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1、基于DCS的炼焦生产过程控制系统设计摘 要加入WTO之后，我国焦炭行业在国际分工中的地位大大提高。随着对加强炼焦行业产业的结构调整，要建设炼焦生产现代化的大型焦炉，以推进炼焦产业结构化升级。现代炼焦生产过程是一个极其复杂庞大的生产过程，采用一个稳定的控制系统对于提高焦炭及各种产品的质量和企业的效益是非常重要的。本设计主要是对焦炉的控制，因为其直接影响到焦炭的质量和生产的效益。本文采用集散控制系统，对炼焦过程中的焦炉、推煤、焦炉和熄焦过程进行自动控制，其重点在对焦炉炼焦中的各种参数，如温度、压力、流量等参数的检测和自动控制。本文的主要内容包括对炼焦行业工艺的认识和当今工业自动化控制的了解以及炼焦
2、行业的自动化控制水平，提出自己基于集散控制系统的控制方案，其中详细设计了对焦炉的温度控制，集气管、煤气管的压力流量控制和检测，烟道吸力控制以及推煤车和熄焦车的连锁控制；上位机软件的实现，采用组态软件进行画面设计，实现了对系统的实时监控和设备状态参数的提取和管理，最终实现炼焦生产的“集中管理，分散控制”的控制思想。关键词：焦炉；集散控制；燃烧；立火道温度；压力The coking process based on DCS control system designAbstractAfter joining WTO, Chinese coke industry greatly improved i
3、n international division of labor in the status. With the strengthening of the industry of coking industry structure adjustment,we have to build a modern large coke coking production in order to promote industrial structure upgrade coking. Modern coking production process is an extremely complex hug
4、e production process, using a stability control system to improve the quality of products and various kinds of coke and the efficiency of enterprises is very important. This design is mainly for the control of coke, for it directly affects the quality and production of coke. By using distributed con
5、trol system, this paper designs the automatic control of coking process, coke, coal, coke oven and push out focal process, the emphasis on the various parameters of coke coke, such as temperature, pressure, and flow parameters such as automatic control and testing.The main contents include the proce
6、ss of coking industry knowledge and understanding of industrial automation control and coking industry automation on the monder, then it puts forward the control scheme based on the distributed control system, including the control scheme for the detailed design of coke oven temperature control, the
7、 collector, gas pipe pressure flow control and testing, the flue suction control and push out of the car and focal tram chain control. And in the realization of computer software, using configuration software to design the picture, realizing the real-time monitoring system and equipment status param
8、eters extraction and management, and finally it realizes the control of thought of centralized management and decentralized control to coking production.Key words: coke oven; distributed control; combustion; legislation flue temperature; stress目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 课题的来源及意义11.2 焦化行业控制系统研究现状21
9、.2.1 自动控制系统的发展21.2.2 炼焦行业自动控制应用31.2.3 DCS系统的发展过程51.3 论文研究内容61.3.1 焦炉控制特点71.3.2 主要控制策略71.4 本章小结7第二章 炼焦生产过程控制系统方案设计92.1 炼焦生产过程工艺92.1.1 炼焦工艺流程简介92.1.2 焦炉结构工艺92.1.3 焦炉煤气的输送102.1.4 捣固炼焦技术102.1.5 熄焦技术102.1.6 炼焦其他附属设备102.2 焦炉加热煤气控制系统设计112.2.1 炼焦加热煤气选择112.2.2 炼焦加热煤气控制方案112.2.3 控制算法设计132.3 焦炉火道温度控制系统设计132.3.
10、1 温度控制系统方案142.3.2 控制器设计142.3.3 温度测量152.3.4 系统分析152.4 集气管压力控制系统设计162.4.1 控制系统方案162.4.2 PID参数的整定172.5 烟道吸力控制系统设计172.6 过程参量检测182.7 本章小结19第三章 炼焦生产过程控制系统硬件设计203.1 DCS系统选型203.1.1 DCS系统选型原则203.1.2 集散控制系统规模及配置设计203.1.3 JX-300 DCS系统的特点和技术性能213.1.4 系统规模223.2 PLC的选型223.2.1 S7-200系列PLC概述223.2.2 PLC型号选定243.3 仪表及
11、装置的选择243.3.1 流量计243.3.2 压力检测仪表243.3.3 温度检测仪表263.3.4 执行器273.4 本章小结27第四章 炼焦生产过程控制系统软件设计284.1 集散控制系统通讯网络设计284.1.1 基于RS-485总线的通信协议284.1.2 物理层协议设计294.1.3 数据链路层协议设计304.1.4 应用层协议设计314.1.5 协议的具体实现314.2 集散控制系统画面组态设计334.2.1 MCGS组态软件介绍334.2.2 炼焦生产画面组态功能实现344.3 集散控制系统控制功能组态设计344.3.1 单回路PID功能组态实现354.3.2 串级控制功能组态
12、实现354.4 PLC装煤推焦控制364.4.1 四车连锁系统364.4.2 装煤和推焦过程364.4.3 PLC控制流程374.5 本章小结38第五章 结束语395.1 结论395.2 展望39参考文献41附录A PLC梯形图程序43附录B 炼焦生产画面组态图48附录C 炼焦生产过程数据显示49致 谢50第一章 引 言1.1 课题的来源及意义焦炭是广泛用于高炉炼铁、铸造、电石、气化及有色金属冶炼等方面的一种燃料。我国炼焦煤资源丰富，炼焦生产规模世界最大，炼焦产品比较齐全，炼焦工业具有广阔的发展前景。加入WTO之后，我国焦炭行业在国际分工中的地位大大提高，同时随着国内经济的强劲发展，国内焦炭需
13、求量也大幅增加。另外，发达国家由于对环境保护等原因，导致焦炭产量下降，加大了对我国的焦炭的依赖。现有焦炉能力和在建的焦炉能力有35000万吨，生产的焦炭可够生产5亿吨钢和各行业的需要，焦炉能力是超常过剩的。随着对加强炼焦行业产业的结构调整，要尽快淘汰落后的小机焦，完善不配套的大型机焦炉，建设炼焦生产现代化的大型焦炉，以推进炼焦产业结构化升级，使炼焦行业全方位地向先进行列发展。焦化行业是集冶炼、化工于一体的复杂性工艺，由于其生产环境恶劣，对于温度、压力、流量以及回路控制的要求比较高。炼焦炉是热工窑炉中最为复杂的热工设备，这不仅因为基本设备的结构复杂，更因为它是一个高温化学反应器；焦炉装煤需要专用
14、的装煤车，而焦炭成熟后则需要专用的推焦车、拦焦车和熄焦车来完成推焦操作。焦炉加热生产还极易给环境造成严重的污染，如果焦炉控制不好，焦炭加热不均匀，就会局部生焦造成出焦时冒黑烟，而且加热煤气燃烧不完全，也会产生大量黑烟；另外焦炉加热控制的好坏，对焦炭质量和炉体寿命都有重要直接影响。因此，需要根据生产条件与客观变化因素及时不断地对加热过程进行调节，以达到加热制度合理、炉温均匀稳定，从而实现低能耗、高质高产、减少环境污染和延长炉体寿命的目的。所以，如何使控制系统更好地发挥作用，提高生产效率，是很重要的一个环节。 1.2 焦化行业控制系统研究现状1.2.1 自动控制系统的发展随着电子信息技术和光电技术
15、等相关学科的发展而发生了许多变化，现在的工业自动化程度也越来越高。从应用的行业性质上分，自动控制系统可以分成以流程过程控制为主的过程控制系统（如各种DCS、回路调节系统等）和以运动和传动控制为主运动控制系统（各种逻辑控制PLC和传动控制系统如CNC等）。在当今庞大负载的工业生产中，集散控制系统和PLC控制是应用极为广泛的。我国国产DCS的攻关工作起步较早，基础的引进和吸收工作从20世纪70年代中期开始。80年代初期就开始了技术攻关工作。当时，我国主要行业如电力、石化、建材和冶金等合作的DCS基本全部进口，采用横河公司、霍尼韦尔公司的控制系统。从90年代初我国开始形成了几家以自主研制为主的DCS
16、专业化公司，如北京的和利时公司和航天测控公司，杭州的浙大中控公司和威盛公司以及上海的新华公司等。到今天，其中的3个公司已经达到了一定的规模，并分别进入了过程自动化的主要领域，在许多大型控制系统中其产品取代了进口。当今焦化行业的控制系统应用最多的是PLC控制、集散控制（DCS）和现场总线控制(FCS)。三种不同的控制系统都有各种的特点。1PLC（Programmable Logic Controller）（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。（2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。（4）可一台PLC为主站，多台同型PL
17、C为从站，构成PLC网络。（5）PLC网格既可作为独立DCS，也可作为DCS的子系统。（6）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。2DCS（Distributed Control System） （1）集散控制系统DCS是集4C（Communication、Computer、Control、CRT）技术于一身的监控技术。 （2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。 （3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 （4）模拟信号，A/DD/A、带微处理器的混合。 （5）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN
18、。 （6）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。 （7）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。 （8）用于大规模的连续过程控制，如石化等。 3FCS（Fieldbus Control System） （1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 （2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。 （3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。 （4）在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。 （5）多变量、多节点、串行、数字通信系统
19、。 （6）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。 （7）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。 （8）局域网，再可与internet相通。 （9）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。1.2.2 炼焦行业自动控制应用 PLC控制、集散控制及现场总线控制三种控制系统的各自特点，在炼焦行业应用广泛。如介绍了DCS在兖矿焦化厂3#焦炉回炉煤气主管压力控制、集气管压力控制、安全报警与安全保障中的应用，系统运行一直稳定可靠，人机界面友好，操作灵活方便，极大地提高了焦化厂的自动化控制水平；四川德胜集团攀枝花煤化工有限公司应用DCS在焦炉集气管压力调节上进行优化控制，采用总管
20、吸力监督控制，达到焦炉集气管压力的优化，在工况稳定的情况下，误差控制可达到10Pa；柳钢焦化厂在焦炉中的应用JX-300X DCS系统，有效地实现一些复杂的控制方案，使焦炉生产过程自动控制投运率达98%以上，有效地稳定了焦炉控制参数，确保了生产的优质、高产运行。另外实用灵活的数据管理方式，为焦炉的生产和管理提供了技术支持；安阳钢铁集团有限公司在炼焦生产中的应用Freelance2000集散控制系统， 投运以来，焦炉直行温度波动明显减小，煤气压力控制精度明显提高，使得3号、4号焦炉的控制效果明显改善，提高了成品焦碳的产量和质量；济南钢铁集团总公司1#、2#焦炉控制采用ABB Freelance2
21、000控制系统， 系统自2004年1月运行至今，以其优越的性能满足了炼焦过程实时控制的要求；安钢5#、6#焦炉是新建的两座80型焦炉，为配合工艺需要开发了焦炉集散型计算机优化控制系统；南钢联炼铁新厂焦化备煤系统采用一套施耐得Modicon TSX Quanturm系列PLC控制系统构成，稳定和改善了焦炭质量；济钢焦化厂应用数字化离线控制技术的仪控系统，其核心是现场总线技术；山西中阳钢厂焦化采用和利时公司DCS系统，从管理上保证全厂安全稳定、优化长效；潍坊钢铁集团焦炉装置采用浙大中控公司的SunyTDCS9200集散控制系统作为控制装置，控制效果良好，数据共享，减轻了工人的劳动量，大大提高了工作
22、效率。唐钢炼焦1、2号焦炉采用集散控制系统，经过2年多的运行表明，炼焦1、2号炉工艺参数调节品质达到国内先进水平，系统管理功能和辅助功能工作发挥正常，对焦炉加热系统控制和集气管压力的控制效果完全满足了工艺生产，节省了大量煤气，提高了产品质量，减轻了对环境的污染，改善了操作条件 ；三明钢铁集团公司焦化厂选用Honeywell新一代MINI DOC UMC800作为控制系统，稳定了焦炉的热工制度，稳定和提高了焦炭质量，增加了煤气外送量，降低煤气消耗；有某些煤化工中应用的是威盛DCS系统。虽然三种不同的控制系统有各自的特点，但在应用过程中是可以相互渗透。山西万鑫达焦化有限公司控制系统应用以西门子S7
23、-300可编程序控制器为核心的DCS控制系统，有效解决了焦炉控制系统中存在的多焦炉集气管压力耦合问题，工作稳定可靠；常州市耐斯工控工程有限公司开发了一套PLC的热媒炉DCS控制系统应用在万鑫达焦化厂监控系统，应用效果热效率高、安全可靠。1.2.3 DCS系统的发展过程1975年HoneweH公司推出的TDC2000集散控制系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统， 以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，互相协调，一起实施实时工业过程的控制和监测。第二代产品的特点是采用模块化、标准化设计、数据通信向标准化迁移、板级模块化、单元结构化，使之具有更
24、强适应性和可扩充性，控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统通信，向上能与Ethemet接口，或者通过网关连接器与其它网络联系，构成复合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。当今DCS向综合化、开放化发展。开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成生产系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现。如智能变送器、可编程调节器、智能PID自整定控
25、制、智能人机接口，以至于智能DCS。在石油、化工、钢铁、电力等行业，DCS之所以能够垄断二十年之久，它的主要优势是与常规仪表控制相比，具有可靠、可组态编程、具有流程图画面，并具有数据记录、存储、报表打印等功能，完全切合了工厂的实际应用和需求。集散控制系统(DCS)，是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。集散控制系统一般有四部分组成：（1）过程输入输出装置；（2）过程控制装置；（3）操作接口；（
26、4）数据通讯系统。基本结构如图1.1所示。图1.1 集散控制系统的基本结构1.3 论文研究内容 本设计以炼焦生产过程为研究对象，最主要的是焦炉立火道温度进行控制，选择混煤气的流量为被控变量，通过流量控制实现对炉温的自动调节。另外还有对荒煤气集气管、小烟道吸力进行自动调节以及其他各点温度、压力的检测。除对焦炉的控制以外，还有对装煤、推焦、熄焦自动联锁控制，通过集散控制系统的应用实现整个过程的“集中管理，分散操作”的生产管理理念。1.3.1 焦炉控制特点焦炉控制系统主要完成焦化厂生产过程自动控制，具有以下特点：1对系统主要参数如煤气主管流量、焦炉温度等实现自动闭环控制；2所有控制都具备手/自动转换
27、功能，闭环控制中可实现无扰动转换；3各检测点温度、压力显示和存储功能；4全中文化的操作界面。1.3.2 主要控制策略1数据采集数据采集主要采集焦炉的温度、压力、流量等参数，显示在动态工艺流程图画面上，这些参数中的主要参数均具有超限报警、历史保存功能。2炼焦过程自动控制（1）焦炉煤气、高炉煤气流量控制；（2）焦炉火道温度控制系统；（3）集气管、烟道吸力控制；（4）装煤、推焦、熄焦控制；另外检测点有：焦炉煤气温度、压力检测，高炉煤气压力检测；混煤气主管压力检测；机、焦侧煤气压力检测，蓄热室、燃烧室、炭化室多点温度检测等。1.4 本章小结本章通过对炼焦行业自动控制系统的发展和应用的了解，对当今炼焦行
28、业工业自动化的应用有了初步的认识，提出了基于集散控制系统的炼焦控制方案，对系统进行了初步的设计。通过对炼焦工艺的了解，将集散控制应用于炼焦中重要的控制点，如焦炉温度、煤气流量及集气管吸力等，以提高焦炭的质量，增加企业的效益。第二章 炼焦生产过程控制系统方案设计2.1 炼焦生产过程工艺2.1.1 炼焦工艺流程简介炼焦是炉煤经过高温干馏转化为焦炭、焦炉煤气和化学产品的工艺过程。即煤炭焦化。指主要从硬煤和褐煤中生产焦炭、煤气、干馏炭及煤焦油或沥青等副产品的炼焦炉的操作活动。现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。炼焦流程工艺如图2.1所示。图2.1 炼焦工艺流程图2.1.2 焦炉结构工
29、艺焦炉是一种将炭化室中的煤料隔绝空气加热使之生成焦炭的工业窑炉，由炭化室、燃烧室、斜道区和蓄热室及炉顶区等组成。1炭化室是一个长方形的空间，燃料在其中进行加热炼焦，一般炭化室宽0.40.5m、长1017m、高47.5m。热源来自两旁的燃烧室。2燃烧室在炭化室的两旁，长度与炭化室相同，高度比炭化室略低。3蓄热室位于炭化室和燃烧室的下部，通过斜道与燃烧室相连。4斜道区位于燃烧室和蓄热室之间，以其中的斜道把燃烧室和炭化室联通。5炉顶区设有炭化室装煤孔，燃烧室火道看火孔及荒煤气导入集气系统的上升管等。2.1.3 焦炉煤气的输送炼焦炉出来的焦炉煤气经集气管、吸气管、初冷器、捕焦油器、回收氨和苯的系统等一
30、系系列的设备，然后才能变成净煤气送给不同的用户，或送至贮罐。在这一过程中煤气要克服许多阻力才能达到用户的地点，为此，煤气应具有足够的压力。另外，为了使焦炉内的荒煤气按规定的压力制度抽出，要使煤气管线中具有一定的吸力。因此，必须在焦化工艺的流程中，选择合理的位置设置鼓风机，使得机前为负压，机后为正压。2.1.4 捣固炼焦技术捣固炼焦工艺是在炼焦炉外采用捣固设备，炼焦配合煤按炭化室的大小，捣打成略小于炭化室的煤饼，将煤饼从炭化室的侧面推入炭化室进行高温干馏。成熟的焦炭由捣固推焦机从炭化室内推出，经拦焦车、熄焦车将其送至熄焦塔，以水熄灭后再放到凉焦台，由胶带运输经筛焦分成不同粒级的商品焦炭。2.1.
31、5 熄焦技术 熄焦方法有干法和湿法两种。湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋6090s。干法熄焦简称“干熄焦”，其基本原理是采用冷的惰性气体在干熄炉中与炽热的焦炭进行热交换从而冷却焦炭，被冷却的惰性气体再由循环风机鼓入干熄炉用以冷却红焦。该技术改变了传统的湿法熄焦技术中的余热资源浪费，以及含有粉尘和有毒、有害物质的雾气对大气环境严重污染的现象，是焦化行业技术装备水平的重要标志。2.1.6 炼焦其他附属设备1装煤推焦车装煤推焦车为捣固焦炉专用机械，其作用是将由捣固机捣成的煤饼推入炭化室，打开与关闭机侧炉门，将成熟的焦炭推到熄焦车上。 2拦焦车 拦着从炭化室推出来的焦炭落到熄焦车上，并打开
32、，清扫与关闭焦侧的炉门。3熄焦车(或干法熄焦装置) 接收推出的赤热焦炭运到熄焦塔内喷水，将赤热焦炭熄灭，然后卸在凉焦台上冷却。2.2 焦炉加热煤气控制系统设计2.2.1 炼焦加热煤气选择焦炉加热用的气体燃料主要是高炉煤气和焦炉煤气。焦炉煤气发热值高，在正常生产时，煤气热值波动不大，便于调火操作；但高温时能分解出石墨容易在喷嘴上挂接，影响燃烧。另外，焦炉煤气与空气混合到一定的比例时易产生爆炸。高炉煤气中不燃烧成分多，发热值很低；燃烧速度慢，燃烧火焰比较长，含尘量高。煤气热值低，对焦炉加热是不利的，使焦炉的热工效率低、耗热量高、煤气用量大，所产生的废气量多，从而使加热设备和加热系统阻力增大，甚至造
33、成煤气设备能力和烟囱吸力不足。因此，为了提高煤气的热值，可向高炉煤气内混入一定量的焦炉煤气。2.2.2 炼焦加热煤气控制方案用混合煤气加热，煤气流量的调节有三种方法：1在调节幅度不大，又在一定的混合比范围内，一般采用固定焦炉煤气量调节高炉煤气的调节方法，这样炉温比较稳定。2采用比例调节装置按比例调节两种煤气流量，可保持混合比不变。3当采用热值指数自动调节时，应固定高炉煤气流量，自动调节焦炉煤气流量，使焦炉总供热稳定，且压力制度也稳定。在本设计中，高炉煤气和焦炉煤气采用比值控制，使混合比保持不变。单闭环比值控制如图2.2所示。因为焦炉煤气的流量很少，最高不超过7%，所以要保持焦炉煤气为定值且保证
34、没有大干扰，主要对高炉煤气进行调节。图2.2 单闭环比值控制系统用混合煤气加热，焦炉煤气混入量占总量的百分比成为混合比。体积混合比是指焦炉煤气混入体积占总体积的百分比，其计算式如下：体积混合比= 式中，、焦炉煤气、高炉煤气的体积流量，。在正常结焦时间，在斜道口调节砖不作变化的情况下，体积混合比为3%5%比较合适。 使用不同混合比的煤气加热，所需的空气量和产生的废气量不同，造成加热系统阻力也不同，因而所需要的吸力也不同，根据计算和时间可知，混合比增加1%，分烟道吸力至少5Pa左右。因此为稳定加热制度，要求混合比变化在0.5%之内。2.2.3 控制算法设计在集散控制系统中，要把PID控制算法进行离
35、散化处理，以便实现计算机控制。本设计采用离散PID控制算法中的增量算法。增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算误差对控制量计算的影响较小。增量式算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误差动作影响小，必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。增量式算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。在焦炉管道中执行机构多带积分部件，因此应当选用增量式算式。PID控制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即 (21)设 则 (22)式(21) 或式22)是理想PID控制增量，其输出表示阀位的增量，控制阀每次只按增量
36、的大小动作。流量系统是典型的快过程，往往具有噪声，宜采用PI控制器，且比例度要大，积分时间可小，根据经验值，参数设置为P(%) 40100，(min) 0.11。2.3 焦炉火道温度控制系统设计焦炉是结构独特的工业炉窑，焦炉火道温度稳定性直接关系到焦炭质量和炉体寿命。因此，实现焦炉加热燃烧过程控制，对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染和改善劳动条件都具有非常重要的意义。2.3.1 温度控制系统方案调节焦炉火道温度，主要是通过调节混合煤气的流量来实现的。所以，煤气流量的控制是一个很重要的环节。焦炉煤气和高炉煤气采用比值控制系统，焦炉煤气按一定的比例混合混合到高炉煤气主管，再
37、到各支管送到燃烧室进行燃烧。炉温控制主要依靠调节混煤气主管流量，煤气流量和温度控制器构成串级控制系统。如图2.3、2.4所示。图2.3 双闭环串级控制方框图图2.4 双闭环串级控制示意图2.3.2 控制器设计主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制的作用，为了主变量的稳定，并且温度存在滞后性，主控制器宜选择PID控制器根据经验值，对PID参数的设定P（%） 2060 ， 310， 0.53。副回路是随动回路，允许误差存在。从这个角度讲，副控制器不需要积分作用。但是有时候可能会产生很大的余差，考虑到有时副回路单独运行，大的余差存在是不合适的。另外，因为流量副回路构成的等效环节比主对象的动态滞后
38、要小得多，副控制器增加积分也不太影响主回路性能，所以流量副控制器采用PI控制器。主、副控制器正、反作用的选择顺序是先副后正。执行器阀门为气开式，可判断副控制器为反作用，然后可判断主控制器为反作用。2.3.3 温度测量在本系统中采用的是利用热电偶直接测量火道温度的，在燃烧室内，分别在其上部，中部和下部各安装一定数量的热电偶，直接测量焦炉内部的温度。然后通过对实际测量的温度取平均值就能计算出焦炉实际的直行温度。2.3.4 系统分析 主回路控制器接收焦炉直行火道温度，其输出值送入副回路的外部给定设置点作为副回路的给定值；副回路接收加热煤气流量和主回路的外部设定值，其输出值送入串级控制器的执行机构，通
39、过调节煤气管道上孔板的开度来达到调节火道温度的目的。扰动作用在副回路：若混煤气流量发生变化时，由于温度变化的滞后性，它对蓄热室顶部温度的影响缓慢。首先副调节器及时进行调节，改变煤气流量以维持火道温度。若扰动量小，经过副回路及时控制后，一般不影响火道温度。在大幅扰动发生时，大部分被副回路克服，小部分影响则被主回路消除，从而加速了克服扰动的调节过程，使火道温度尽快恢复到设定值上来。 扰动作用在主回路：当其它因素影响到火道温度时，如入炉煤参数发生变化，则由主调节器发挥控制作用，即改变高炉煤气流量的设定值。此时虽然副回路不能克服扰动，但由于副回路的存在而改善了过程特性，因而控制质量有所提高。 扰动同时
40、作用在主、副回路：若扰动同时使主、副变量按同一方向变化，即主、副变量同时升高或降低，此时两个调节器对调节阀的控制方向是一致的，加强了控制作用，提高了控制质量。若扰动同时使主、副变量按相反方向变化，即此时两个调节器对调节阀的控制方向是相反的，阀门开度做小的变化就能达到控制要求，同时加强了控制作用，提高了控制质量。2.4 集气管压力控制系统设计保证集气管压力的稳定是焦炉正常生产的主要指标，集气管压力值稳定与否，直接涉及到焦炉的正常生产和使用寿命。在焦炉炼焦过程中，会有大量的荒煤气产生，荒煤气由集气管收集，通过输气管网由鼓风机送往后续工段处理。当炉体内操作形成负压时，空气就会从炉门、炉盖等处进入炉体
41、，导致焦炭燃烧、灰分增加、焦炭质量下降。进入的空气还会同炉体建筑材料发生化学反应，导致炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；空气还会促使荒煤气燃烧，使煤气系统温度增高，从而加重了冷却系统的负担，产生不必要的能源消耗。当炉体内的压力过高时，荒煤气将会从炉门、炉盖等处冒出，一方面造成跑烟冒火，污染环境；另一方面降低了荒煤气的回收率，造成能源的浪费，严重时还会危及鼓风机安全运行。所以必须对集气管压力进行控制，使其维持在设定的压力范围内。2.4.1 控制系统方案目前的控制方案以PID控制规律为基础，在正常工况时，采用PI单回路调节集气管压力，以保证集气管压力均衡。图2.5 焦炉集气管压力控制系统图在焦炉集气管压
42、力控制系统中，执行机构采用防爆电动执行机构去驱动阀门，控制器的输出相对于控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。算式为其输出表示阀位的增量，控制阀每次只按增量的大小动作。2.4.2 PID参数的整定在焦炉集气管压力控制系统中，先采用经验数值法初定PID参数，再采用凑式法确定PID参数。在凑试时，对参数实行先比例，后积分的整定步骤。 1首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。2在比例调节的基础上系统的静差不能达到要
43、求，加入积分环节。是首先置积分时间为较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小为原来的0.8倍，然后减少积分时间，是在保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除。在此过程中，根据响应曲线好坏反复改变比例系数与积分时间，以得到满意的控制过程和整定参数。2.5 烟道吸力控制系统设计焦炉机 、焦侧分烟道内均装有阀门以调节吸力，机、焦侧分烟道汇入总烟道与烟窗连通，焦炉加热燃烧所需空气是靠炉内负压吸入，改变分烟道阀门开度，可改变分烟道吸力并使炉中负压发生相应的变化，从而改变供给燃烧用的空气量，焦炉加热量的增减要视炉温情况进行调整，为使加热量改变时仍能使燃烧趋于合理，就有必要调整分烟道吸力， 同时
44、煤气热值等因素的变化，对燃烧所需空气量理应有相应的变化，保持分烟道吸力的稳定，可保持炉内负压的稳定。焦炉的空气量用机焦侧废气盘进风口和烟道吸力来控制，它们随着结焦时间的长短和所用煤气的多少而改变，要保证合理的空燃比，就要求烟道吸力控制在一定值(-250Pa)。为了保证结焦末期炭化室底部压力为正压，从而保证焦炉吸力制度的稳定，减少焦炉冒烟冒火现象。对于炼焦机侧焦侧分烟道吸力，PID常规算法就能满足工艺要求，但是，由于这些参数变化较大时具有一定的安全隐患，有可能造成烟道暴炸。因此，PID参数设置一定要合理和稳妥，一般不用微分作用，积分作用适当加强，比例作用调整到3：1衰减幅度即可。在此一般设定为：
45、比例带为105%，积分时间为25s。可采用增量式控制方案，具体算式如下：式中：为第n次输出增量；为第n次采样偏差；T为采样周期；为积分时间常数；为微分时间常数；为比例带系数。2.6 过程参量检测在炼焦过程中，重要的参数检测点如下表2.1所示。表2.1 参数检测点燃烧室立火道11001450蓄热室顶部温度9001320炉顶空间温度80030,小烟道温度350450高炉煤气温度不得超过35集气管温度80100焦饼中心温度100050炭化室顶部温度13001350集气管温度80100焦炉煤气温度505煤气压力600Pa1000Pa炭化室吸力20 Pa 30 Pa烟道吸力250Pa集气管吸力300 P
46、a 350 Pa2.7 本章小结本章主要是对炼焦控制方案的设计。从炼焦工艺到炼焦设备以及技术有了初步的认识，然后完成了对炼焦生产过程的控制，主要是对焦炉中煤气流量，立火道温度、集气管和烟道吸力的控制。第三章 炼焦生产过程控制系统硬件设计3.1 DCS系统选型目前，由于集散控制系统(DCS)的优越性，越来越多的工业自动化工程都广泛的采用DCS。国内冶金、化工、电力、纺织、轻工等行业引进了上千套DCS，也有不少企业采用国产DCS。但是，国内外DCS品种多，型号不统一，应用场合各有侧重，在选用DCS时，一定要了解DCS的功能和应用场合，以达到提高企业效益的目的。3.1.1 DCS系统选型原则1技术原
47、则（1）按功能要求，选择适合生产过程控制要求的DCS产品，并留有一定的余量。（2）在本行业运行成功，并有两个或以上的应用实例。（3）供货公司新设计的DCS产品。2经济原则同其他控制系统一样，选择DCS时，首先要考虑项目的投资规模、性能价格及投资回收率这样的一些经济问题。建设项目决定了选择DCS的大、中、小系统。投资回收年限(T)等于初始投资费用(C)除以年经济效益()。T值越小，表示投资回收率越高。3售后服务原则 选择DCS，还要考虑那些信誉好的公司的DCS产品，对产品和技术培训提供服务。3.1.2 集散控制系统规模及配置设计本设计基于集散控制系统对炼焦生产的控制采用浙大中控的JX-300 DCS系统。本系统包括2个操作站、1个工程师站。控制站采用冗余方式，以提高其可靠性。同时为保证各调节控制部分的安全、实用性，又加装一个手操器柜。控制站与操