模糊預(yù)測控制在燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

楊新華 吳利國

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程加劇，我國SO2排放及酸雨危害日益嚴(yán)重;同時我國又是硫資源貧乏的國家，SO2的大量排放既嚴(yán)重污染環(huán)境又造成硫資源的巨大浪費。鋼鐵行業(yè)是SO2排放的主要行業(yè)之一，特別是燒結(jié)生產(chǎn)工序的SO2排放總量占據(jù)鋼鐵行業(yè)SO2總排放量的一半。因此，燒結(jié)煙氣脫硫問題日益受到普遍重視。

煙氣脫硫技術(shù)主要包括氨法、石灰石膏法、活性炭吸收法等，本系統(tǒng)采用的是濕式石灰石膏法。該法用石灰乳液吸收煙氣中的SO2，生成半水硫酸鈣或是石膏，脫硫效率高。雖然石灰石膏法技術(shù)純熟，但是由于煙氣中所含氣體復(fù)雜，煙氣中SO2濃度具有時變性，因此所需脫硫劑的濃度應(yīng)具有實時調(diào)節(jié)性。傳統(tǒng)的控制方法不能獲得較好的控制效果，本系統(tǒng)采用預(yù)測串級控制方法［1］，可以對脫硫劑濃度進(jìn)行精確控制，達(dá)到滿意的控制效果。

1 燒結(jié)煙氣脫硫工藝流程

石灰石-石膏法燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)主要分為三部分。第一，石灰原料由密封罐車運輸，提升裝置送至石灰儲倉，卸料閥打開，經(jīng)振動機除砂后，卸料閥和振動機由石灰儲倉中石灰的物位控制開停。石灰送至底部漿液池后在泥漿池中攪拌機，同時對石灰泥漿進(jìn)行攪拌。第二，攪拌后的石灰泥漿被送入循環(huán)水池，后經(jīng)脫硫水泵送至吸收塔中部，四臺脫硫水泵根據(jù)循環(huán)水池液位不同順次啟動，其中第2臺水泵進(jìn)行模糊控制［2］，同時煙氣經(jīng)過增壓風(fēng)機增壓后也送入吸收塔底部，在高速的旋沖下與脫硫劑充分反應(yīng)進(jìn)行煙氣脫硫，脫硫后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的煙氣經(jīng)吸收塔頂部管道排出。第三，脫硫后吸收塔內(nèi)反應(yīng)后的石灰漿液重新送至循環(huán)水池，再由泥漿泵將其送至壓濾機房進(jìn)行脫水，結(jié)晶后制成石膏，資源再利用。脫硫系統(tǒng)的控制流程圖如圖1所示。

圖1 脫硫系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)的工藝要求，為了達(dá)到控制的準(zhǔn)確性和實時性，脫硫控制系統(tǒng)控制及監(jiān)控過程如下所述［3］?？刂七^程:控制系統(tǒng)具有手動/自動控制功能;吸收塔監(jiān)控站對出煙口SO2濃度進(jìn)行控制，當(dāng)濃度大于排放標(biāo)準(zhǔn)時煙氣通過循環(huán)管道重新進(jìn)入煙囪底部再次循環(huán)脫硫，當(dāng)濃度符合標(biāo)準(zhǔn)則通過吸收塔直接排入大氣;循環(huán)水池監(jiān)控站對循環(huán)水池液位、漿液濃度、PH值進(jìn)行測控。其中根據(jù)循環(huán)水池液位的不同，設(shè)定相應(yīng)的限值規(guī)定范圍(0-2m，2m-4m，4m-7m，7m-8m，8m-10m)，通過液位的高低及不同的范圍控制5臺循環(huán)水泵順序啟停，其中第2臺循環(huán)水泵在(4m-7m)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行模糊預(yù)測控制;石灰泥漿監(jiān)控站裝有物位計，通過石灰儲倉中石灰的容量控制卸料閥的開度及振動機的啟停。監(jiān)控過程:在操作員站及調(diào)度中心采用組態(tài)王軟件實現(xiàn)對所有控制和檢測的模擬量的歷史數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、打印和報警功能，并對所有的控制通過上位機實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和遠(yuǎn)程控制，工藝流程在計算機屏幕上實現(xiàn)動態(tài)顯示。脫硫系統(tǒng)采用PLC作為下位機直接處理模擬量和開關(guān)量信號，選用PC機作為上位機，利用組態(tài)王軟件建立友好的實時操作界面與下位機進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制策略設(shè)計

本脫硫系統(tǒng)中，石灰漿液濃度關(guān)系著整個脫硫系統(tǒng)的脫硫效果，脫硫劑濃度要求控制在30mg/m3左右，溫度控制在40℃以下。進(jìn)入吸收塔的脫硫劑濃度過高會造成管道堵塞，脫硫劑濃度過低又會影響系統(tǒng)的脫硫效果。本系統(tǒng)利用調(diào)節(jié)星型卸料閥的開度來調(diào)節(jié)石灰的卸料，進(jìn)而實現(xiàn)脫硫劑濃度的調(diào)節(jié)。當(dāng)脫硫劑濃度大于30 mg/m3時立即將電動蝶閥全部打開，若脫硫劑濃度過高且有上升趨勢則閥門開大，若濃度偏低且有下降趨勢則適當(dāng)關(guān)小閥門［4］。

本系統(tǒng)根據(jù)脫硫劑濃度變化的特點，采用模糊預(yù)測控制技術(shù)來控制星型卸料閥的開度。在原有的簡單模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法改變被控過程的設(shè)定值，構(gòu)成一個串級控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖

模糊預(yù)測控制具有三個特點，模型預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正。根據(jù)不同的特點，模糊預(yù)測又分為模型算法控制MAC、動態(tài)矩陣控制DMC和廣義預(yù)測控制GPC。本系統(tǒng)采用動態(tài)矩陣DMC算法，它具有以下優(yōu)點:

(1)直接在控制算法中考慮預(yù)測變量和控制變量的約束條件，用滿足約束條件的范圍來求出最優(yōu)預(yù)測值。

(2)把控制變量與預(yù)測變量的權(quán)系數(shù)矩陣作為設(shè)計參數(shù)，在設(shè)計過程中通過仿真來調(diào)節(jié)魯棒性好的參數(shù)值。

(3)預(yù)測變量和控制變量較多的場合，或者控制變量的設(shè)定在給出的目標(biāo)值范圍內(nèi)，這時具有自由度，預(yù)測變量的定常狀態(tài)值被認(rèn)為是有無數(shù)組組合的。

(4)從受控對象動特性設(shè)定到最后作仿真來確定控制性能為止，這一系列設(shè)計規(guī)范已相當(dāng)成熟。DMC算法以脫硫劑濃度作為控制量，在控制中包含了數(shù)字積分環(huán)節(jié)，因此，即使在失配的情況下，也能得到無靜差控制。

它采用了多步預(yù)測的方式，擴大了反映過程未來變化趨勢的信息量，因而能克服各種不確定性和復(fù)雜變化的影響，使動態(tài)矩陣控制能在各種復(fù)雜生產(chǎn)過程控制中獲得很好的應(yīng)用效果，并具有較高的魯棒性。

2.2.1模型預(yù)測

首先需要測定脫硫劑濃度的單位階躍響應(yīng)采樣值，確定模型向量及模型時域。針對脫硫劑濃度的非線性特點，可在工作點處線性化，然后輸出預(yù)測可以通過單變量預(yù)測后疊加得到。若uj只有即時變化Δuj(k)，則模型為

式中，A為模型向量，ΔU(K)為k時刻增量。

2.2.2滾動優(yōu)化

在多變量DMC的滾動優(yōu)化中，要求每個輸出yi在未來P個時刻緊密跟蹤相應(yīng)的期望值，并對M個控制增量的大小均加以軟約束，寫出性能指標(biāo)minJ(k)的表達(dá)式。

式中

根據(jù)預(yù)測模型式求出使性能指標(biāo)minJ(k)最優(yōu)的全部控制增量ΔUM(k)。Q、R分別為誤差權(quán)矩陣和控制權(quán)矩陣。

2.2.3反饋校正

在k時刻實施控制后，可以根據(jù)預(yù)測模型算出對象在未來時刻的各輸出值，其中也包括了各輸出量在k+1時刻的預(yù)測值，到(k+1)時刻測得各實際輸出yi(k+1)后，即可與相應(yīng)的預(yù)測值比較并構(gòu)成誤差向量e(k+1)，利用這一誤差信息用加權(quán)方法預(yù)測未來的誤差，并以此補償基于模型的預(yù)測，可得到校正的預(yù)測向量［4］。

由于時間基點已從k時刻移到k+1時刻，因此這一校正后的預(yù)測向量可通過移動構(gòu)成k+1時刻的初始預(yù)測值。

對于脫硫劑濃度的控制系統(tǒng)，設(shè)計中真正要確定的原始參數(shù)包括以下幾個方面:(1)采樣周期T;(2)優(yōu)化時域P、控制時域M、誤差權(quán)矩陣Q及控制權(quán)矩陣R;(3)矯正參數(shù)hi。

因為我們用到的是輸入的階躍響應(yīng)，所以在模型預(yù)測之前需對辨識得到的參數(shù)進(jìn)行階躍響應(yīng)，以此來建立預(yù)測模型和算法，此時的模型是為下一步的實際控制做準(zhǔn)備的。建立模型后，我們就要對由截面給定的實際輸入進(jìn)行控制，得到各種控制結(jié)果，輸出返回給截面。在系統(tǒng)的輸入端加上一個控制增量，各個采樣時間分別可在系統(tǒng)的輸出端測得一序列采樣值，用動態(tài)系數(shù)來表示。經(jīng)過階躍響應(yīng)下得到實際的輸出值，再將期望值與實際測量值進(jìn)行比較，得到誤差。一般我們要求系統(tǒng)有強魯棒性和穩(wěn)定性，根據(jù)前面得到的誤差進(jìn)行校正，再實行下一時刻的計算，然后重復(fù)上述過程。

本系統(tǒng)S7-200實現(xiàn)該系統(tǒng)的動態(tài)矩陣控制算法，先在數(shù)據(jù)塊OB1中分別定義實型組放置控制系數(shù)、模型系數(shù)及校正系數(shù)，將整定得到的系數(shù)值分別存入，進(jìn)行離線計算，再對各個模塊進(jìn)行在線計算。經(jīng)驗證，模糊預(yù)測控制在脫硫系統(tǒng)中應(yīng)用可靠。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

脫硫系統(tǒng)在整個生產(chǎn)周期內(nèi)必須保持高效的持續(xù)運轉(zhuǎn)，盡可能將停機時間降為最低，而停機時間直接取決于自動化控制系統(tǒng)［5］。S7-200PLC采用分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可將控制要求分成多個任務(wù)并且在一個掃描周期內(nèi)同時執(zhí)行。系統(tǒng)軟件采用梯形圖作為開發(fā)語言，同時編程環(huán)境中包含豐富的函數(shù)庫及功能塊，大大減輕了開發(fā)人員的工作量。本系統(tǒng)對所有自動化系統(tǒng)完成集成和配置任務(wù)并且能準(zhǔn)確地識別硬件組件，提供直觀精確的診斷功能、遠(yuǎn)程診斷功能、開放式接口。脫硫系統(tǒng)中的程序控制主要包括吸收塔控制、循環(huán)水池控制及漿液控制。

3 上位機軟件設(shè)計

上位機選用研華的工控機，型號為 IPC-610/P4 3.0G/512M/80G，組態(tài)軟件采用的kingview 6.52版本。在組態(tài)時充分利用其強大的上下位全集成功能，大大節(jié)約了開發(fā)時間并增強了系統(tǒng)的透明訪問度。本系統(tǒng)采用PPI協(xié)議實現(xiàn)組態(tài)王與PLC的通訊，該方法具有連接簡單、硬件投資少，并且可以讀寫S7-200系列PLC中所有存儲區(qū)域［6］。在組態(tài)王監(jiān)控畫面中，可以實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)中的手動/自動切換、給定值輸入、參數(shù)輸入等功能，使操作人員操作管理很方便。利用組態(tài)王軟件可以完成監(jiān)視器顯示所需的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控畫面，并提供豐富的報表函數(shù)，報表能夠進(jìn)行組態(tài)，例如有日報表、月報表、年報表、實時報表的組態(tài)，操作簡單，功能齊全。為保證用戶對硬件的方便使用，在完成設(shè)備配置與連接后，組態(tài)王6.52在開發(fā)環(huán)境中可以對硬件設(shè)備進(jìn)行測試，即在不啟動運行系統(tǒng)的情況下，完成對硬件設(shè)備的讀寫操作。

4 結(jié)束語

該監(jiān)控系統(tǒng)于2010年8月在唐山某縣投入運行，運行結(jié)果表明，該燒結(jié)煙氣脫硫控制系統(tǒng)具有投資省、占地面積小、運行穩(wěn)定、脫硫效率高、脫硫成本較低等優(yōu)點，能夠可靠地實現(xiàn)自動化脫硫過程。煙氣脫硫后不僅有利于環(huán)境優(yōu)化、節(jié)能減排而且生成的石膏等副產(chǎn)品還能進(jìn)行資源再利用。經(jīng)實踐，該系統(tǒng)運行可靠，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

［1］孫增圻.智能控制理論與技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］張雪平，王志斌.基于模糊控制的PLC在溫度控制中的應(yīng)用［J］.電氣傳動，2005，35(8):54-55.

［3］師曉帆，張威.遼寧省燒結(jié)機煙氣脫硫技術(shù)初探［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟，2009(8):54-57.

［4］吳凌云，童毅才.基于PLC的油田污水處理模糊控制系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2003(4):20-23.

［5］劉征建，張建良，楊天鈞.燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.中國冶金，2009(2):01-05.

［6］王永華，現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:航天航空大學(xué)出版社，2003.