PCS串级控制实例
P C S串级控制实例 The latest revision on November 22, 2020
西门子 PCS7在焦炉温度控制中的应用
[摘要] 温度调节在连续过程控制中有着非常重要的作用。本文以焦炉火道为被控对象，阐述了在西门子PCS7环境下应用串级、前馈等复杂调节控制方式对焦炉火道温度进行自动调节的原理、编程实现以及如何正确投运的方法。
[关键词] 串级前馈 PCS7 温度控制焦炉
1引言
随着计算机技术的普及以及国内炼焦行业对生产技术要求以及焦炭质量的不断提高，应用复杂控制系统甚至于先进控制算法对焦炉温度进行控制已经成为提高焦化企业生产技术水平，增加经济和社会效益的有效手段之一。
焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰的热工过程，是一个典型的大惯性、非线性、时变快且受到多种扰动因素影响的复杂系统，其加热控制难度较其它工业窑炉要大得多【3】。传统意义上PLC或DCS系统通常应用的单回路PID控制方式已不能完全适应目前生产上对温度精确控制的需要。因此，应用较为先进的控制方式和手段对焦炉温度进行控制已成为各个焦化厂进行技术改造的必然趋势。经过工程实践检验，本文提出了一种基于DCS系统内的、应用西门子PCS系统自带的控制器构成的以反馈为主辅之以前馈来对焦炉火道温度进行控制的方案。
2 火道温度在焦炉生产中的作用
焦炉火道温度系在下降气流底部火嘴和鼻梁砖间的大砖温度，鉴于目前温度检测仪器上的原因以及火道温度点的特殊位置，实际的焦炉火道温度一般难以准确测量。目前国内焦化厂均采用火道直行温度来反映焦炉温度。焦炉全炉温度用机、焦侧侧温火道平均温度来代表，全炉总供热的调节（以加减煤气和空气的方式进行调节）应当使机、焦侧测温火道平均温度符合工艺所规定的标准温度，并保持稳定。作为衡量全炉温度的稳定性重要指标，反映焦炉稳定稳定性的指标一般用直行温度的安定系数Kc来衡量，Kc能否接近1并保持稳定，对焦炭质量的提高、降低耗热量以及延长焦炉炉龄至关重要【4】。
3 控制原理
传统PLC或DCS控制方式是当班炼焦测温工每隔四小时在交换前后从焦炉炉顶测量直行温度并计算出平均温度后，根据计算出来的平均温度与标准温度比较产生偏差进行煤气流量的增减以达到控制温度始终保持在标准温度允许范围内的偏差内。这种控制方式对温度和吸力的控制存在着比较大的滞后性，而且由于是人工加减煤气流量（或者压力），加之煤气热值随着供气设备的情况存在着不稳定性和操作人员主观上的偏差，实际操作时经常会造成温度大幅度
波动影响焦炉温度参数，从而影响焦炭质量和整个焦炉工况变化。因此，我们在以往简单控制系统的基础上采用了复杂控制系统中的串级控制方式进行炉温的调节。串级控制方案中分别以火道温度和煤气流量（或者煤气管道上的压力）为主、副回路的被控参数。采用这种控制方式就可以在测温工将直行火道温度测量并计算出平均值后转换为对应的流量值（或者压力值）输入进PID控制器上的设定值内，由控制器根据现场情况整定好的比例、积分或微分方式进行较为准确的调节，从而避免人为加减煤气流量而导致温度大起大落的现象。由于焦炉火道温度经常会随一系列因素（比如装煤量和装煤水分、加热煤气热值、空气过剩系数、检修时间等等）的变化而波动，因此，在串级控制基础上，如果现场具备煤气热值仪和煤水分在线检查仪表装置情况，还可以将煤气热值和煤水分参数引入控制系统中作为系统的前馈参数进行控制，效果会更好。控制原理见图2所示：
图2 控制原理图
4 控制策略
SIMATIC PCS7是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和 S5、S7系列可编程控制器的基础上，结合先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、冗余技术、现场总线技术、计算机技术以及先进自动化控制技术开
发的面向工业工艺过程控制应用场合的新一代过程控制系统【1】。作为一个真正意义上的DCS系统，PCS7系统在连续过程变量的处理和实现上体现出了其强大的功能，尤其是在处理连续过程变量控制以及进行复杂控制方面表现出了较大的优势。
根据焦炉生产中直行火道温度与流量（或者压力）之间的关系，焦炉火道温度控制系统也就完全可以用PCS7系统中集成的PID控制器来实现其控制要求。从系统原理分析中可以知道，炉温控制原理从结构上看其实就是一个串级调节系统，而串级系统其实就是一个双回路闭环系统，实质上是把两个PID调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为生产工艺要求的给定值。通常情况下串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率也低。基于此，为了提高系统的控制性能合品质，主副环的工作频率应错开在相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象而破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，可以起到改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程，避免扰动的产生。
PCS7环境下的串级控制回路由两个PID（FB61）控制器构成如图4所示，其中主回路控制器接收焦炉直行火道温度（由于在技术上火道温度难以在线检测，根据焦炉蓄热室顶部温度与火道温度存在着一定的数学关系，所以可以用蓄热室顶部温度通过拟合后得到的模拟火道温度进行替代，这样就使难以在线测量的火道温度模拟为连续变化的过程参数参与到串级控制系统中），其输出值送入副回路的外部给定设置点作为副回路的给定值；副回路接受加热煤气流量（或者压力）和主回路的外部设定值，其输出值送入串级控制器的执行机构，通过调节煤气管道上孔板的开度来达到调节火道温度的目的。主副调节控制器连接见图4。
图4 CFC串级连接图
在编程过程中主、副控制器具体管脚连接关系说明如下：
（1）主回路的PID的输入过程信号端PV_IN接收直行火道温度的变送器信号；
（2）主回路的PID的输入过程跟踪端LMN_TRK接收副回路PID的输出给定信号SP端信号；
（3）主回路的PID的输出操纵量LMN送入副回路PID的输入外部设定点SP_EXT；
（4）副回路的PID的输入过程信号端PV_IN接收来自开方后的标准状态下的流量信号；
（5）副回路的PID的输出操纵量LMN送入到串级回路的执行机构以控制阀门的开度达到调节目的；
（6）副回路的PID输出端的串级回路切除开关QCAS_CUT送入主回路PID输入端的外部跟踪设定开关LMN_SEL；
（7）副回路PID控制器中的DISV管脚接受煤气热值和煤水分在线参数进行前馈调节，为了更好的整定前馈系数，最好将煤气热值和煤水分参数在进入前馈前进行线性转换，也就是将有量纲的参数转换为无量纲的百分数后再进入DISV管脚。
经过编译上传到上位机后的PID控制器操作标准面板如图5所示：
图5 串级调节操作界面
5 投运步骤
先确定主调节器的控制目标设定值，然后手动调节副控制器的手动值，使阀门开度在适当的位置，将副调节器投入自动下，根据现场情况整定PID参数，使副调节器达到一个相对稳定的状态，将副调节器切换到外部给定下，最后将主调节器切换到自动控制并根据现场情况整定PID参数。如果有前馈控制的话，则还需要将前馈系数整定对话框设置在上位机画面上，以方便操作人员根据现场情况进行系数整定。
6 实施效果
应用西门子PCS7的CFC连续功能图实现焦炉火道温度的复杂调节，达到了对焦炉火道温度的比较精确的控制，保证了焦炉生产的需要，下表就是实施复杂控制系统前后某厂2＃焦炉直行温度的安定系数Kc的对比表，从表中我们可以发现，应用西门子PCS7系统内的控制器构成的复杂控制系统实施后，Kc 系数提高了30％左右。同时，实施复杂控制后也大大减少了由于焦炉温度波动大和频繁造成的环境污染，而且由于炉温实现了较为准确的调节调节，相比于单回路调节下使焦炉在接近极限温度下操作，大大缩短了结焦时间、提高了焦炉生产能力，从而有效的降低了焦炉耗热量。
7 结束语
经过工程实践，以上编程方法对焦炉火道温度的控制起到了比较良好的自动调节作用，与单回路系统相比，它克服了落在副环内的扰动，达到了比较满意的调节效果，符合工程上衡量自动控制系统稳定性（稳）、稳态精度（准）、动态过程（好）的要求【2】。不过，由于蓄热室顶部温度与火道温度的关系不仅仅是一个静态的简单数学关系，导致模拟火道温度有时难以正确反映焦炉实际温度情况，另外就是煤气热值仪以及煤水分在线检查仪器目前国内市场上存在着价格高、寿命短以及维护困难等因素，导致热值和煤水分测量难以满足前馈控制需求。因此，采用先进控制算法进行焦炉温度自动调节更能准确的进行控制，目前国内已经出现了包括由北京三博中自科技有限公司开发的焦炉自适应智能加热系统（Coke Intelligent Adaptive Heating System）在内的基于自适应火道模型，智能容错控制器以及基于精确模型的烟道吸力调节等先进控制算法的焦炉加热独立软件【5】，这也为日后焦炉温度全自动控制提供了更为准确、稳定的解决方案。