基于壓力串級比例雙交叉限幅控制的三混氣自動控制系統(tǒng)

文/曲開文 張洪浩 劉燕霞

1 工藝概述

該控制系統(tǒng)為某公司改燒混氣項(xiàng)目的配套自動化系統(tǒng)，考慮環(huán)保與節(jié)能的要求，要求降低焦?fàn)t煤氣的使用量（必要時停用焦?fàn)t煤氣），其余燃料采用混氮天然氣進(jìn)行補(bǔ)充，以滿足生產(chǎn)所需的燃料量的供應(yīng)要求?？紤]到焦?fàn)t煤氣流量的不確定性，該系統(tǒng)具備天然氣+氮?dú)?焦?fàn)t煤氣三氣混合、天然氣+氮?dú)鈨蓺饣旌弦约皢为?dú)焦?fàn)t煤氣共三種工作模式，且三種工作模式在正常生產(chǎn)的情況下能夠進(jìn)行無擾切換，而不影響生產(chǎn)的節(jié)奏和產(chǎn)品的質(zhì)量。工藝流程見圖1。

2 控制方案與策略

本控制系統(tǒng)設(shè)置三種工作運(yùn)行模式：工作模式一為焦?fàn)t煤氣模式；工作模式二為混氮天然氣模式，即天然氣+氮?dú)舛饣旌?；工作模式三為三混氣模式，即混氮天然?焦?fàn)t煤氣三氣混合模式。正常工作為模式二，即混氮天然氣模式；當(dāng)廠區(qū)內(nèi)的焦?fàn)t煤氣有剩余且消耗不掉時，需切換至工作模式三，采用三混氣的模式進(jìn)行工作；當(dāng)焦?fàn)t煤氣的量達(dá)到能夠滿足生產(chǎn)需要的量時，需切換至工作模式一，采用單獨(dú)的焦?fàn)t煤氣進(jìn)行生產(chǎn)。

本控制系統(tǒng)的控制的難點(diǎn)在于無論在哪種工作模式下，均要控制混合氣的華白指數(shù)與原單獨(dú)使用焦?fàn)t煤氣時相同。但實(shí)際上由于天然氣的熱值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焦?fàn)t煤氣的熱值，所以采用天然氣與氮?dú)饣旌蠚馀浔龋沟门浔群蟮幕斓烊粴獾葍r于焦?fàn)t煤氣，從而保證了最終的混合氣體與原焦?fàn)t煤氣所產(chǎn)生的熱量相等，最終使得用戶側(cè)不會因?yàn)槿剂系母淖兌艿接绊?。但混合氣的總流量將會比單?dú)使用焦?fàn)t煤氣時的流量要降低。

3 控制系統(tǒng)

3.1 軟硬件配置

本系統(tǒng)采用西門子S7-300系列CPU，配置ET200M遠(yuǎn)程站的模塊化硬件設(shè)計(jì)，配置數(shù)字量與模擬量輸入輸出模塊。采用最新版本W(wǎng)inCC與STEP7軟件進(jìn)行組態(tài)與編程，實(shí)現(xiàn)工藝流程中的溫度、壓力、流量、閥位等參數(shù)檢測；并對一些重要儀表參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)連鎖控制。

3.2 控制算法

為達(dá)到嚴(yán)格的混氣指標(biāo)，本系統(tǒng)采用了順序邏輯控制、PID控制、串級控制、雙交叉限幅控制等先進(jìn)的控制方式，實(shí)現(xiàn)了流量調(diào)節(jié)的快速與穩(wěn)定、壓力調(diào)節(jié)的安全與可靠、大小管路、互為備用管路的無擾自動切換等功能。

壓力串級比例雙交叉限幅控制模塊是整個控制程序的核心部分，是能否達(dá)到混氣指標(biāo)的關(guān)鍵。壓力串級雙交叉限幅控制原理如圖2所示。其中A1、A2、A3和A4四個控制參數(shù)是根據(jù)實(shí)際工況自動進(jìn)行調(diào)整的。當(dāng)實(shí)際壓力遠(yuǎn)小于設(shè)定壓力值時，取A1和A4得值較大；當(dāng)實(shí)際壓力遠(yuǎn)大于設(shè)定壓力值時，取A2和A3得值較大，增強(qiáng)壓力串級PID的作用效果，使得系統(tǒng)起到快速調(diào)節(jié)的作用。當(dāng)實(shí)際壓力接近設(shè)定壓力值時，將A1、A2、A3和A4的值取的較小，此時控制系統(tǒng)以穩(wěn)定為主，避免系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。

4 控制系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

由于該控制系統(tǒng)涉及到焦?fàn)t煤氣和天然氣等危險系數(shù)高的氣體，故對該控制系統(tǒng)的調(diào)試嚴(yán)格按照FAT測試、現(xiàn)場軟硬件調(diào)試、冷負(fù)荷試車、熱負(fù)荷試車、正式投運(yùn)等幾個步驟進(jìn)行。對各個環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)和測試均進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，在完全確保前一個步驟完善之后再進(jìn)行下一步的調(diào)試工作。

考慮到天然氣和焦?fàn)t煤氣的危險性，試車采用氮?dú)獯嫣烊粴膺M(jìn)行調(diào)試。具體步驟如下：

（1）調(diào)節(jié)每個支路的PID參數(shù)；

（2）進(jìn)行雙交叉限幅調(diào)試；

（3）進(jìn)行出口壓力串級的雙交叉限幅調(diào)試；

完成試車后，開始對整個系統(tǒng)進(jìn)行正式生產(chǎn)。通過對程序的檢查和完善、對設(shè)備的測試和檢驗(yàn)，使得整個系統(tǒng)等以完善，提高自動化水平的同時，降低了人員的維護(hù)成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

圖1：系統(tǒng)工藝流程

圖2：壓力串級比例雙交叉限幅的基本原理

5 結(jié)論

該項(xiàng)目投產(chǎn)以來該控制系統(tǒng)性能良好，能夠快速、準(zhǔn)確、安全的控制混合氣體的配比、流量與壓力，達(dá)到了混氣壓力波動范圍為9-12KPa，混氣熱值波動±1%的技術(shù)指標(biāo)。不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且嚴(yán)格地滿足了節(jié)能環(huán)保的要求；運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)良，且該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可無人值守的自動化水平，極大地減輕了操作與維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

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