基于改進(jìn)型PID的干熄焦CO自適應(yīng)控制系統(tǒng)

李光舜，麥 林，黃 斌

（1.柳州鋼鐵股份有限公司焦化廠；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣西柳州 545002）

引言

在紅焦干熄的進(jìn)程中，因為裝置的嚴(yán)密性不足，在負(fù)壓段或多或少都會漏入部分空氣。由于空氣中的02和H20 會與紅焦產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成C02，而C02又會與紅焦反應(yīng)還原成C0，隨著時間不斷積累，干熄爐內(nèi)的C0 濃度逐步升高。而在提升機(jī)準(zhǔn)備裝入紅焦，干熄爐蓋打開的時候，由于系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，所以會導(dǎo)致部分空氣被吸入，并與CO 一起燃燒，CO 濃度因此而降低。而當(dāng)紅焦裝完，干熄爐蓋關(guān)閉后，由于爐內(nèi)紅焦的殘余揮發(fā)分仍不斷熱解析出，造成爐內(nèi)CO 濃度又迅速升高。若CO 濃度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，會形成易燃易爆氣體，使?fàn)t體有發(fā)生爆炸的危險，且在裝焦的過程中，爐內(nèi)會有大量氣體噴出，CO 濃度過高會使人員中毒。而CO 濃度若是偏低，就會增加焦炭的燒損，使焦炭的產(chǎn)量降低，增加了CO2的排放。因此，控制CO 濃度具有很重要的意義。然而，影響CO濃度的因素很多，干熄焦CO濃度控制過程往往具有非線性和時變性等特點(diǎn)，所以常規(guī)的PID 控制器就很難適應(yīng)這樣的系統(tǒng)，不能獲得所期望的控制效果。

為了解決上述問題，以PLC 為基礎(chǔ)創(chuàng)建了改進(jìn)型PID 的干熄焦CO 自適應(yīng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以動態(tài)地修正PID 的控制參數(shù),消除干擾和克服非線性和時變性等缺陷，以達(dá)到降低干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體中CO 濃度的控制誤差及提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，并且避免出現(xiàn)CO濃度大幅振蕩的現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 工控機(jī)

工控機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)獲得PLC 采集的CO 濃度實(shí)際反饋值、空氣導(dǎo)入閥門實(shí)際開度反饋值等多種控制參數(shù)信號,采用改進(jìn)型PID 算法數(shù)學(xué)模型計算出空氣導(dǎo)入閥開度設(shè)定值,再通過工業(yè)以太網(wǎng)返還給PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制。

1.2 空氣導(dǎo)入閥及傳感器

將空氣導(dǎo)入閥的實(shí)際開度反饋值和CO 濃度傳感器等多種信號傳感器,直接連接到PLC 的模擬量輸入信號端子上,而將空氣導(dǎo)入閥的開度設(shè)定值直接連接到PLC 模擬量輸出信號端子上，由PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動。

1.3 PLC

控制系統(tǒng)以PLC S7-400 為控制核心，通過PROFIbus-DP 網(wǎng)絡(luò)將CO 濃度實(shí)際值、循環(huán)風(fēng)量實(shí)際值、空氣導(dǎo)入量實(shí)際值、放散閥開度實(shí)際值、預(yù)存室壓力實(shí)際值等有效信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給工控機(jī)進(jìn)行改進(jìn)型PID 的運(yùn)算,從而獲得空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥的給定值，再通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)還給PLC，PLC 再通過PROFIbus-DP 網(wǎng)絡(luò)將給定值發(fā)送給空氣導(dǎo)入調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器，從而達(dá)到CO濃度智能化自動控制的目的。控制系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1.4 人機(jī)界面(WINCC)

人機(jī)界面采用24#顯示屏（配西門子WINCC 軟件），WINCC 通過TCP∕IP 與PLC 通訊，在WINCC 內(nèi)可以對空氣導(dǎo)入閥進(jìn)行控制模式的選擇。在自動模式下,可以進(jìn)行CO 濃度給定值設(shè)定,從而通過WINCC 對PLC 的數(shù)據(jù)采集能實(shí)時監(jiān)控或調(diào)整CO 濃度的運(yùn)行狀況,對報警記錄實(shí)時監(jiān)視和歸檔，以供操作人員控制機(jī)組和運(yùn)動狀況、故障報警進(jìn)行分析。

2 改進(jìn)型PID算法數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)通過調(diào)整空氣導(dǎo)入閥門開度的大小,而調(diào)整進(jìn)入預(yù)存室的空氣流量大小與CO 發(fā)生燃燒,從而控制CO 濃度實(shí)際值。采用CO 濃度閉環(huán)控制策略,能夠改變過去人工調(diào)節(jié)的方式,降低人員勞動強(qiáng)度。

本系統(tǒng)引入變結(jié)構(gòu)PID 算法，能夠有效提高CO濃度的動態(tài)特性及靜態(tài)誤差,克服產(chǎn)生振蕩的缺陷。其控制思想是：設(shè)置一個CO 濃度偏差閥值δ，當(dāng)|e(k)|≤|δ|時，PID 控制算法起作用，提高系統(tǒng)的靜態(tài)誤差；當(dāng)|e(k)|≥|δ|時，開度控制法起作用，提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。公式為：

當(dāng)偏差較大時，即當(dāng)|e(k)|≥|δ|時，

當(dāng)偏差較小時，當(dāng)|e(k)|≤|δ|時，

式中：Kp——比例系數(shù)；

e(k)——CO濃度偏差值；

T_sp_int——CO濃度設(shè)定值；

ρ(i)——閥門開度最小變化量；

T_pv_in——CO濃度實(shí)際值；

KD——微分系數(shù)；

Km——線性比例系數(shù)；

u(k)——控制器輸出；

KI——積分系數(shù)；

δ——CO濃度偏差閥值。

3 應(yīng)用結(jié)果

本文以某鋼廠干熄焦為例，采用上述控制策略，對干熄焦CO 濃度進(jìn)行自適應(yīng)自動控制。該方法自運(yùn)行以來，系統(tǒng)可靠平穩(wěn)運(yùn)行，獲得了所期望的運(yùn)行效果。圖2 給出了傳統(tǒng)PID 控制時CO 濃度的控制曲線，圖3 給出了基于改進(jìn)型PID 的干熄焦CO濃度的控制曲線。

圖2 傳統(tǒng)PID控制器的CO濃度曲線

圖3 基于改進(jìn)型PID的CO濃度的控制曲線

通過兩個曲線圖的對比可以看出，采用傳統(tǒng)PID 控制方式時的CO 濃度在1.5%～7.8%波動，既超出了CO 濃度的控制范圍，又增加了焦炭的燒損；而采用了基于改進(jìn)型PID 的干熄焦CO 濃度在5.0%～7.0%波動，達(dá)到了更好的動態(tài)性能和控制精度，使CO濃度控制在理想范圍。

4 結(jié)論

本文在分析干熄焦CO 濃度控制工藝的基礎(chǔ)上，對干熄焦CO 濃度的控制系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),構(gòu)成了基于改進(jìn)型PID 的干熄焦CO 濃度自適應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效解決了非線性和時變性等缺陷，使干熄焦CO 濃度穩(wěn)定保持在設(shè)定區(qū)域內(nèi)波動，既不會超標(biāo)形成生產(chǎn)安全隱患，又能夠有效降低焦炭的燒損，從而使焦炭的產(chǎn)量大幅提高，并且能夠降低碳排放，保護(hù)環(huán)境。本系統(tǒng)具有良好的控制性能,獲得了所期望的運(yùn)行效果。