對應的流量值（或者壓力值）輸入進PID控製器上的設定值內，由控製器根據現場情況整定好的比例、積分或微分方式進行較為準確的調節，從而避免人為加減煤氣流量而導致溫度大起大落的現象。由於焦爐火道溫度經常會隨一係列因素（比如裝煤量和裝煤水分、加熱煤氣熱值
、空氣過剩係數、檢修時間等等）的de變bian化hua而er波bo動dong
，因yin此ci，在zai串chuan級ji控kong製zhi基ji礎chu上shang，如ru果guo現xian場chang具ju備bei煤mei氣qi熱re值zhi儀yi和he煤mei水shui分fen在zai線xian檢jian查zha儀yi表biao裝zhuang置zhi情qing況kuang，還hai可ke以yi將jiang煤mei氣qi熱re值zhi和he煤mei水shui分fen參can數shu引yin入ru控kong製zhi係xi統tong中zhong作zuo為wei係xi統tong的de前qian饋kui參can數shu進jin行xing控kong製zhi，效xiao果guo會hui更geng好hao。控kong製zhi原yuan理li圖tu見jian圖tu2所示。

 

圖2 控製原理圖

 

SIMATIC PCS7是西門子公司在TELEPERM係列集散係統和 S5、S7係列可編程控製器的基礎上，結合先進的電子製造技術、網絡通訊技術、圖形及圖像處理技術、冗餘技術
、現場總線技術、計算機技術以及先進自動化控製技術開發的麵向工業工藝過程控製應用場合的新一代過程控製係統【1】。作為一個真正意義上的DCS係統，PCS7係(xi)統(tong)在(zai)連(lian)續(xu)過(guo)程(cheng)變(bian)量(liang)的(de)處(chu)理(li)和(he)實(shi)現(xian)上(shang)體(ti)現(xian)出(chu)了(le)其(qi)強(qiang)大(da)的(de)功(gong)能(neng)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)處(chu)理(li)連(lian)續(xu)過(guo)程(cheng)變(bian)量(liang)控(kong)製(zhi)以(yi)及(ji)進(jin)行(xing)複(fu)雜(za)控(kong)製(zhi)方(fang)麵(mian)表(biao)現(xian)出(chu)了(le)較(jiao)大(da)的(de)優(you)勢(shi)。

根據焦爐生產中直行火道溫度與流量（或者壓力）之間的關係
，焦爐火道溫度控製係統也就完全可以用PCS7係統中集成的PID控kong製zhi器qi來lai實shi現xian其qi控kong製zhi要yao求qiu。從cong係xi統tong原yuan理li分fen析xi中zhong可ke以yi知zhi道dao，爐lu溫wen控kong製zhi原yuan理li從cong結jie構gou上shang看kan其qi實shi就jiu是shi一yi個ge串chuan級ji調tiao節jie係xi統tong
，而er串chuan級ji係xi統tong其qi實shi就jiu是shi一yi個ge雙shuang回hui路lu閉bi環huan係xi統tong
，實shi質zhi上shang是shi把ba兩liang個gePID調(tiao)節(jie)器(qi)串(chuan)接(jie)起(qi)來(lai)，通(tong)過(guo)它(ta)們(men)的(de)協(xie)調(tiao)工(gong)作(zuo)，使(shi)一(yi)個(ge)被(bei)控(kong)量(liang)準(zhun)確(que)地(di)保(bao)持(chi)為(wei)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)要(yao)求(qiu)的(de)給(gei)定(ding)值(zhi)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)串(chuan)級(ji)係(xi)統(tong)副(fu)環(huan)的(de)對(dui)象(xiang)慣(guan)性(xing)小(xiao)
，工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)高(gao)，而(er)主(zhu)環(huan)慣(guan)性(xing)大(da)，工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)也(ye)低(di)。基(ji)於(yu)此(ci)，為(wei)了(le)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)合(he)品(pin)質(zhi)，主(zhu)副(fu)環(huan)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)應(ying)錯(cuo)開(kai)在(zai)相(xiang)差(cha)三(san)倍(bei)以(yi)上(shang)，以(yi)免(mian)頻(pin)率(lv)相(xiang)近(jin)時(shi)發(fa)生(sheng)共(gong)振(zhen)現(xian)象(xiang)而(er)破(po)壞(huai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。串(chuan)級(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)看(kan)作(zuo)一(yi)個(ge)閉(bi)合(he)的(de)副(fu)回(hui)路(lu)代(dai)替(ti)了(le)原(yuan)來(lai)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)對(dui)象(xiang)，可(ke)以(yi)起(qi)到(dao)改(gai)善(shan)對(dui)象(xiang)特(te)征(zheng)的(de)作(zuo)用(yong)。除(chu)了(le)克(ke)服(fu)落(luo)在(zai)副(fu)環(huan)內(nei)的(de)擾(rao)動(dong)外(wai)
，還(hai)提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)，加(jia)快(kuai)過(guo)渡(du)過(guo)程(cheng)
，避(bi)免(mian)擾(rao)動(dong)的(de)產(chan)生(sheng)。

PCS7環境下的串級控製回路由兩個PID（FB61）控製器構成如圖4所示，其中主回路控製器接收焦爐直行火道溫度（由you於yu在zai技ji術shu上shang火huo道dao溫wen度du難nan以yi在zai線xian檢jian測ce，根gen據ju焦jiao爐lu蓄xu熱re室shi頂ding部bu溫wen度du與yu火huo道dao溫wen度du存cun在zai著zhe一yi定ding的de數shu學xue關guan係xi，所suo以yi可ke以yi用yong蓄xu熱re室shi頂ding部bu溫wen度du通tong過guo擬ni合he後hou得de到dao的de模mo擬ni火huo道dao溫wen度du進jin行xing替ti代dai，這zhe樣yang就jiu使shi難nan以yi在zai線xian測ce量liang的de火huo道dao溫wen度du模mo擬ni為wei連lian續xu變bian化hua的de過guo程cheng參can數shu參can與yu到dao串chuan級ji控kong製zhi係xi統tong中zhong）
，其輸出值送入副回路的外部給定設置點作為副回路的給定值
；副回路接受加熱煤氣流量（或者壓力）hezhuhuiludewaibushedingzhi，qishuchuzhisongruchuanjikongzhiqidezhixingjigou
，tongguotiaojiemeiqiguandaoshangkongbandekaidulaidadaotiaojiehuodaowendudemude。zhufutiaojiekongzhiqilianjiejiantu4。

 

圖4  CFC串級連接圖

 

在編程過程中主
、副控製器具體管腳連接關係說明如下：

（1）      主回路的PID的輸入過程信號端PV_IN接收直行火道溫度的變送器信號；

（2）      主回路的PID的輸入過程跟蹤端LMN_TRK接收副回路PID的輸出給定信號SP端信號；

（3）      主回路的PID的輸出操縱量LMN送入副回路PID的輸入外部設定點SP_EXT；

（4）      副回路的PID的輸入過程信號端PV_IN接收來自開方後的標準狀態下的流量信號；

（5）      副回路的PID的輸出操縱量LMN送入到串級回路的執行機構以控製閥門的開度達到調節目的；

（6）      副回路的PID輸出端的串級回路切除開關QCAS_CUT送入主回路PID輸入端的外部跟蹤設定開關LMN_SEL；

（7）      副回路PID控製器中的DISV管guan腳jiao接jie受shou煤mei氣qi熱re值zhi和he煤mei水shui分fen在zai線xian參can數shu進jin行xing前qian饋kui調tiao節jie，為wei了le更geng好hao的de整zheng定ding前qian饋kui係xi數shu，最zui好hao將jiang煤mei氣qi熱re值zhi和he煤mei水shui分fen參can數shu在zai進jin入ru前qian饋kui前qian進jin行xing線xian性xing轉zhuan換huan，也ye就jiu是shi將jiang有you量liang綱gang的de參can數shu轉zhuan換huan為wei無wu量liang綱gang的de百bai分fen數shu後hou再zai進jin入ruDISV管腳。

經過編譯上傳到上位機後的PID控製器操作標準麵板如圖5所示：

 

 

先xian確que定ding主zhu調tiao節jie器qi的de控kong製zhi目mu標biao設she定ding值zhi
，然ran後hou手shou動dong調tiao節jie副fu控kong製zhi器qi的de手shou動dong值zhi，使shi閥fa門men開kai度du在zai適shi當dang的de位wei置zhi
，將jiang副fu調tiao節jie器qi投tou入ru自zi動dong下xia，根gen據ju現xian場chang情qing況kuang整zheng定dingPID參數，使副調節器達到一個相對穩定的狀態，將副調節器切換到外部給定下
，最後將主調節器切換到自動控製並根據現場情況整定PID參數。如果有前饋控製的話，則還需要將前饋係數整定對話框設置在上位機畫麵上
，以方便操作人員根據現場情況進行係數整定。

 

應用西門子PCS7的CFC連lian續xu功gong能neng圖tu實shi現xian焦jiao爐lu火huo道dao溫wen度du的de複fu雜za調tiao節jie
，達da到dao了le對dui焦jiao爐lu火huo道dao溫wen度du的de比bi較jiao精jing確que的de控kong製zhi，保bao證zheng了le焦jiao爐lu生sheng產chan的de需xu要yao，下xia表biao就jiu是shi實shi施shi複fu雜za控kong製zhi係xi統tong前qian後hou某mou廠chang2＃焦爐直行溫度的安定係數Kc的對比表
，從表中我們可以發現，應用西門子PCS7係統內的控製器構成的複雜控製係統實施後，Kc係數提高了30％左(zuo)右(you)。同(tong)時(shi)
，實(shi)施(shi)複(fu)雜(za)控(kong)製(zhi)後(hou)也(ye)大(da)大(da)減(jian)少(shao)了(le)由(you)於(yu)焦(jiao)爐(lu)溫(wen)度(du)波(bo)動(dong)大(da)和(he)頻(pin)繁(fan)造(zao)成(cheng)的(de)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)，而(er)且(qie)由(you)於(yu)爐(lu)溫(wen)實(shi)現(xian)了(le)較(jiao)為(wei)準(zhun)確(que)的(de)調(tiao)節(jie)調(tiao)節(jie)
，相(xiang)比(bi)於(yu)單(dan)回(hui)路(lu)調(tiao)節(jie)下(xia)使(shi)焦(jiao)爐(lu)在(zai)接(jie)近(jin)極(ji)限(xian)溫(wen)度(du)下(xia)操(cao)作(zuo)，大(da)大(da)縮(suo)短(duan)了(le)結(jie)焦(jiao)時(shi)間(jian)、提高了焦爐生產能力，從而有效的降低了焦爐耗熱量。

某廠2＃焦爐直行溫度安定係數Kc
單PID調節		複雜控製調節
時間	安定係數	時間	安定係數
2005年9月2日	0.75	2005年9月22日	0.92
2005年9月3日	0.67	2005年9月23日	0.83
2005年9月4日	0.67	2005年9月24日	0.83
2005年9月5日	0.50	2005年9月25日	0.83
2005年9月6日	0.50	2005年9月26日	0.92
2005年9月7日	0.67	2005年9月27日	0.92
2005年9月8日	0.50	2005年9月28日	0.83
2005年9月9日	0.83	2005年9月29日	0.83
2005年9月10日	0.67	2005年9月30日	0.75
2005年9月11日	0.75	2005年10月1日	0.80
2005年9月12日	0.67	2005年10月2日	0.92
2005年9月13日	0.50	2005年10月3日	0.92
2005年9月14日	0.75	2005年10月4日	0.83
2005年9月15日	0.62	2005年10月5日	0.92
2005年9月16日	0.58	2005年10月6日	0.83
2005年9月17日	0.75	2005年10月7日	0.50
2005年9月18日	0.67	2005年10月8日	0.92
2005年9月19日	0.67	2005年10月9日	1.00
2005年9月20日	0.92	2005年10月10日	1.00
平均係數	0.67	平均係數	0.86

 

經jing過guo工gong程cheng實shi踐jian，以yi上shang編bian程cheng方fang法fa對dui焦jiao爐lu火huo道dao溫wen度du的de控kong製zhi起qi到dao了le比bi較jiao良liang好hao的de自zi動dong調tiao節jie作zuo用yong
，與yu單dan回hui路lu係xi統tong相xiang比bi
，它ta克ke服fu了le落luo在zai副fu環huan內nei的de擾rao動dong
，達da到dao了le比bi較jiao滿man意yi的de調tiao節jie效xiao果guo

，符fu合he工gong程cheng上shang衡heng量liang自zi動dong控kong製zhi係xi統tong穩wen定ding性xing（穩）
、穩態精度（準）、動態過程（好）的要求【2】。buguo，youyuxureshidingbuwenduyuhuodaowendudeguanxibujinjinshiyigejingtaidejiandanshuxueguanxi，daozhimonihuodaowenduyoushinanyizhengquefanyingjiaolushijiwenduqingkuang，lingwaijiushimeiqirezhiyiyijimeishuifenzaixianjianzhayiqimuqianguoneishichangshangcunzaizhejiagegao
、壽(shou)命(ming)短(duan)以(yi)及(ji)維(wei)護(hu)困(kun)難(nan)等(deng)因(yin)素(su)，導(dao)致(zhi)熱(re)值(zhi)和(he)煤(mei)水(shui)分(fen)測(ce)量(liang)難(nan)以(yi)滿(man)足(zu)前(qian)饋(kui)控(kong)製(zhi)需(xu)求(qiu)。因(yin)此(ci)，采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)進(jin)行(xing)焦(jiao)爐(lu)溫(wen)度(du)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)更(geng)能(neng)準(zhun)確(que)的(de)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)
，目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)已(yi)經(jing)出(chu)現(xian)了(le)包(bao)括(kuo)由(you)北(bei)京(jing)三(san)博(bo)中(zhong)自(zi)科(ke)技(ji)有(you)限(xian)公(gong)司(si)開(kai)發(fa)的(de)焦(jiao)爐(lu)自(zi)適(shi)應(ying)智(zhi)能(neng)加(jia)熱(re)係(xi)統(tong)（Coke Intelligent Adaptive Heating System）在內的基於自適應火道模型，智能容錯控製器以及基於精確模型的煙道吸力調節等先進控製算法的焦爐加熱獨立軟件【5】
，這也為日後焦爐溫度全自動控製提供了更為準確、穩定的解決方案。

 

 

參考文獻：

[1]  楊憲惠主編    《現場總線技術及其應用》 北京 清華大學出版社   1999 年版

[2]  謝克明 主編   《自動控製原理》  北京 電子工業出版社  2004年版

[3]  嚴文福 鄭明東 編著 《焦爐加熱調節與節能》  安徽 合肥工業大學出版社 2005年版

[4] 於振東，蔡承佑等 編著《焦爐生產技術》
，沈陽  遼寧科學技術出版社 2003年版

[5] 王學雷等  “焦爐智能自適應加熱係統在我廠的實施和應用” 燃料與化工 2005年第5期  P1~P4