無模型自適應控制在煤氣混合站的應用

付新安，曲徑幽，陳德磊，任樹茂

(首鋼京唐鋼鐵公司能源與環(huán)境部河北唐山063200)

無模型自適應控制在煤氣混合站的應用

付新安，曲徑幽，陳德磊，任樹茂

(首鋼京唐鋼鐵公司能源與環(huán)境部河北唐山063200)

以首鋼京唐鋼鐵公司熱軋煤氣混合站項目為背景，以其中一套為例，設計和開發(fā)了一套基于無模型自適應的過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)熱軋煤氣混合站控制過程的實時監(jiān)測和控制。

煤氣混合;無模型自適應;過程控制

1 引言

鋼鐵廠熱軋工藝要求煤氣壓力、熱值保持穩(wěn)定。壓力過低，會導致加熱爐滅火，嚴重情況下會引發(fā)安全事故。熱值過高，會加速燃燒噴嘴損耗，影響加熱爐使用周期。熱值過低，會造成板坯加熱不均勻，影響產品質量，加重軋機及軋輥磨損。可以說，煤氣混合控制系統(tǒng)的效果和精度直接關系到熱軋生產安全、產品質量和經濟效益

首鋼京唐鋼鐵公司熱軋煤氣混合站投產初期采用人工調節(jié)煤氣壓力和熱值，由于熱軋煤氣用量隨生產節(jié)奏變化比較大，人工操作無法將壓力和熱值控制在要求范圍內，難以滿足熱軋的生產需求，給熱軋正常生產帶來困難。這就迫切要求對煤氣混合站實行自動控制，來滿足生產用戶的需求。

2 工藝流程

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司建有高爐煤氣加壓站、焦爐煤氣加壓站、轉爐煤氣加壓站、合成煤氣混合站、熱軋煤氣混合站等設施。合成煤氣混合站將高爐煤氣、焦爐煤氣混合為與轉爐煤氣熱值近似的合成煤氣，進入轉爐煤氣柜，作為轉爐煤氣使用。高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣分別經過各加壓站加壓后進入熱軋煤氣混合站。熱軋煤氣混合站的作用是將三種氣源進行混和、配比，達到一定的壓力和熱值后輸送到熱軋供其加熱爐使用，一步設計出口煤氣混合流量為251000 m3/h，混合后煤氣壓力16~22 kPa。二步設計出口煤氣混合流量為145000 m3/h，混合后煤氣壓力16~22 kPa。煤氣熱值要求為1900大卡~2300大卡。兩套熱軋煤氣混合站出口支管匯合到總管，供給2250和1580兩個熱軋廠使用。已一步熱軋混合站為例，見圖1熱軋混合站工藝流程，其中COG包括（焦氣）、BFG（高氣）、LDG（轉氣）、LNG（天燃氣、未使用）。

3 熱軋混合站控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 控制要求

（1）由于上游煤氣生產的影響，必須對煤氣混合的種類和用量做出及時調整。要求根據(jù)混合煤氣的種類和配氣原則進行動態(tài)比例的混合控制。熱軋混合站可分5種混氣方式：1)純焦氣；2)高焦二氣混合；3)高轉焦三氣混合；4)焦轉二氣混合；5)焦氣和高焦合成轉氣相混合。

（2）三種煤氣氣源壓力不一樣，其中高爐、焦爐煤氣壓力為12.5 kPa，轉爐煤氣壓力為18 kPa，既要保證混合煤氣壓力、熱值穩(wěn)定，又要保證混合煤氣流量隨熱軋使用量變化。

（3）從成本上考慮，多使用低價值煤氣（高爐煤氣），少使用高價值煤氣（焦爐煤氣）,實現(xiàn)混合煤氣自動配比,在保證混合煤氣壓力、熱值穩(wěn)定前提下，降低操作人員的勞動強度，并取得良好的經濟效益。

圖1 熱軋混合站工藝流程

（4）克服煤氣混合過程中存在多種擾動因素，如熱值測量滯后、各煤氣管網之間強耦合等。

3.2 控制系統(tǒng)選型配置

京唐公司熱軋煤氣混合站原PLC控制系統(tǒng)只能實現(xiàn)傳統(tǒng)的PID調節(jié)功能，無法滿足如此復雜的煤氣配比自動控制[1]，必須增加一套具有復雜算法功能的控制器。控制器采用美國博軟公司的無模型自適應（Model-Free Adaptive，簡稱MFA）控制器。該控制器能夠通過復雜的邏輯判斷和計算，輔助PLC對熱軋煤氣混合站現(xiàn)有自動化設備進行整合控制進行控制，實現(xiàn)其連續(xù)穩(wěn)定運行的先進控制系統(tǒng)。MFA與PLC系統(tǒng)配置如圖2所示。煤氣混合站PLC系統(tǒng)通過以太網交換機通訊方式與MFA控制系統(tǒng)連接，進行數(shù)據(jù)通訊交換。MFA主要完成的任務是將混合站壓力、流量、熱值數(shù)據(jù)通過軟件邏輯功能塊分析計算判斷后發(fā)出信號給PLC，PLC再發(fā)出信號對混合站壓力、流量調節(jié)閥進行控制，從而實現(xiàn)煤氣的自動混合、配比。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3.3 MFA控制原理

相對PID(比例-積分-微分)控制器而言，MFA控制技術可以有效地控制包括非線性、pH、多變量以及大滯后等更復雜的過程，且無需事先建立數(shù)學模型或模型訓練，無須繁瑣的控制器參數(shù)整定，使用和維護簡便易行（見圖3 MFA控制器的內部結構示意圖）。MFA控制器由一個非線性動態(tài)負反饋控制模塊組成。該模塊具有若干輸入和輸出，模塊的控制目標是通過產生合理的輸出使設定值與過程變量（PV）之間的偏差變得越來越小[2]。如圖3所示。

圖3中描述了一個單輸入-單輸出MFA控制器的內部結構。它采用了一個多層感知器（MLP）人工神經元網絡。該神經元網絡含有一個輸入層、一個由N個神經元組成的隱含層和一個單神經元的輸出層。在這個動態(tài)模塊的內部有一群加權因子(Wij和hi)，它們被設計成可以根據(jù)需要自動地修改模塊的非線性函數(shù)。學習算法以設定值與過程值之間偏差最小的原則不斷地刷新這些加權因子。這種作用與控制目標一致。最終，加權因子自適應調整的結果使控制器的偏差趨向于零。這種設計使MFA控制器有能力“記住”過程數(shù)據(jù)中包含的過程動態(tài)信息[3]。相比之下，數(shù)字PID控制器只記住了當前和前兩次采樣的過程信息。MFA更充分地利用了偏差中所含的過程信息。

3.4 MFA控制算法公式

3.4.1 熱值算法公式:

R×Q=RCOG×QCOG+RBFG×QBFG+RLDG×QLDG

圖3 單入單出MFA控制器的內部結構示意圖

R=混合煤氣熱值設定;Q=混合煤氣流量; RCOG=焦氣熱值;QCOG=焦氣流量;RBFG=高氣熱值; QBFG=高氣流量;RLDG=轉氣熱值;QLDG=轉氣流量

利用預估熱值與設定熱值偏差值大小控制混合站焦氣流量，MFA根據(jù)高、轉煤氣量變化預測并超前發(fā)出讓焦氣加壓機出口回流閥開關指令，快速彌補焦爐煤氣壓力和流量，達到穩(wěn)定熱值效果。計算出的預估熱值數(shù)據(jù)和混合煤氣實際測量熱值數(shù)據(jù)基本一致，如果預估熱值有誤差可以在混合站上位機上進行修正。

3.4.2 出口壓力算法公式

P=PBFG-P設

P=混合煤氣出口壓力;PBFG=高氣壓力;P設=設定壓力

MFA根據(jù)此公式算出混合煤氣出口壓力，與設定壓力比較，根據(jù)其差值，自動調節(jié)高爐煤氣加壓機回流閥，確保混合煤氣出口壓力控制在設定范圍內。

3.5 MFA任意選擇5種混氣控制方式

在混合站使用純焦氣一種氣源的情況下，因焦氣沒有任何可配比的煤氣，對壓力和熱值起不到任何調節(jié)作用，MFA自動調節(jié)焦氣沒有任何意義，采取手動控制即可。高、轉、焦三種煤氣，MFA可任意選擇其中二種參與控制，或三種煤氣都參與控制，選擇哪種煤氣可根據(jù)氣源使用情況進行靈活切換。采用這種靈活的方式解決了五種煤氣任意選擇、混合、配比的問題（注：選擇參與控制的氣源，MFA自動控制其調節(jié)閥組；不參與控制的氣源，手動控制其調節(jié)閥組）。

4 實際應用效果

在操作站增加PLC與MFA控制按鈕，操作人員在操作站上實現(xiàn)控制的投切和解列，全部調試過程（包括各環(huán)節(jié)控制和協(xié)調）都是在不影響正常生產過程中進行的。下面選取2011年1月16日全天的歷史數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4 歷史趨勢

由圖4可以看到，當混合煤氣用量在30000~ 95000 m3/h之間波動時，通過該控制系統(tǒng)，在自動控制狀態(tài)下，混合煤氣出口壓力波動不超過1 kPa，熱值在不反吹的情況下，波動基本控制在100大卡以內。手動操作無法達到該控制精度。

5 結束語

首鋼京唐公司熱軋煤氣混合站自動控制項目解決了“先加壓后混合”模式混氣站的多種控制難點和問題，在煤氣混合站整體上實現(xiàn)了自動控制，根據(jù)用戶使用量自動調節(jié)流量、壓力、和熱值，降低操作人員的勞動強度，減少能源浪費。并且通用煤氣混合加壓站先進控制系統(tǒng)的基礎上，根據(jù)首鋼京唐能源部燃氣分廠的建設和運行特點，從控制方案到控制方法都進行了全新的改進和調整，在全行業(yè)范圍內率先實現(xiàn)了風機和閥組的協(xié)調控制，為其他企業(yè)做出了表率。

[1]趙嵐,賀連云.PLC控制系統(tǒng)在煤氣混合控制領域中應用介紹[J].節(jié)能.2007(10)

[2]楊燦,李大中.無模型控制方法下的跟蹤問題分析[J].儀器儀表標準化與計量.2006(01)

[3]曹衛(wèi)華,吳敏,侯少云.煤氣混合加壓過程的智能解耦控制方法與應用[J].中南大學學報(自然科學版).2006(04)

App lication of M odel-free Adaptive Control in Gas M ixing Station

FU Xinan,QU Jingyou,CHEN Delei,REN Shumao
(TheEnergyandEnvironmentDepartmentofShougangJingtangSteelCompany,Tangshan,Hebei063200,China)

A model-free adaptive process control system was designed and developed for the gas mixing station of hot-rolling mill at Shougang Jingtang Steel,achieving real-time process monitoring and control of the gas mixing station for hot-rolling mill.

gas mixing;model-free adaptive;process control

TP27

B

1006-6764（2014）02-0064-04

2013-08-15

付新安（1955-）,男，大學本科，工程師，現(xiàn)從事自動化控制方面技術工作。