王彦君（1974-）

    男，工程师， 现任七台河宝泰隆煤化工有限公司仪表工程师。



    摘  要：我国的焦炉大多采用多集气管并联，共用一套风机、冷凝系统。本文针对集气管压力被控过程的多样性、时变性、非线性的特点，通过分析影响集气管压力控制的多种因素，建立了一种新形式的焦炉集气管压力系统的数学模型。本文详细介绍了自适应专家智能控制系统程序的编制以及具体实现方法，通过专家控制算法和解耦相结合控制集气管压力，结果令人满意。经过两年的实际应用，表明了所建模型和控制方案的合理性和实用性。

    关键词：焦炉；集气管压力；专家控制；解耦；模型

    Abstract: Most coke ovens in China have multiple gas collector connected in parallel, sharing a set of fans and refrigeration system. This paper establishes a new mathematical model for the pressure system of coke oven gas collectors, by analyzing the factors that affects the presssure control of gas collector and the diversity, time-varying, and non-linear characteristics in the process. The author introduces the details of the adaptive expert intelligent control system and its specific implementations. The new system combines expert control algorithm and decoupling together to control the pressure of gas collectors. The control results is satisfactory. The three-year’s practical application shows the reasonableness and practicality of the proposed model and its control program.

     Key words: coke oven; pressure of gas collector; expert control;  decoupling; model

    1 前言

    在炼焦生产过程中，需保证各焦炉煤气压力在80~120Pa之间的稳定是焦炉正常生产的重要保证。若压力过高会导致炉子跑烟冒火、污染环境并且严重影响操作安全，造成能源的浪费；若压力过低，会使大量空气从炉门等不严密处进入炭化室，与焦炭及煤气燃烧造成损失，降低煤气和焦碳质量，同时也影响炉子寿命。

    焦炉集气管压力控制系统是多个集气管并联系统，具有强干扰、多耦合、时变、非线性的特性，存在着多种外部干扰因素和组内、组间以及焦炉与鼓风机间复杂的耦合关系，难以建立精确的数学模型。目前，虽然各种控制方案百花齐放，但在实际应用中真正有效的却少之又少。

    2 工艺介绍

                
                           图1   工艺流程示意图

    如图1所示，P_01、P_02、P_03、P_04、P_05分别是4个集气管的压力和风机前的吸力测量变送器；PV01、PV02、PV03、PV04、PV05分别为4个集气管的自动蝶阀和风机的循环线自动蝶阀。

    4个集气管分别有PVC01、PVC02、PVC03、PVC04四个常规PID控制回路，鼓风机有变频器的转数手操器控制和PVC05循环线常规PID控制。

    1#焦炉和2＃焦炉共4个集气管并联，将焦炉中的煤气最终汇合到一起经气液分离器、初冷器等中间环节处理后，由鼓风机送往下道工序。工艺上要保证各焦炉煤气压力在80～120Pa之间的稳定，保证风机前的吸力稳定，即保证P_01、P_02、P_03、P_04的值要在80～120Pa之间和P_05吸力稳定。

    3 专家控制程序的编写

    通过现场长时间观察生产情况，发现如下问题：

    （1） 出焦、交换、装煤、平煤操作、喷氨水操作，煤气发生量和工艺设备管道阻力的变化都对集气管压力造成干扰；

    （2） 4个集气管共用一套风机、冷凝系统，各集气管之间以及集气管与风机之间存在着严重的串并联耦合（相互干扰），焦炉集气管管道之间相互连通，集气管压力相互干扰，一个集气管压力波动，其他集气管随之波动，产生震荡，系统难以稳定；

    （3）风机前吸力（P_05）的波动对集气管压力的影响很大；

    （4）集气管压力调节的范围小，在大的干扰下，超出了自动蝶阀的调节范围。

    为解决以上问题，真正发挥自动控制的作用，降低工人的劳动强度。通过总结操作人员对系统的操作和控制经验，用浙江中控DCS的ST语言来编写程序，本控制程序的特点如下：
 
    （1） 以现场人员或有关专家的经验、知识、或操作数据作为编程基础。

    （2） 是语言的变量控制，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达。

    （3） 根据不同的控制目标，设计不同的控制器，其语言控制规则分别独立。 

              
                           图2   控制程序流程图

    如图2所示，当集气管压力有偏差时，先由单个集气管执行自身的常规PID控制；风机小循环线也执行自身的常规PID控制，来稳定机前吸力；但是，当集气管蝶阀开度或集气管压力偏差平均值已经超过某一特定值后，以上控制系统由常规PID转入专家模糊控制语言，由专家模糊控制自动改变鼓风机调节器的参数来控制风机转数，而鼓风机转数要求不能太大，否者初冷器前吸力太大，容易进入空气，给后面的电捕操作带来爆炸危险，转数也不能太小，否者鼓风机进入喘振区。所以，这里做了选择程序，当鼓风机转数达到上述界限时，程序自动停止调整风机转数而改变小循环调节器的参数，通过调节鼓风机的出入口循环线阀门（PV05）开度来调节风机前吸力，最终使集气管压力保持在设定值。

    4 专家控制程序的编写实例

    下面列举几个程序的片段，使读者对本套专家控制系统有个初步的了解。

    （1）4个集气管的平均偏差计算程序（片段）

if g_bsc[0].SwAM and g_bsc[1].SwAM and g_bsc[2].SwAM and g_bsc[3].SwAM then
   pc=0;bzw=on;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p1n);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[6].SV);pc=pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p1b);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[5].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p2n);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[1].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pv1=SFLOAT_TO_FLOAT(p2b);sv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[0].SV);pc=pc+pv1 - sv1;
   pc=pc/4;pcp=FLOAT_TO_SFLOAT(pc);
else
   bzw=off;
end_if;

    上例中，当4个集气管都是自动控制时，开始平均偏差计算。4个集气管的偏差值相加除以4即是平均偏差，bzw作为平均偏差计算的标志。

    （2）4个集气管蝶阀平均位置计算程序（片段）

if g_bsc[0].SwAM and g_bsc[1].SwAM and g_bsc[2].SwAM and g_bsc[3].SwAM then
  if pcdj03a<3 and pcdj04a<3 and pcdj03b<3 and pcdj04b<3 then
  mv0=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[0].MV);mv1=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[1].MV);
  mv5=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[5].MV);mv6=SFLOAT_TO_FLOAT(g_bsc[6].MV);
    aw1=aw1+(mv0+mv1+mv5+mv6)/4;nw1=nw1+1;
    if nw1>=n1 then
      nw2=INT_TO_FLOAT(nw1);aw1=aw1/nw2;aw2=FLOAT_TO_SFLOAT(aw1);
      if aw2>fsx then
        g1=on;
      else
        g1=off;
      end_if;
      if aw2<fxx then
        g2=on;
      else
        g2=off;

    上例中，当4个集气管都是自动控制，并且4个集气管的偏差等级都小于3时，开始蝶阀平均位置的计算。为了计算的精确，蝶阀位置采用累积后计算平均值的方法，累积次数可以由操作人员设定。程序中，g1代表平均阀位超过某一设定值的标志，g2代表平均阀位小于某一设定值的标志。

    （3）鼓风机的调速控制程序（片段）

      if qtwzh then
  if timers[1]>=dsh then
    timers[1]=0;
    if gd1g then
      g_bsc[9].OA=g_bsc[9].OA - z;
    end_if;
    if gd2g then
      g_bsc[9].OA=g_bsc[9].OA+z;
    end_if;
  end_if;
else
  timers[1]=0;     
              
    上例是给鼓风机调节器的输出自动加补偿的一段程序节选，目的是使鼓风机转数按程序要求，自动增加或减少，增加或减少的量可由操作人员设定。

    除上述几个例子之外，还有选择程序；自动调整集气管调节器的比例度程序；小循环线的一阶超前控制程序等等共同构成一套专家控制系统，这里就不一一赘述了。

    5 总结

    本套专家控制系统投入运行已经3年，实际应用表明，该系统工作可靠、性能稳定、操作方便，控制精度达到要求。单座焦炉的调节对其它焦炉压力的影响较控制前明显削弱，对压力的最大扰动幅度从±200Pa下降到±10Pa，当出现扰动时，能快速调节达到稳定，保证集气管压力稳定在工艺要求的范围内。

    参考文献：

    [1] 林德杰. 过程控制仪表及控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社,2004.

    [2] 徐兵主. 过程控制[M]. 北京: 机械工业出版社,2004.




                                                        转自《自动化博览》