PID自動控制技術(shù)的應(yīng)用

【摘要】燒結(jié)360m2燒結(jié)機(jī)點火爐，基于PID自動控制技術(shù)，利用點火爐膛檢測的點火溫度，通過對煤氣、空氣管道改造，實現(xiàn)燒結(jié)機(jī)點火爐溫度控制模型，達(dá)到降低煤氣消耗的節(jié)能減排目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能減排；PID控制；點火爐；快截閥；調(diào)節(jié)閥；點火模型；施耐德PLC

1、前言

在國家“十二五”規(guī)劃中，把能源消耗降低和主要污染物排放總量減少確定為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的約束性指標(biāo)，節(jié)能減排作為調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要方向和突破口。為確保實現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排約束性目標(biāo)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，企業(yè)必須采取有效措施，保證國家節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)。

近幾年，國內(nèi)外燒結(jié)點火技術(shù)發(fā)展迅速，點火熱耗大幅度降低，全國各鋼鐵企業(yè)對燒結(jié)點火爐不僅在結(jié)構(gòu)上，而且在控制上都采用了新技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用，對降低點火爐煤氣消耗起到了積極地作用。

2、PID控制器

2.1PID控制原理

PID控制應(yīng)用范圍廣，使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定，其參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。

典型的PID模型控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖中sp（t）是給定值，pv（t）為反饋量，c（t）為系統(tǒng)的輸出量，PID控制器的輸入輸出關(guān)系式為：

即輸出=比例項 + 積分項 + 微分項 +輸出的初始值，式中，M（t）是控制器的輸出，誤差信號e（t）=sp（t）—pv（t），是回路輸出的初始值，Kc是PID回路的增益，TI和TD分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。

式中等號右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差的積水和微分成正比。如果取其中的一項或兩項，可以組成P、PD或PI控制器。需要較好的動態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時，可以選用PI控制方式；控制對象的慣性滯后較大時，應(yīng)選擇PID控制方式。

2.2PID控制模式

可編程序控制器對模擬量進(jìn)行PID控制時，可以采用以下三種方法：PID過程控制模塊、自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制和PID功能指令。

燒結(jié)360M2燒結(jié)機(jī)點火爐系統(tǒng)采用施耐德PLC的PID功能指令，它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果，而且價格便宜得多。

3、點火爐

3.1點火爐作用

燒結(jié)是在含鐵原料中加入熔劑（白云石、白灰、石灰石）和燃料（焦粉或無煙煤粉）經(jīng)點火爐點火，在抽風(fēng)的作用下，生成一定的液相，把各種顆粒粘接在一起，冷卻后生成燒結(jié)礦的過程。

燒結(jié)點火爐有兩個作用：一是將臺車表面混合料中的燃料點燃，并在抽風(fēng)的作用下繼續(xù)往下燃燒產(chǎn)生高溫，使燒結(jié)過程得以正常進(jìn)行；二是向燒結(jié)料層表面補(bǔ)充一定熱量，以利產(chǎn)生熔融液相，使之粘結(jié)成具有一定強(qiáng)度的燒結(jié)礦。點火參數(shù)包括點火溫度、點火時間、點火熱量、點火深度等，這些參數(shù)合適與否對燒結(jié)生產(chǎn)來說至關(guān)重要。

3.2點火爐控制模型

3.2.1國內(nèi)點火爐燃燒控制普遍采用以下三種控制模式：基于爐膛溫度的煤空比例串級控制模式；單位時間單位面積所提供熱量的點火強(qiáng)度控制模式；基于煤氣量設(shè)定值的煤空比例控制模式，這些控制均在上位機(jī)上實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。

3.2.2點火溫度控制，即臺車單位面積燃燒所需熱量，其對應(yīng)的煤氣耗量作為煤氣流量調(diào)節(jié)單元的煤氣流量設(shè)定值進(jìn)行點火燃燒控制。

Fs = Tk×P5×Pw×60

Fs：煤氣流量設(shè)定值（m3/h）

Tk：點火強(qiáng)度設(shè)定值（m3/h）

P5：臺車速度（m/min）

Pw：臺車寬度（m）

3.2.3點火溫度煤空氣比例串級控制

操作人員在CRT畫面上設(shè)定點火爐溫度控制的指標(biāo)值，PLC根據(jù)該設(shè)定值和點火爐溫度的測量值進(jìn)行PID控制運(yùn)算，其控制輸出作為煤氣流量調(diào)節(jié)單元的設(shè)定值?？諝饬髁空{(diào)節(jié)單元的設(shè)定值由煤氣流量設(shè)定值經(jīng)比例環(huán)節(jié)的控制運(yùn)算后得到，再與空氣流量測量值進(jìn)行比較，經(jīng)過PI運(yùn)算，輸出控制信號給空氣流量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)空氣流量。

點火爐溫度設(shè)計參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)<1400℃，實際控制范圍1050±100℃，實際溫度與設(shè)定溫度相比小于20度，PID比例調(diào)節(jié)系數(shù)P為0.01，PID比例調(diào)節(jié)系數(shù)為0.1，PID調(diào)節(jié)閥門開度，其中SP為溫度設(shè)定值，PV為溫度測量值，該控制過程就是將煤氣、空氣調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行控制。其系統(tǒng)控制如圖2：

4、基于PID控制的點火爐系統(tǒng)改造

4.1點火爐本體設(shè)備改造

點火爐系統(tǒng)的設(shè)備主要有：點火爐、保溫爐、煤氣調(diào)節(jié)閥、煤氣的快速截斷閥門、空氣調(diào)節(jié)閥、測溫儀器和測量壓力儀器等。一燒結(jié)點火爐改造后設(shè)備采用：煤氣管道?350mm，調(diào)節(jié)閥W12220K、快截閥W73220、檢測壓力點2個；空氣管道?500mm，快截閥W73220、檢測壓力點1個；點火爐膛檢測溫度點2個、檢測壓力點1個。

4.2PLC控制系統(tǒng)硬件配置

為了配合此次點火爐控制系統(tǒng)，在原有計算機(jī)雙環(huán)網(wǎng)不變的情況下，對燒冷儀控PLC系統(tǒng)進(jìn)行改造，配置如下：140CPS11420、140CPU43412A、140CRP93200、140NOE77100、140NOE77100。

4.3系統(tǒng)改造效果

燒結(jié)點火爐改造后，操作人員不再需要到現(xiàn)場手動操作煤氣、空氣的調(diào)節(jié)閥門，不僅提高了煤氣消耗的控制精度，而且大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，其上位機(jī)操作示意圖如下：

4.4煤氣消耗對比

單位：GJ/t

改造前1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月

0.1300.1330.1310.1320.1310.1300.1340.1360.1350.133

改造后1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月

0.1020.1050.1070.1020.1060.1080.1090.1100.1080.107

5、展望

燒結(jié)點火爐PID控制系統(tǒng)改造，目前不僅能夠提高燒結(jié)礦產(chǎn)量質(zhì)量，降低煤氣消耗，而且能夠延長點火爐使用壽命，每年可為公司增效50多萬元。不論是企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，還是社會效益都取得了很大成績。但是，隨著該系統(tǒng)運(yùn)行時間延長，煤氣熱值的變

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