對(duì)儲(chǔ)配站煤氣鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造的研究

周振國

摘要? 某儲(chǔ)配站煤氣鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)因設(shè)備老化，故障頻發(fā)，借助改造機(jī)會(huì)使用ABB的DCS控制器來代替老舊的半人工控制方式，通過PID算法控制實(shí)現(xiàn)出站煤氣壓力里的平穩(wěn)，借助防喘振閥可以避免鼓風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生喘振現(xiàn)象。同時(shí)在重點(diǎn)部位增加了傳感器的檢測(cè)，在ABB Freelance2016的強(qiáng)大功能下，工程師站和操作員站能對(duì)傳感器回傳的數(shù)據(jù)信息采集并可以對(duì)生成的趨勢(shì)圖、報(bào)表、報(bào)警等信息進(jìn)行保存和打印，方便后期通過檢測(cè)到的數(shù)據(jù)分析從而改進(jìn)工藝參數(shù)。本次改造也在國家節(jié)能降耗的號(hào)召下從設(shè)備能耗等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，使系統(tǒng)運(yùn)行效率得到明顯提升。

關(guān)鍵字? 儲(chǔ)配站 煤氣鼓風(fēng)機(jī) PID 喘振 Freelance2016

引言

現(xiàn)有儲(chǔ)配站煤氣鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)使用了十余年，DCS等元器件嚴(yán)重老化，運(yùn)行不平穩(wěn)故障頻發(fā)。為提高其控制水平，并相應(yīng)國家號(hào)召達(dá)到節(jié)能降耗的目的，對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)配站煤氣鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化。原本使用多個(gè)DCS對(duì)系統(tǒng)三個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，現(xiàn)改為一套ABB900冗余系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。該系統(tǒng)的使用在一定程度上避免了系統(tǒng)間通訊因信號(hào)干擾等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失、通訊中斷等故障，與此同時(shí)還增加了系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性以及響應(yīng)速度，最終實(shí)現(xiàn)降低損耗達(dá)到節(jié)能的目的。

1.系統(tǒng)介紹

新系統(tǒng)采用2個(gè)ABB的DCS控制器PM901F組建的冗余系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，在DCS控制器通訊模塊插槽使用了一個(gè)CI930F模件與各子站的CI840模塊做Profibus通訊。2個(gè)DCS控制器間使用以太網(wǎng)交叉線連接，控制器與上位機(jī)間使用以太網(wǎng)直連線連接。

2.系統(tǒng)控制

2.1 PID

該系統(tǒng)的目的是使出站煤氣壓力保持在某一恒定范圍內(nèi)，所以該系統(tǒng)使用PID閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。PID的傳遞函數(shù)為：G（s）=U（s）/E（s）=Kp（1+1/Tis+Tds）=Kp+Ki*1/s+Kds

上述公式中，Kp為控制器的增益，或稱放大系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);K=Kp/Ti，為積分系數(shù);Kd=Kp*Td，為微分系數(shù)。

PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

增益：對(duì)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)實(shí)現(xiàn)及時(shí)成比例的真實(shí)反映，從而使得控制器的輸入以及輸出能夠成比例關(guān)系。為了能夠最大限度的減小偏差， 同時(shí)也為了更好的提高響應(yīng)速度，最大限度的縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時(shí)間，因此應(yīng)該增加Kp。但是一度增加Kp，就會(huì)因?yàn)楸壤饔眠^大導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)斐砷]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響工作效率。

積分：實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的記憶，減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，積分最顯著的特點(diǎn)就是無差控制。而積分作用的強(qiáng)弱受積分時(shí)間常數(shù)Ti的影響，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分：微分能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器超前控制的效果，微分能夠真實(shí)反映信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

從時(shí)間的角度講，比例作用主要是對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前存在的誤差進(jìn)行控制，積分作用主要是對(duì)系統(tǒng)歷史存在的誤差進(jìn)行記錄，微分作用主要是對(duì)系統(tǒng)誤差的變化趨勢(shì)做出真實(shí)的反映。將比例作用、積分作用、微分作用進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了“過去、現(xiàn)在、未來”的完美結(jié)合。

項(xiàng)目中煤氣出站壓力作為PID控制的被測(cè)量。將被測(cè)量的信號(hào)反饋到DCS系統(tǒng)，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到了預(yù)期目的。如果沒有達(dá)到則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整直到達(dá)到預(yù)期的目的為止。

2.2 防喘振

該系統(tǒng)的煤氣鼓風(fēng)機(jī)是通過液力耦合器來調(diào)節(jié)離心式鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)煤氣出站壓力的。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)達(dá)到某一特定轉(zhuǎn)速時(shí)，就會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。離心式鼓風(fēng)機(jī)的喘振現(xiàn)象即使是風(fēng)機(jī)的固有特性，但是與其相連接的管網(wǎng)有關(guān)。換句話說離心式鼓風(fēng)機(jī)的自身特性是發(fā)生喘振內(nèi)因的話，那么外界條件就是外因。當(dāng)內(nèi)在因素在適當(dāng)?shù)耐庖驐l件下就會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象時(shí)就會(huì)發(fā)生氣流能量損失，效率下降，風(fēng)機(jī)性能變差。為了避免在運(yùn)行過程中發(fā)生喘振現(xiàn)象，我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)了防喘振閥。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中保持風(fēng)機(jī)永遠(yuǎn)大于發(fā)生喘振時(shí)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)壓力高需要降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，但風(fēng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定轉(zhuǎn)速的最小值，這時(shí)我們開啟防喘振閥，使壓力過高的煤氣通過防喘振閥回流到煤氣儲(chǔ)罐以達(dá)到在不發(fā)生風(fēng)機(jī)喘振的情況下降低出站煤氣壓力的目的。保證了系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

2.3 聯(lián)鎖關(guān)系

為了防止風(fēng)機(jī)的液力耦合器和防喘振閥的頻繁調(diào)節(jié)，所以對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了應(yīng)對(duì)煤氣壓力波動(dòng)的死區(qū)壓力。當(dāng)煤氣壓力大于死區(qū)上限時(shí)先通過PID降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速下限時(shí)煤氣壓力還高就打開防喘振閥進(jìn)行降壓。當(dāng)煤氣壓力小于死區(qū)下限時(shí)先關(guān)閉防喘振閥再進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

為了保護(hù)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，我們使用多個(gè)傳感器對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況、煤氣儲(chǔ)罐及管網(wǎng)煤氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，超過警告值就會(huì)聲光報(bào)警對(duì)值班員進(jìn)行提示，當(dāng)超過動(dòng)作值時(shí)就會(huì)觸發(fā)風(fēng)機(jī)停機(jī)聯(lián)鎖動(dòng)作，并進(jìn)行聲光報(bào)警以作提示，同時(shí)所有的報(bào)警及設(shè)定值的修改都會(huì)在操作員站留下記錄，方便后期查看。

3.上位機(jī)

我們的工程師站和操作員站使用的Freelance2016版控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，集成的工作環(huán)境能夠大大簡化工程組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)和總線管理等工作。直觀的操作員人機(jī)界面能夠整個(gè)系統(tǒng)的操作和診斷變得輕松容易。

3.1趨勢(shì)顯示

Freelance2016使用趨勢(shì)采集塊的趨勢(shì)顯示只能插入到一個(gè)操作員站下。同樣的趨勢(shì)顯示可以用于趨勢(shì)服務(wù)器，是通過采集標(biāo)簽頁上的選項(xiàng)進(jìn)行選擇。趨勢(shì)服務(wù)器是用來從不同的過程站采集變量的。在一個(gè)項(xiàng)目中只能有一個(gè)趨勢(shì)服務(wù)器，并且不能冗余?；谮厔?shì)服務(wù)器的趨勢(shì)顯示可以插入到公共顯示池中。這些趨勢(shì)可以被所有的操作員打開。

使用趨勢(shì)服務(wù)器首先就要進(jìn)行趨勢(shì)服務(wù)器組態(tài)，建立網(wǎng)關(guān)。當(dāng)趨勢(shì)網(wǎng)關(guān)組態(tài)后，在項(xiàng)目中所有的標(biāo)簽自動(dòng)獲取讀取訪問權(quán)限。同樣的，讀取訪問權(quán)限指定給所有的過程站變量。然后在公共顯示池內(nèi)插入趨勢(shì)顯示，在趨勢(shì)顯示設(shè)置框內(nèi)使用變量采集方式并插入趨勢(shì)變量，每組趨勢(shì)只能顯示6個(gè)變量。這樣就可以通過趨勢(shì)服務(wù)器就可以在其所有操作員站查看數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

3.2 報(bào)表

Freelance2016中Excel報(bào)表被用來獲取數(shù)據(jù)，并且將其儲(chǔ)存在Excel模版中，一個(gè)報(bào)表可以產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)xls文件，這些文件中存儲(chǔ)了一系列變量的數(shù)據(jù)。 報(bào)表可以插入公共顯示池用于所有操作員站的訪問，也可以插入到某個(gè)特定的操作員站。 報(bào)表監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間可以在“周期”里面設(shè)置，在“周期時(shí)間”設(shè)置頻率，在“起始時(shí)間”中設(shè)置報(bào)表記錄開始創(chuàng)建的時(shí)間，例如：DT#2020-01-01-09：00：00.000 在“重啟動(dòng)于”中設(shè)置報(bào)表記錄重新開始創(chuàng)建的時(shí)間，例如：T#24h0m0s，表明Excel報(bào)表文件將于一天之后重新創(chuàng)建，需要注意的是：重啟時(shí)間必需大于等于“周期”和“周期時(shí)間”的乘積：重啟動(dòng)于≥周期*周期時(shí)間。

報(bào)表可以通過 “定義模版”去配置Excel報(bào)表的布局格式和內(nèi)容，將會(huì)在Excel軟件中打開報(bào)表模版。獲取數(shù)據(jù)的函數(shù)遵循以下語法：。

變量：變量列表中的某個(gè)變量的名稱，比如SOFT.DateTime為系統(tǒng)時(shí)間變量;下一個(gè)位置則可以從NEXT_RIGHT，NEXT_LEFT，NEXT_DOWN，NEXT_UP中根據(jù)需要任選。

3.3 報(bào)警記錄

Freelance系統(tǒng)分為系統(tǒng)報(bào)警，故障報(bào)警，開關(guān)報(bào)警，提示和提示信息報(bào)警類型。根據(jù)對(duì)運(yùn)行過程重要性，可以對(duì)報(bào)警類型進(jìn)行優(yōu)先級(jí)歸類。一個(gè)系統(tǒng)級(jí)（分成三組S1-S3）和五個(gè)過程級(jí)（1-5）。在工程師站組態(tài)過程中，每個(gè)優(yōu)先級(jí)都分配一個(gè)特定的確認(rèn)策略。確認(rèn)策略用來定義操作員確認(rèn)報(bào)警的方法。報(bào)警和提示在報(bào)警行，報(bào)警列表和提示列表中顯示，可以通過各自位置進(jìn)行確認(rèn)，而且，報(bào)警可以通過畫面顯示和分配的面板的上下文菜單進(jìn)行確認(rèn)。

結(jié)語

通過對(duì)煤氣鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后，尚未出現(xiàn)因系統(tǒng)原因?qū)е碌耐C(jī)故障，系統(tǒng)能在煤氣壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，操作員能從Freelance2016的趨勢(shì)及報(bào)表中通過數(shù)據(jù)分析快速找到壓力波動(dòng)原因，使得故障率明顯降低，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，降低了能耗，達(dá)到了系統(tǒng)改造目的。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉秀，宋麗榮.自動(dòng)控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[2]劉豹，唐萬生.現(xiàn)代控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992

[3]張晉格，陳麗蘭.控制系統(tǒng)CAD：基于MATLAB語言[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[4]段倫俊.高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘系統(tǒng)控制程序優(yōu)化改造[J].冶金動(dòng)力，2015（06）：39-41.

[5]高念周.首鋼京唐AV100-17高爐鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].東北大學(xué)，2016.

[6]周雪.FISHER氣動(dòng)防喘振閥控制系統(tǒng)位置改造在鼓風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行中的重要性[C]. 河北省冶金學(xué)會(huì).2013年河北省煉鐵技術(shù)暨學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.河北省冶金學(xué)會(huì)：河北省冶金學(xué)會(huì)，2013：626-628.