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梅山某廠于2004年4月8日投產(chǎn)，同時(shí)向三座高爐噴煤，該控制系統(tǒng)由德國某公司設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)能力為:滿足梅山三座高爐150～200kg/t，由于是一個(gè)噴吹罐同時(shí)對(duì)三座高爐噴吹，而且每座高爐需要的煤粉量是不同的，對(duì)每座高爐煤粉流量的準(zhǔn)確計(jì)量、精確控制就尤為重要。煤流計(jì)量采用SWRengineeringDensFlow為核心元件的計(jì)量系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)采用美國某公司的Rslogix5500系統(tǒng)，以陶瓷調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)煤粉瞬時(shí)流量，實(shí)現(xiàn)三座高爐煤粉流量的自動(dòng)控制。下面主要針對(duì)整套煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)的工作原理及其控制理論進(jìn)行研究和分析。
1煤粉計(jì)量系統(tǒng)的組成及工作原理
1.1系統(tǒng)組成
煤流計(jì)量控制系統(tǒng)的組成主要有:PLC控制系統(tǒng)、SWRengineeringDensFlow(煤流計(jì))、調(diào)節(jié)閥、噴吹罐靜態(tài)電子秤。其中煤流計(jì)由以下單元組成:傳感器(測(cè)量管)和中央處理單元組成。傳感器DMS100安裝在被測(cè)量的噴吹總管管道上，需按照直管道要求安裝(如圖1)，實(shí)時(shí)檢測(cè)管道中煤流的速度和密度。中央處理單元DME100通過5芯屏蔽電纜連接到傳感器上，對(duì)傳感器檢測(cè)到的煤流密度和速度信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、轉(zhuǎn)換處理。中央處理單元經(jīng)過計(jì)算將煤流速度、密度及瞬時(shí)流量以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)直接送到PLC(可編程控制器)控制系統(tǒng)的模擬量輸入模塊，通過PLC對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示、計(jì)量。噴吹罐靜態(tài)電子秤由稱重傳感器、稱重變送器組成，通過變送器轉(zhuǎn)換將罐重信號(hào)直接送到PLC控制系統(tǒng)，通過PLC完成對(duì)罐重信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和檢測(cè)。調(diào)節(jié)閥是根據(jù)煤流計(jì)檢測(cè)的瞬時(shí)流量和設(shè)定值的偏差通過PID調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)煤粉的流量控制。
1.2煤流計(jì)的工作原理
煤流計(jì)的工作原理是在測(cè)量管中，通過對(duì)一個(gè)高頻、交流電磁場(chǎng)的特別連接，產(chǎn)生一個(gè)均勻的測(cè)量場(chǎng)。當(dāng)氣固兩相介質(zhì)通過此測(cè)量場(chǎng)時(shí)，將吸收此交流場(chǎng)的能量，由此產(chǎn)生出與測(cè)量管中被輸送煤粉密度和速度成正比的電信號(hào)。利用在測(cè)量管中兩個(gè)位置上的同樣的傳感技術(shù)，兩個(gè)位置的交流場(chǎng)變化被測(cè)量到，由于兩個(gè)傳感器之間有一個(gè)已知的距離8或16mm(可切換)，中央處理單元內(nèi)的相關(guān)器件探測(cè)出煤粉流動(dòng)在兩個(gè)傳感器之間流動(dòng)的時(shí)間，通過距離和時(shí)間，煤粉速度被測(cè)量出來(m/s)。從兩個(gè)已知參數(shù)密度(ρ)和速度(v)，以及被測(cè)管截面積(A)，流量即可測(cè)量出來:q=ρ·v·A，并通過4～20mA信號(hào)輸出。
2PID調(diào)節(jié)器
隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展，自動(dòng)化水平要求越來越高，其生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，但其基本的組成均為單回路控制系統(tǒng)，每一個(gè)單回路控制系統(tǒng)都是由控制對(duì)象、測(cè)量元件、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥所組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。目前，生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中最基本的應(yīng)用仍然是比例(P)、積分(I)、微分(D)三種規(guī)律，由這三種規(guī)律組合成P、PI、PID控制器。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)存在干擾，控制對(duì)象動(dòng)態(tài)性能比較復(fù)雜，為了提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用大多是PID調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)中，比例P的作用是按控制偏差的大小迅速輸出控制信號(hào)，偏差越大，調(diào)節(jié)作用越大，偏差越小，調(diào)節(jié)作用越小。積分I是根據(jù)偏差的大小逐漸地改變，偏差大則調(diào)節(jié)作用變化快，偏差小則調(diào)節(jié)作用變化慢，只有當(dāng)偏差消除時(shí)才停止改變調(diào)節(jié)作用，偏差不消除，調(diào)節(jié)作用總是不斷地改變，直到積分飽和。微分D的作用是只要偏差出現(xiàn)，馬上快速地、大幅度地改變調(diào)節(jié)作用，然后使調(diào)節(jié)作用逐漸減小，即所謂的超調(diào)。
PID控制器的微分方程為:
式中:u(t)和e(t)分別為系統(tǒng)的控制信號(hào)和偏差信號(hào)，Kp、Ti、Td為比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)。PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù):比例參數(shù)Kp，積分參數(shù)Ti，微分參數(shù)Td決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，從而決定了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。所以選擇最佳的PID控制器、整定合適的PID參數(shù)是提高過程控制系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵。
3噴煤流量控制系統(tǒng)的控制方式
高爐噴煤瞬時(shí)流量控制方式分為兩種:自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)方式需要。
3.1自動(dòng)控制方式
圖2為高爐噴煤流量閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制框圖，此系統(tǒng)為單回路調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，在自動(dòng)狀態(tài)下，由于干擾的作用，會(huì)使煤流量反饋值PV偏離給定值SP，即產(chǎn)生了偏差Δe，偏差量Δe作為輸入量送入PID控制器。通過PID規(guī)律運(yùn)算后，給出輸出信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)使其動(dòng)作，對(duì)噴煤瞬時(shí)流量進(jìn)行連續(xù)地自動(dòng)調(diào)節(jié)，以消除外界擾動(dòng)的影響，使得煤流量回到給定值。
3.2手動(dòng)控制方式
由于某種原因，當(dāng)控制系統(tǒng)一些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題而不能實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，為滿足高爐噴煤的緊急需求，可人工將控制方式切換為手動(dòng)控制，該控制方式是開環(huán)控制，即PID控制器在手動(dòng)狀態(tài)下，現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門開度的手動(dòng)操作來控制煤流量的大小。該操作為非正常操作模式，只在緊急情況下使用。
4PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理
4.1SWR數(shù)據(jù)采集
SWR數(shù)據(jù)采集是通過煤流傳感器中央轉(zhuǎn)換單元共同完成的，在傳感器測(cè)量管中，通過對(duì)一個(gè)高頻、交流電磁場(chǎng)的特別連接，使其產(chǎn)生一個(gè)均勻的電磁場(chǎng)，當(dāng)煤粉通過此測(cè)量場(chǎng)時(shí)，將吸收交流場(chǎng)的能量，由此產(chǎn)生一個(gè)與測(cè)量管中煤粉密度相關(guān)的電信號(hào)，同時(shí)在測(cè)量管兩個(gè)固定位置上，利用相同的傳感技術(shù)，檢測(cè)兩個(gè)位置的交流場(chǎng)變化量。這些信號(hào)送至中央轉(zhuǎn)換單元，中央轉(zhuǎn)換單元測(cè)出煤粉在兩個(gè)傳感器之間流動(dòng)的時(shí)間，通過距離和時(shí)間，煤粉速度以及密度被測(cè)量出來，并在中央處理單元內(nèi)量程化、標(biāo)準(zhǔn)化。從兩個(gè)已知參數(shù)含量密度(ρ)和速度(v)，以及被測(cè)管截面積(A)，單位時(shí)間流量q即可測(cè)量出來:q=ρ·V·A，并通過4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出給PLC，用以顯示和控制。
4.2Correctionfactor(修正因子)在SWR中的整定作用
由于SWR傳感器工作原理所限，其對(duì)流過傳感器的氣固兩相的水分含量及煤粉粒度有所要求，具體要求是:水分含量＜1.2%，粒度小于200μm煤粉量占80%。由于制粉工藝和原煤的變化，有時(shí)煤粉質(zhì)量達(dá)不到檢測(cè)要求，導(dǎo)致煤粉計(jì)量出現(xiàn)偏差，為消除測(cè)量值的偏差，控制系統(tǒng)利用修正因子，采用無限逼近法對(duì)其進(jìn)行修正。修正因子的計(jì)算公式為:
式中:Ki為本罐修正因子;Wt1為噴吹開始時(shí)噴吹罐重量;Wt2為噴吹結(jié)束時(shí)噴吹罐重量;q1為1#高爐在t1～t2時(shí)間段所噴煤粉累計(jì)量;q2為2#高爐在t1～t2時(shí)間段所噴煤粉累計(jì)量;q3為3#高爐在t1～t2時(shí)間段所噴煤粉累計(jì)量;K為最近10次修正因子的平均值。利用噴吹罐靜態(tài)電子秤的穩(wěn)定性和高精度，每當(dāng)一罐煤粉噴完后，計(jì)算一次修正因子，修正因子的保存采用先入先出的方法，始終保留最新的10個(gè)值，然后計(jì)算出修正因子的平均值K，利用K來修正反饋流量，實(shí)際流量的計(jì)算公式為:
qt=K·q
式中:q為SWR檢測(cè)的流量值;qt為最終顯示流量。qt作為反饋值參與PID的自動(dòng)調(diào)節(jié)，為避免外部干擾而引起調(diào)節(jié)器的超調(diào)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，控制程序?qū)^高和過低的修正系數(shù)進(jìn)行了屏蔽，最高不允許超過1.3，最低不超過0.7。如果超過此范圍，則納入平均修正因子的計(jì)算，保持上一次的修正因子不變，并且報(bào)警提示，以提醒操作人員注意，檢查制粉及噴吹的工藝和設(shè)備。同時(shí)為了加快流量修正速度，系統(tǒng)還設(shè)置了對(duì)修正因子計(jì)算時(shí)個(gè)數(shù)的選擇，如技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)某一階段的數(shù)據(jù)過高或過低，為了滿足高爐噴煤的需要，還可以對(duì)十個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，比如由于外圍的原因?qū)е虑拔鍌€(gè)數(shù)據(jù)都偏大，而經(jīng)過處理后達(dá)到了預(yù)設(shè)的要求，為了不影響對(duì)以后的煤粉噴吹量的計(jì)量，可以選擇用前五個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均修正因子的計(jì)算，只要把平均修正因子的設(shè)定值改為“5”即可，這樣可以減少因?yàn)樵蠁栴}造成的修正時(shí)間相對(duì)較長的影響，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能。
4.3PID參數(shù)的整定
大煤量的噴吹是現(xiàn)代大型高爐操作的需求，也是高爐降本增效的可靠手段，穩(wěn)定的煤粉噴吹和精確計(jì)量顯得尤為重要。現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境條件使控制對(duì)象難以控制，為提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性及控制精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩套PID參數(shù)。程序首先對(duì)偏差量進(jìn)行計(jì)算:|Δe|=SP－PV，當(dāng)|Δe|≥M時(shí)，程序采用第二套參數(shù)，加快控制器的響應(yīng)速度，縮短動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程;當(dāng)|Δe|＜M時(shí)，程序采用第一套參數(shù)，提高穩(wěn)態(tài)時(shí)的調(diào)節(jié)精度，兩套參數(shù)自動(dòng)切換。
5噴煤流量控制系統(tǒng)存在的問題及解決措施
5.1存在問題
新噴煤煤流噴吹控制系統(tǒng)目前已使用一年多時(shí)間，總體來說運(yùn)行比較穩(wěn)定可靠，只是偶爾單座高爐的煤流會(huì)產(chǎn)生振蕩、波動(dòng)，尤其是3#高爐輸煤管線較長，波動(dòng)頻率稍高。另外，噴吹系統(tǒng)是一罐對(duì)三座高爐同時(shí)噴吹，由于每座高爐要求的噴煤量的差異及高爐工況的不同，每座高爐的實(shí)際噴吹量有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。
5.2解決措施
經(jīng)過對(duì)煤流波動(dòng)長期跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)，煤粉的粒度和水分含量對(duì)煤流計(jì)量產(chǎn)生較大影響，所以提高了對(duì)制粉的要求。當(dāng)每個(gè)噴吹罐煤粉噴完進(jìn)行換罐噴吹時(shí)，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。這是由于交換的兩個(gè)噴吹罐壓力不一致造成，所以要對(duì)均壓管道上的三個(gè)噴吹罐的壓力變送器進(jìn)行定期校驗(yàn)，以消除其影響。另外三座高爐噴煤總量的多少對(duì)應(yīng)所設(shè)定罐壓高低是否合適也是造成煤流波動(dòng)的因素，要控制罐壓，減少波動(dòng)。在實(shí)際的應(yīng)用中要定期的對(duì)煤流計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，檢驗(yàn)裝置是采用專用的橡膠棒作為量程的校驗(yàn)裝置，目前點(diǎn)檢標(biāo)定的周期是8個(gè)月，也就是正常情況下，高爐兩次定修做一次標(biāo)定，通過一段時(shí)間的摸索，在標(biāo)定時(shí)采用三點(diǎn)標(biāo)定的方式，即零點(diǎn)(4mA)、50%量程點(diǎn)(12mA)、100%量程點(diǎn)(20mA)，尤其重要的是50%量程點(diǎn)校驗(yàn)可以有效保證煤流計(jì)的流量曲線的線性度，通過對(duì)這一點(diǎn)的校驗(yàn)可以有效提高計(jì)量的精度。
6結(jié)語
整套煤粉流量控制系統(tǒng)自噴煤系統(tǒng)投用以來，其計(jì)量準(zhǔn)確、性能可靠及控制合理的優(yōu)越性已充分顯示，對(duì)單個(gè)高爐的噴吹量最高已達(dá)25t/h，對(duì)三座高爐同時(shí)可以達(dá)到75t/h，在煤粉的流量控制上能夠?qū)崿F(xiàn)與高爐理論溫度計(jì)算吻合度非常高，已經(jīng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，目前對(duì)于系統(tǒng)操作和檢修都已經(jīng)非常成熟，已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了充分的認(rèn)可。

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