焦炉压力控制的研究.docx

焦炉压力控制的研究摘要在炼焦生产过程中，焦炉集气管压力是炼焦生产中的重要参数，它的稳定性直接影响着焦炉的使用寿命和焦碳的生产。因此，如何控制集气管压力在给定值范围内是焦化生产中的重要问题，也是解决焦炉对环境产生污染的有效方法之一。随着科学的发展和进步，焦化行业向大规模发展，更多地采用多座焦炉并联的系统。由于管线相通，存在很强的耦合干扰，给集气管压力控制带来很多难题。本文在分析了双焦炉共用一套鼓风冷却系统的生产工艺特点后，提出了基于模糊传感器技术和双闭环2层反馈控制方案。内环采用PID算法，PID控制器根据实测压力值和给定值的偏差，控制各自的执行机构，完成第一层反馈控制。外环采用模糊控制技术，集气管压力状态模糊传感器在测量背景知识下，给出当前两个集气管压力状态的语言描述。模糊控制器根据该语言值动态修改总管给定值，通过总管吸力的调节，完成第2层反馈控制，实现集气管和总管的双闭环控制。本文在焦炉集气管压力控制上的主要研究成果如下:基于内环和外环反馈设计了集气管压力控制系统，内环采用优化PID控制，外环采用模糊控制技术；采用模糊传感器技术，实现总管给定值的动态修改，解决了焦炉产气不足时和过足时的控制难题；根据蝶阀开度动态变化的特点，采用调节总管吸力为监督级控制，降低了2个集气管的耦合干扰。关键词：集气管压力 模糊控制传感器 多变量解耦 PLCStudy of Gas Collector Control SystemABSTARCTIn coking process ,the stable pressure of gas collector is an important industrial parameter. Its stability directly influences the life of coke ovens and coke production.Therefore,how to contol the pressure of gas collector within a scope is very important in the coking process ,and is also valid to solve the environment problem 。Along with the science and techonlogy development,many coke ovens in parallel system are adoped gradually because of coke industry developing on a large scale,and the contol of gas pressure have a lot of difficulties as the gas pipes are conneceted together.This text analyse the technology feature of a air-blast system which links to two coke ovens ,and put forward a control scheme based on the technology of fuzzy sensor and the two-storey feedback with two closed loop.The inside circle use the PID algorithm ,the PID controllers accomplish the first feedback ，controlling the action mechanism according to the deviate between the true pressure and the given pressure. The outside use the fuzzy-control technology. The state fuzzy sensor of gas collector give a description of the state of the gas collector,according to the knowledge of measure background.Fuzzy controllers modify the given value of the head pipe according to the language value,and the suction of the head pipe is modified ,which accomplishes the second feedback,and accomplishes the control with two closed loop between the gas collector and the head pipe. The achievements in scientific research of this text on the control system of the gas collector:The control system of the gas collector based on the design of the feedback in the inside circle and the outside circle is accomplished.The fuzzy sensor technology is used to accomplish the the dynamic modification,and solve the contol problem which appears when the gas is not enough and when the gas is surplus.The plan of modifying the suction of the head pipe is used, according to the characteristics of the dynamic modification of the flygate aperture,and reduce the disturb between the two gas collector.Keywords:gas collector pressure fuzzy control sensor multivariable decoupling PLC目录第一章 绪论41.1 课题背景41.1.1 焦化工艺流程简介51.1.2 集气管压力控制存在的问题61.1.3 荒煤气对环境产生的污染及防护61.2 工业控制理论综述71.2.1 经典控制理论71.2.2 现代控制理论81.2.3 智能控制理论81.3 集气管压力控制方面的国内外现状101.4 本项目研究的工作重点121.5 本章小节12第二章 集气管压力控制系统的总体设计132.1引言132.2集气管压力控制原理142.2.1集气管压力与鼓风机吸力的关系142.2.2集气管压力控制策略的研究152.2.3集气管压力控制系统的逻辑结构172.3 PLC的结构和工作原理172.3.1 PLC的基本结构172.3.2 PLC的工作原理192.3.3 PLC的编程语言202.4 PLC控制系统的组成212.5 PLC控制系统的设计原则212.6 PLC控制系统的设计步骤212.7 PLC控制系统硬件设计232.7.1 PLC机型选择232.7.2 I/O模块及点数的选择232.7.3 存储容量的选择242.5.4 特殊功能模块的选择242.5.5 集气管压力控制系统的硬件配置242.6 PLC控制系统软件设计252.6.1 PLC程序设计步骤252.6.2 PLC程序设计方法262.6.3 上位机程序设计282.7 本章小节31第三章 集气管压力状态模糊传感器的研究323.1引言323.2模糊理论综述323.2.1模糊集合的定义和表达形式333.2.2模糊逻辑与推理343.3集气管压力状态模糊传感器的研究与设计363.3.1模糊传感器的基本结构和功能363.3.2模糊传感器概念生成的基本原理383.3.3 集气管压力状态模糊传感器的语言描述方法393.3.4 集气管压力状态的测量和语言输出403.3.5集气管压力状态对环境的适应性413.4 模糊传感器在焦炉集气管压力控制上的实现453.5 本章小节46第四章 系统的内、外环控制系统的研究与设计474.1内环控制系统的研究与设计474.1.1 PID算法的简单原理484.1.2 内环数字PID算法的设计与实现484.1.3 积分饱和问题的解决方法494.1.4参数整定504.2 外环控制系统的研究与设计504.2.1模糊控制的基本原理514.2.2 外环监督控制策略的研究524.3 本章小节63第五章 总结与展望645.1 全文总结645.2 主要研究成果和创新性645.3 主要不足与今后研究工作展望65致谢66参考文献67第一章 绪论1.1 课题背景中国是全世界最大的焦炭生产国，每年估计有3亿吨左右的优质煤用于生产焦炭。煤在炼焦时约75%变成焦炭供冶金使用，另外25%生成各种其它化学产品和煤气。因此，炼焦化工对我国煤炭资源的综合利用有着极其重要的作用。炼焦工业生产中的关键环节是提高焦炭质量和产量、延长焦炉的使用寿命、维持焦炉的正常生产。集气管压力的稳定是焦炉正常生产的前提，集气管压力的稳定直接影响到焦炭和煤气的质量、焦炉的使用寿命和生产环境。集气管压力过低，焦炉吸入空气导致焦炭燃烧，影响炉体使用寿命，降低煤气质量。集气管压力过高，导致焦炉冒烟，既污染环境又浪费大量能源。因此，集气管压力的稳定对焦炉生产有着十分重要的意义。虽然我国炼焦装备和工艺水平有一定的提高，环境保护设施也有一定的改善。但从整体上看，所采用的工艺方法和设备控制手段与国际先进水平相比仍比较落后。其产品质量及能源消耗和发达国家相比都存在很大差距，尤其是对环境的污染已经引起国家有关部门的高度重视。1.1.1 焦化工艺流程简介焦炭的生产过程称为炼焦，将配好的原料煤在焦炉内进行高温干馏。所谓干馏是:在密闭的焦炉内，将煤隔绝空气高温加热放出水分和吸附气体，分解产生煤气和焦油，剩下的是焦炭。这种煤热解过程通常称为煤的干馏。煤成焦后，由推焦机推出 。一般焦化厂普遍采用一套鼓风冷却系统带两座焦炉的工作方式，见图1-1所示：在炼焦生产过程中，焦炉产生的荒煤气，首先进入集气管。650-750左右的荒煤气在初冷处经循环氨水的喷洒，冷却到90左右，再由总管风机吸入净化处理系统，可得到各种化学产品及煤气。焦化生产过程中，主要包括燃烧控制操作和推焦/加煤操作:一、燃烧控制操作:按照生产计划和来自配煤车间的煤成份分析数据决定煤的结焦时间，以保证生产的焦炭质量。二、推焦/加煤操作:根据生产计划和配煤成分确定的焦化时间，制定推焦/图l-1 双焦炉一套鼓风冷却系统的生产工艺流程图加煤操作计划。推焦/加煤操作需要打开炉门，会对集气管产生较大的干扰。装煤车将煤料装入炭化室中，燃烧室中煤气燃烧产生热量，通过炉墙传给炭化室中的煤料，使煤料结焦，最终成为焦炭。最后由推焦车将焦炭推出。1.1.2 集气管压力控制存在的问题1.1.2.1集气管压力调节的简单原理设1#集气管压力为P，2#集气管压力为P，总管吸力的压力为P(参见图l-1)。两个集气管蝶阀的动作直接影响到集气管压力P和P，改变蝶阀开度可使两个集气管压力稳定在给定值的范围之内。蝶阀开度增大，集气管压力下降。蝶阀开度减小，集气管压力上升。总管吸力的变化也会引起，1#集气管压力P和2#集气管压力P的变化。若鼓风机前的蝶阀开度增大，吸力P增大，集气管压力P、P下降。反之，吸力P下降，P、P上升。从气体流量的概念来理解，蝶阀开度大，意味着气流量大，使集气管压力下降。1.1.2.2存在的问题根据焦化生产工艺原理，要求集气管压力维持在(90Pa±20Pa)的范围内，才能保证焦炉底部不出现负压、焦炉不出现冒烟、污染环境等现象。但在控制上存在以下几个难点:对于一个鼓风冷却系统带两座焦炉的工艺，由于煤气输送管线采用并联方式，且距离不等。风机对两个集气管的影响不同，常见的问题是两个蝶阀脱离正常位置(最佳位置是50%)；由于管道相通，两个集气管之间存在严重的耦合干扰。常出现一个压力偏高，一个压力偏低；单一调节集气管蝶阀，无法使集气管压力适应焦炉产气量的；焦炉炼焦的生产工艺与一般的化工生产不同，在连续生产伴随着有规律的加煤、推焦的过程。在加煤推焦过程中，由于要炉的封闭门，必然会对集气管压力产生很大的干扰。因此，集气是一个具有非线性、多耦合、强扰动的多变量时变系统。1.1.3 荒煤气对环境产生的污染及防护荒煤气是指未经过滤的煤气(主要成分是一氧化炭、氮氧化合物)。焦炉在加煤和推焦时会产生对人体有害的荒煤气，煤在低于800摄氏度燃烧时还会产生强致癌物质苯丙芘。 文献5，6介绍了国内外焦炉污染物的排放情况，并列举了大据加以说明。近年来我国也非常重视焦炉的污染排放量，制定了工业污染的排放标准。为了减少焦炉的污染，工艺操作上应该注意以下几点:加强集气管压力的稳定控制，从而减少荒煤气的外逸；减少工况过程中人与外逸有害气体的接触；加强焦炉密闭、负压操作，装煤、推焦、熄焦、均实现自动化。1.2 工业控制理论综述工业控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化的综合性技术。在企业生产过程中有着举足轻重的地位。工业控制理论的发展与工业实际应用是不可分的，20世纪的控制理论经历了几个重要的发展时期:首先是20世纪初的Lyapunov稳定理论和PID控制器；而后，20年代的反馈放大器；30年代的Nyquist与Bode图；40年代Weiner控制论；50年代美国学者Bellman的动态规划理论和苏联学者庞特里雅金的最大值原理；60年代Kalman滤波器；70年代的自适应控制；80年代的鲁棒控制；90年代的智能控制理论。文献7介绍了现代控制技术的基本理论，深入探讨当前应用最广泛的模糊控制、神经网络控制及基于知识的专家控制等智能控制技术。并指出了21世纪现代控制技术的发展趋势。1.2.1 经典控制理论经典控制理论是建立在系统的数学模型上，而数学模型的精确程度对控制系统性能的影响很大，往往由于对象参数发生变化，使数学模型不能准确地反映对象特性，从而无法达到期望的控制水平。1、PID控制PID控制是经典控制技术中应用最广泛、技术最成熟的控制方式。它是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算得到控制输出。传统的PID控制应用于复杂的实际系统时存在一定的局限性，许多专家将传统PID融合了先进智能控制思想，文献8介绍几种常见的智能PID控制器的构成方式，包括模糊PID、神经网络PID、专家PID控制及基于遗传算法的PID控制等，并分析了各自的特点。2、DDC直接数字控制直接数字控制技术是基于离散理论，被控对象可以用离散模型来描述。离散理论的基础是Z变换。直接数字控制是从被控对象的实际特性出发，根据采样系统理论来设计数字控制器。IBM公司的达林在1968年提出了一种针对工业生产过程中含纯滞后的控制算法(称为达林算法)。文献10通过理论推导和仿真验证，进一步说明达林算法的动态控制性能。文献11给出了实现达林算法的计算机程序。1.2.2 现代控制理论现代控制理论与经典控制理论相比，它更适用于工业过程的复杂性、非线性和不确定性。因此受到工程界越来越多的重视并得到广泛的应用。由于基于定量数学模型的控制方法己不能满足高性能控制的要求，因此，现代控制技术得到了快速发展。1、系统辨识所谓系统辨识就是通过观测一个系统的输入、输出关系来确定其数学模型的方法。系统辨识领域有3个热点研究方向:鲁棒辨识(基于鲁棒控制的数学模型)，系统辨识(基于特殊信号驱动)和非线性系统辨识(基于智能信息处理)。2、最优控制最优控制是现代控制技术中一个重要的组成部分。最优控制问题是在己知系统的状态方程、初始条件以及某些约束条件下，寻求一个最优控制向量，使系统的状态或输出在控制向量满足某种最佳准则或使某一指标泛函达到最优值。解决最优控制方法有:变分法、庞特里亚金的极大值原理和贝尔曼的动态规划方法等。3、自适应控制自适应控制系统是控制器的参数要适应环的变化而自动变化，使得整个系统仍然满足最优准则。有两类自制:模型参考自适应控制和自校正自适应控制。由于计算机技术的使自适应控制得到了广泛的应用。1.2.3 智能控制理论1966年，Leondes和Mendel教授首次使用“Intelligent Control”一词。并给出了定义:若对于一个问题的激励输入，系统具备一定的智能行为，它能够产生合适的输出，这样的系统便称为智能控制系统。智能控制理论不同于经典控制理论和现代控制理论，它研究的主要目标不仅仅是被控对象，而且也包含控制器本身。文献12对智能控制产生、发展给出了全面的回顾，并指出智能控制是一个复杂的概念，包含学科层次、技术层次、目标层次、系统层次。1、模糊控制技术模糊控制是一种非线性控制，它不需要准确的控制对象模型。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，因此它是一种智能控制的方法。模糊控制是基于规则的控制，这些规则通常是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识积累而组成。由于模糊控制的机理和策略易于接受与理解，所以模糊控制既可用于简单的控制对象，也可用于复杂的控制过程。2、人工神经网络技术人工神经网络控制是一种不依赖于模型的控制方法，它比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象。人工神经网是模拟人脑神经元的活动，由大量的神经元组成。它利用神经元之间的联结与权值的分布来表示特定的信息。因此具有分布存储信息的特点，是智能控制中一种流行的方式。美国物理学家J.J.Hopfield在1982和1984年发表了两篇神经网络的文章并提出了一种反馈互连网，该网络后来称为Hopfield网。1986年D.E.Rumelhart.和J.L.Meclelland等人提出了多层前馈网的反向传播算法，简称BP网络或BP算法。神经网络设计的控制系统具有:适应性、鲁棒性、智能性。能较好的处理复杂工业生产过程的控制问题。但人们对神经网络控制的很多理论问题尚未解决，真正的在线应用有待进一步发展。3、遗传算法遗传算法是一种新发展起来的优化算法，遗传算法的概念最早是由Bagley J.D在1967年提出的，1975年Michigan大学的J.H.Holland教授开始了遗传算法的理论和方法的系统性研究，并给出了大量的数学证明。1989年，David E.Goldberg教授出版了“Genetic Algorichms”一书，是对遗传算法的全面总结。4、专家控制瑞典学者K.J.Astorm1983年首先把专家系统引入控制领域，1986年提出了专家控制的概念。专家控制是基于知识的智能控制，是体现知识决策的推理机构和控制领域的知识库构成的主体框架。通过对控制领域知识的获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，进而对过程对象实施控制。5、学习控制1970年，著名学者K.5.Full详细的阐述了学习控制的意义:学习控制的任务是在系统运行中估计未知信息，并基于这种估计的信息确定最优控制，逐步改进系统性能。1992年，L.Walter和J.A.Farrel教授给出学习控制的定义:一个学习控制系统是具有这样能力的系统，它能通过与控制对象和环境的闭环交互作用，根据过去获得的信息，逐步改进系统自身的未来特性。自从美国学者Wiener于20世纪40年代创立控制论以来，控制科学己经经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。在处理复杂问题时，经典控制理论无法面对系统的复杂性、不确定性和突变性。越来越多的控制专家把经典控制理论与模糊逻辑、神经网络和遗传算法等人工智能技术相结合，充分利用人的控制经验对复杂系统进行智能化控制，逐渐形成了智能控制理论的完整体系。1.3 集气管压力控制方面的国内外现状国内自80年代以来，对焦炉自动控制引起重视，并采用开发和引进两种方法来提高焦炉控制的水平。如:宝钢二期引进美国凯撒公司的COHC技术，酒钢引进德国OTTO公司的ABC技术等。自行开发的有:鞍钢与冶金部自动化研究院合作研制成功的焦炉燃烧控制系统、中科院新疆物理所和上海焦化厂的焦炉计算机控制系统、北京科技大学和铁道科学研究院及北京焦化厂的焦炉模糊优化控制系统等。经过调研，在国内具有一定特点的焦炉集气管压力控制技术主要有:中国矿业大学的谭得健等人，通过分析影响集气管压力控制的多种因素，提出一种基于模糊控制和变频技术的多级控制算法，并在充州矿区焦化厂投入实际应用。湖南株洲工学院的王欣等人，针对焦炉集气管压力多变量非线性系统，提出一种基于模糊神经网络的智能协调控制方案。应用遗传算法对模糊神经网络结构和参数进行优化，并采用PLC的逻辑梯形图语言编程实现智能协调运算。设计了焦炉集气管压力模糊神经网络控制系统，并在湘潭钢铁集团有限公司焦化厂投人运行。中南大学的秦斌等人提出了一种基于PID神经网络和RBF模糊神经网络的多变量解祸控制方案，RBF模糊神经网络对多变量对象进行解耦，PID神经网络控制器控制过程的动态特性。西林钢铁公司焦化厂原有集气管压力调节系统为人工手动调节，现采用德国西门子公司的S7-300系列可编程序控制器(PLC)，实现两套集气管压力及变频器对鼓风机的自动控制，最终实现集气管总管压力的控制。西安石油大学的张乃禄等人采用组态王和新一代逻辑控制软件KingACT实现了针对焦炉集气管压力系统的精确控制，为非线性、多时变、多耦合的复杂系统提出了一种新的方法。该方法在山西静乐焦化厂得到了应用。太原亚乐士新技术有限公司开发的焦炉集气管压力与鼓风机转速联合调节控制系统(简称PACS系统)，运用模糊数学理论，联合调节集气管压力与鼓风机转速，实现在正常生产情况下集气管压力的平衡。系统在山焦集团、阳光集团等几组焦炉上投入运行。凌钢集团第一焦化厂的焦炉集气管压力计算机控制改造项目，通过控制集气管蝶阀与鼓风机转速，实现了“解耦”。改造运行以来，避免了集气管压力拉锯式振荡。国外方面，美国、法国、荷兰、德国和日本等国家都实现了焦炉自动控制。随着对环境污染的重视，90年代起，国外很多6米以下的焦炉基本关停。只有8米以上的焦炉在使用，而且都采用现代自动化的焦炉工艺。例如：德国史威尔根新焦化厂采用炭化室调压技术，明显减小对焦炉密封系统的压力；日本室兰焦化厂采用焦炉烟道气对煤料调湿的流化床CMC装置，美国弗吉尼亚万森特太阳炼焦厂的Jewell-Thompson焦炉、澳大利亚伊拉瓦拉ThysenKrupp Eneok焦炉和乌克兰阿夫迭也焦化厂采用SCOPE21(21世纪焦炉技术)技术等。综上，目前焦炉集气管压力控制的主要方法有：变频控制：结合风机的变频技术，实现总管和集气管的闭环控制，控制效果比较好，但要求风机实现变频控制，改造难度及经费比较大；PLC逻辑控制器：利用PLC逻辑控制器和控制算法(PID)，这种方法简单实用，但控制算法调节难度大，适用于通用场合；模糊控制：根据具体的控制对象，设计模糊控制器，能更好的适应具体的情况；模糊神经网络：近几年，随着神经网络控制的发展，很多工作者把该技术引进到集气管压力控制中。该方法设计比较复杂，但对具体的、复杂环境能得到比较好的控制结果；组态软件：使用工业控制组态软件，设计简单，功能齐全，界面好。但对待具体问题时，控制算法的调整不是非常灵活；控制仪表：使用3型控制仪表和执行器，仪表的控制策略采用PID算法。这种方法简单，很多焦化厂仍然在采用，控制效果不理想；目前我国的焦化厂普遍采用集气管和总管单闭环；风机恒速；靠蝶阀阻挡煤气的流量来改变集气管压力。单环内的控制算法各不相同，如采用：PID控制、模糊控制、模糊神经网络控制等等。1.4 本项目研究的工作重点通过分析双焦炉一套鼓冷系统下的集气管压力不稳定因素，采用合适的控制策略，使集气管压力稳定在给定值的范围之内，从而改善焦炉对环境的污染。主要研究的内容是：1、控制策略的研究在焦化生产中的集气管压力调节是一个难题，特别是对于双焦炉共用一套鼓风冷却系统，原因是耦合干扰大、调节滞后、非线性和吸力不平衡等。经过大量的现场分析、实验研究、同仪表操作人员的讨论、结合专家控制的知识，得到一些控制经验。我们综合考虑各种因素，参考国内外文献，设计了基于模糊传感器技术的双闭环集气管压力控制系统。内环采用优化的PID技术，外环采用模糊控制技术。2、集气管压力状态模糊传感器的研究根据模糊逻辑的基本原理和焦炉集气管工作状态的特点，作者对集气管压力状态模糊传感器进行了比较深入的研究。在集气管压力状态的模糊传感器中，蝶阀状态起到非常重要的作用，它反映了焦炉产气状态。作者把蝶阀开度作为测量背景，对数值测量结果进行了适应性处理。解决了吸力不平衡造成的阀位偏移和耦合干扰等问题。3、控制系统的硬件、软件设计系统由西门子S7-300系列PLC构成，解决了两座焦炉的集气管之间、集气管与风机吸力之间的压力耦合问题。1.5 本章小节本章首先介绍了课题的背景，并对各种工业控制理论作了综述。接下来介绍了集气管压力控制方面的国内外现状，最后对本项目研究的工作重点作了简明扼要的概括。第二章 集气管压力控制系统的总体设计2.1引言集气管的作用是汇集各焦炉导出的荒煤气，集气管压力则是焦化工艺的重要参数之一。若压力过低会导致焦炉负压，造成焦炭接触空气而燃烧，影响焦炉寿命。若压力过高，会导致上升管煤气放散，造成环境污染及能源浪费。因此集气管压力的稳定是焦炉生产中的重要技术指标。文献24采用了自适应模糊控制算法控制集气管压力，在线调节控制参数。文献25针对回炉煤气压力的特点及焦炉加热系统的工艺要求，利用专家PID控制方法控制回炉煤气主管压力，使其稳定在给定压力上。文献26对典型非线性的集气管压力系统，提出一种智能协调算法，并采用DCS的逻辑梯形图语言编程完成智能协调运算。文献27针对焦炉集气管压力的强耦合、多变量、参数时变的特点，在进行系统特性分析的基础上，提出了一种自寻优模糊控制器。文献28采用西门子可编程控制器实现焦炉集气管压力自动控制。综上文献，在集气管压力控制中都采用单闭环控制，单环内采用各种不同的控制算法。因此普遍存在2个问题：集气管压力无法适应焦产气状态，2个集气管蝶阀经常偏离正常位置。本文通过对集气管压力变化的研究和参考各种关于集气管压力控制方面的文献，设计了基于模糊传感器技术和双闭环2层反馈控制术的集气管压力控制系统。通过2年多的实际运行，证明系统的有效性、可行性和合理性，基本解决了以上2个常见问题。本章主要介绍控制系统的总体设计。2.2集气管压力控制原理焦化生产工艺流程见图2-1所示，1#焦炉和2#焦炉产生的煤气在其蝶阀的作用下被总管风机吸入冷却塔。由于1#、2#焦炉和风机的距离不等，所以风机对l#、2#集气管的吸力就不一样。通过调节1#和2#蝶阀，可以使1#集气管和2#集气管压力稳定在给定值的范围之内。图2-1 双焦炉生产工艺流程示意图影响集气管压力变化的因素很多且都是动态的。因此集气管压力实质上是一个非线性的、具有较强祸合特性的时变参数，用数学模型很难描述其过程。2.2.1集气管压力与鼓风机吸力的关系在双焦炉生产工艺下，两座焦炉产生的煤气首先进入各自的集气管，经集气管上的控制蝶阀汇入煤气总管，再由鼓风机将2座焦炉的煤气吸出。1#和2#焦炉的集气管管线并联，同时又与鼓风机串联，相互间存在着严重的耦合关系，其中存在负耦合和正耦合。文献31详细分析了双焦炉工艺下，两个集气管压力和风机吸力的耦合关系，可以描述为:1、正耦合1#和2#集气管是一条总管上的两条并联支路，是典型的双变量正耦合系统。其中P、P分别为1#和2#集气管压力，控制量V、V分别控制1#和2#集气管蝶阀的开度，Q为总管流量，Q、Q分别是1#、2#集气管通道的煤气流量，他们之间应满足如下关系：Q=Q+QQ=V+ VQ=V+ V 式2-1其中：是1#集气管通道的系数；是1#集气管对2#集气管通道的影响系数；是2#集气管对#1集气管通道的影响系数；是#2集气管通道的系数。当V恒定(2#集气管蝶阀固定)、总管吸力Q恒定。若1#焦炉打开炉门加煤瞬间，P下降，V关小，Q流量减少，Q流量则增大，导致2#集气管压力P下降。而1#焦炉加煤结束关门瞬间，P突然上升，V加大，Q流量增加，Q流量则减小，导致2#集气管压力P升高。2、负耦合1#和2#集气管与鼓风机为串联关系，任何焦炉煤气量的变化，都会引起该焦炉集气管压力的变化。例如：某时刻煤气产量高，Q变化将引起鼓风机吸力变化，吸力变化又会引起各焦炉集气管压力的变化。吸力升高，导致集气管压力下降。所以各焦炉集气管压力与鼓风机的吸力之间属于负耦合方式。1#集气管压力P、2#集气管压力P和总管吸力P互为条件互为促进，一旦1#焦炉的煤气流量Q和2#焦炉的煤气流量Q发生变化，都会造成集气管压力的波动。2.2.2集气管压力控制策略的研究集气管压力调节看似简单的操作过程，但是用常规工业控制技术很难取得好的效果。原因是干扰大、调节滞后、非线性等。根据手动操作经验，总结以下控制经验：2个集气管压力直接反映各焦炉的煤气产量，其蝶阀的开度直接影响煤气的输出量，如果压力偏高，应加大蝶阀的开度。如果压力偏低，应减小蝶阀的开度；调节一个蝶阀其它的集气管压力也会变化，因为几个管道是相通的，气体是流动的，一个蝶阀的动作会影响其它管道的气体流量；总管鼓风机运行时维持一个较大的机前吸力（-4000Pa左右）。一般风机前的调节蝶阀和2个集气管蝶阀的最佳开度为50%；2个集气管压力均超过给定值时，则应加大鼓风机前的蝶阀开度，保证比较大的总管吸力。实践证明，通过总管吸力控制2个集气管压力，可以消除耦合干扰；2个集气管压力均小于给定值，则减小鼓风机前的蝶阀开度；焦炉煤气生产中因人工操作（如加煤、推焦、开、关氨水）会引起的较大的压力波动值，要求在短时间内，通过控制相应的蝶阀，使集气管压力回到正常值；集气管压力调节看似简单，其实是一个复杂的操作过程。对于双焦炉而言，不能以单个集气管为控制回路，应该以集气管压力、总管吸力和集气管蝶阀开度为双控制回路。控制算法不能单以PID控制为主，应该采用拟人操作的模糊控制和PID算法相结合。输入参数不能只是集气管压力，还应该考虑集气管的蝶阀开度。综合考虑以上因素，结合操作人员的经验和专家的知识，参阅文献32，我们设计了以图2-2为控制方式的双闭环2层反馈控制策略：内环控制采用改进的PID控制器，即3个单回路控制（1#集气管、2#集气管和总管）。用户根据工艺需要可以自由修改控制参数。外环控制采用基于蝶阀状态为测量背景的模糊传感器技术。将1#集气管、2#集气管压力状态的模糊传感器输出，反馈到总管给定值的修改回路中，自动修正总管给定值。使总管吸力适应焦炉产气状态，实现第二层反馈控制。外环控制解决了焦炉产气不足和产气过足时，集气管蝶阀无法适应其产气状态的难题，也解决了2个集气管的耦合干扰问题。总管吸力的优化控制是集气管压力稳定的主要保证。在调节每个集气管压力时，不同的总管吸力均可保证集气管压力控制在给定值的范围内。这是因为各集气管的蝶阀开度可以处于不同的位置。同样的气体流量，蝶阀开度大，所需要图2-2 双层反馈控制的集气管压力控制示意图的风机吸力就小，蝶阀开度小，所需要的风机吸力就大。因此，在保证集气管压力为正常范围内，优化控制的条件是：集气管蝶阀是否在最佳开度，最佳开度为50%。将总管吸力作为监督控制，实现2个集气管压力的解耦控制。2.2.3集气管压力控制系统的逻辑结构集气管压力自动控制系统的逻辑结构见图2-3所示：3个单闭环回路：1#集气管、2#集气管和总管吸力，通过压力变送器得到的压力值，送入PLC。PLC根据实际压力值和采用的控制算法，计算出合理的控制电流，送到执行器和调节阀，控制管道的煤气流量，达到调节压力的目的。逻辑结构能反映系统的控制流程。从逻辑结构图中，我们看出3个内环反馈控制的流程。外环控制是在工业控制计算机的内部通过软件形成模糊控制器来实现的，模糊控制器的控制对象是总管给定值。模糊控制器根据集气管压力和蝶阀状态，动态修改总管给定值，完成外环控制。下一章我们要详细介绍。2.3 PLC的结构和工作原理2.3.1 PLC的基本结构PLC的组成与计算机十分相似，主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等部分组成，如图2-4所示。图2-4 PLC的基本组成简图 图2-3 集气管压力控制系统的逻辑结构图（1）中央处理器（CPU）：CPU是PLC的核心，控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能；根据数据处理的结果，刷新相关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。现代PLC常用的CPU有通用微处理器、单片微处理器（2）存储器：根据存储器在系统中的作用，PLC存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放系统程序，并固化在ROM中，用户不能直接更改。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放根据具体的控制任务编写的PLC程序，需要经常调试、修改，存储器类型一般为RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM等。用户功能存储器则一般用来存放用户程序中使用的状态变量、数值数据等。（3）输入/输出（I/O）接口：PLC通过I/O接口与外界连接，输入接口接收和采集开关量输入信号或模拟量输入信号，如按钮、行程开关、电位器、传感器等；输出接口连接被控对象中的各种执行元件，如电磁阀、指示灯、电机等。（4）电源：小型PLC内部有一个开关式稳压电源，一般可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源。2.3.2 PLC的工作原理PLC从硬件结构上看与计算机组成相似，它也有中央处理器