基于DCS的煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)精品

1、基于DCS的煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要加入WTO之后，我國(guó)焦炭行業(yè)在國(guó)際分工中的地位大大提高。隨著對(duì)加強(qiáng)煉焦行業(yè)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，要建設(shè)煉焦生產(chǎn)現(xiàn)代化的大型焦?fàn)t，以推進(jìn)煉焦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化升級(jí)。現(xiàn)代煉焦生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜龐大的生產(chǎn)過(guò)程，采用一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)對(duì)于提高焦炭及各種產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的效益是非常重要的。本設(shè)計(jì)主要是對(duì)焦?fàn)t的控制，因?yàn)槠渲苯佑绊懙浇固康馁|(zhì)量和生產(chǎn)的效益。本文采用集散控制系統(tǒng)，對(duì)煉焦過(guò)程中的焦?fàn)t、推煤、焦?fàn)t和熄焦過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，其重點(diǎn)在對(duì)焦?fàn)t煉焦中的各種參數(shù)，如溫度、壓力、流量等參數(shù)的檢測(cè)和自動(dòng)控制。本文的主要內(nèi)容包括對(duì)煉焦行業(yè)工藝的認(rèn)識(shí)和當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化控制的了解以及煉焦

2、行業(yè)的自動(dòng)化控制水平，提出自己基于集散控制系統(tǒng)的控制方案，其中詳細(xì)設(shè)計(jì)了對(duì)焦?fàn)t的溫度控制，集氣管、煤氣管的壓力流量控制和檢測(cè)，煙道吸力控制以及推煤車和熄焦車的連鎖控制；上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)，采用組態(tài)軟件進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的提取和管理，最終實(shí)現(xiàn)煉焦生產(chǎn)的“集中管理，分散控制”的控制思想。關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；集散控制；燃燒；立火道溫度；壓力The coking process based on DCS control system designAbstractAfter joining WTO, Chinese coke industry greatly improved i

3、n international division of labor in the status. With the strengthening of the industry of coking industry structure adjustment,we have to build a modern large coke coking production in order to promote industrial structure upgrade coking. Modern coking production process is an extremely complex hug

4、e production process, using a stability control system to improve the quality of products and various kinds of coke and the efficiency of enterprises is very important. This design is mainly for the control of coke, for it directly affects the quality and production of coke. By using distributed con

5、trol system, this paper designs the automatic control of coking process, coke, coal, coke oven and push out focal process, the emphasis on the various parameters of coke coke, such as temperature, pressure, and flow parameters such as automatic control and testing.The main contents include the proce

6、ss of coking industry knowledge and understanding of industrial automation control and coking industry automation on the monder, then it puts forward the control scheme based on the distributed control system, including the control scheme for the detailed design of coke oven temperature control, the

7、 collector, gas pipe pressure flow control and testing, the flue suction control and push out of the car and focal tram chain control. And in the realization of computer software, using configuration software to design the picture, realizing the real-time monitoring system and equipment status param

8、eters extraction and management, and finally it realizes the control of thought of centralized management and decentralized control to coking production.Key words: coke oven; distributed control; combustion; legislation flue temperature; stress目 錄摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 課題的來(lái)源及意義11.2 焦化行業(yè)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀21

9、.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展21.2.2 煉焦行業(yè)自動(dòng)控制應(yīng)用31.2.3 DCS系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程51.3 論文研究?jī)?nèi)容61.3.1 焦?fàn)t控制特點(diǎn)71.3.2 主要控制策略71.4 本章小結(jié)7第二章 煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)92.1 煉焦生產(chǎn)過(guò)程工藝92.1.1 煉焦工藝流程簡(jiǎn)介92.1.2 焦?fàn)t結(jié)構(gòu)工藝92.1.3 焦?fàn)t煤氣的輸送102.1.4 搗固煉焦技術(shù)102.1.5 熄焦技術(shù)102.1.6 煉焦其他附屬設(shè)備102.2 焦?fàn)t加熱煤氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)112.2.1 煉焦加熱煤氣選擇112.2.2 煉焦加熱煤氣控制方案112.2.3 控制算法設(shè)計(jì)132.3 焦?fàn)t火道溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)132.3.

10、1 溫度控制系統(tǒng)方案142.3.2 控制器設(shè)計(jì)142.3.3 溫度測(cè)量152.3.4 系統(tǒng)分析152.4 集氣管壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)162.4.1 控制系統(tǒng)方案162.4.2 PID參數(shù)的整定172.5 煙道吸力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)172.6 過(guò)程參量檢測(cè)182.7 本章小結(jié)19第三章 煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)203.1 DCS系統(tǒng)選型203.1.1 DCS系統(tǒng)選型原則203.1.2 集散控制系統(tǒng)規(guī)模及配置設(shè)計(jì)203.1.3 JX-300 DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)和技術(shù)性能213.1.4 系統(tǒng)規(guī)模223.2 PLC的選型223.2.1 S7-200系列PLC概述223.2.2 PLC型號(hào)選定243.3 儀表及

11、裝置的選擇243.3.1 流量計(jì)243.3.2 壓力檢測(cè)儀表243.3.3 溫度檢測(cè)儀表263.3.4 執(zhí)行器273.4 本章小結(jié)27第四章 煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)284.1 集散控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)284.1.1 基于RS-485總線的通信協(xié)議284.1.2 物理層協(xié)議設(shè)計(jì)294.1.3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)304.1.4 應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)314.1.5 協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)314.2 集散控制系統(tǒng)畫面組態(tài)設(shè)計(jì)334.2.1 MCGS組態(tài)軟件介紹334.2.2 煉焦生產(chǎn)畫面組態(tài)功能實(shí)現(xiàn)344.3 集散控制系統(tǒng)控制功能組態(tài)設(shè)計(jì)344.3.1 單回路PID功能組態(tài)實(shí)現(xiàn)354.3.2 串級(jí)控制功能組態(tài)

12、實(shí)現(xiàn)354.4 PLC裝煤推焦控制364.4.1 四車連鎖系統(tǒng)364.4.2 裝煤和推焦過(guò)程364.4.3 PLC控制流程374.5 本章小結(jié)38第五章 結(jié)束語(yǔ)395.1 結(jié)論395.2 展望39參考文獻(xiàn)41附錄A PLC梯形圖程序43附錄B 煉焦生產(chǎn)畫面組態(tài)圖48附錄C 煉焦生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)顯示49致 謝50第一章 引 言1.1 課題的來(lái)源及意義焦炭是廣泛用于高爐煉鐵、鑄造、電石、氣化及有色金屬冶煉等方面的一種燃料。我國(guó)煉焦煤資源豐富，煉焦生產(chǎn)規(guī)模世界最大，煉焦產(chǎn)品比較齊全，煉焦工業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。加入WTO之后，我國(guó)焦炭行業(yè)在國(guó)際分工中的地位大大提高，同時(shí)隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁發(fā)展，國(guó)內(nèi)焦炭需

13、求量也大幅增加。另外，發(fā)達(dá)國(guó)家由于對(duì)環(huán)境保護(hù)等原因，導(dǎo)致焦炭產(chǎn)量下降，加大了對(duì)我國(guó)的焦炭的依賴?，F(xiàn)有焦?fàn)t能力和在建的焦?fàn)t能力有35000萬(wàn)噸，生產(chǎn)的焦炭可夠生產(chǎn)5億噸鋼和各行業(yè)的需要，焦?fàn)t能力是超常過(guò)剩的。隨著對(duì)加強(qiáng)煉焦行業(yè)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，要盡快淘汰落后的小機(jī)焦，完善不配套的大型機(jī)焦?fàn)t，建設(shè)煉焦生產(chǎn)現(xiàn)代化的大型焦?fàn)t，以推進(jìn)煉焦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化升級(jí)，使煉焦行業(yè)全方位地向先進(jìn)行列發(fā)展。焦化行業(yè)是集冶煉、化工于一體的復(fù)雜性工藝，由于其生產(chǎn)環(huán)境惡劣，對(duì)于溫度、壓力、流量以及回路控制的要求比較高。煉焦?fàn)t是熱工窯爐中最為復(fù)雜的熱工設(shè)備，這不僅因?yàn)榛驹O(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更因?yàn)樗且粋€(gè)高溫化學(xué)反應(yīng)器；焦?fàn)t裝煤需要專用

14、的裝煤車，而焦炭成熟后則需要專用的推焦車、攔焦車和熄焦車來(lái)完成推焦操作。焦?fàn)t加熱生產(chǎn)還極易給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，如果焦?fàn)t控制不好，焦炭加熱不均勻，就會(huì)局部生焦造成出焦時(shí)冒黑煙，而且加熱煤氣燃燒不完全，也會(huì)產(chǎn)生大量黑煙；另外焦?fàn)t加熱控制的好壞，對(duì)焦炭質(zhì)量和爐體壽命都有重要直接影響。因此，需要根據(jù)生產(chǎn)條件與客觀變化因素及時(shí)不斷地對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到加熱制度合理、爐溫均勻穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)低能耗、高質(zhì)高產(chǎn)、減少環(huán)境污染和延長(zhǎng)爐體壽命的目的。所以，如何使控制系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用，提高生產(chǎn)效率，是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 1.2 焦化行業(yè)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展隨著電子信息技術(shù)和光電技術(shù)

15、等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而發(fā)生了許多變化，現(xiàn)在的工業(yè)自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。從應(yīng)用的行業(yè)性質(zhì)上分，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以分成以流程過(guò)程控制為主的過(guò)程控制系統(tǒng)（如各種DCS、回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)等）和以運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)控制為主運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（各種邏輯控制PLC和傳動(dòng)控制系統(tǒng)如CNC等）。在當(dāng)今龐大負(fù)載的工業(yè)生產(chǎn)中，集散控制系統(tǒng)和PLC控制是應(yīng)用極為廣泛的。我國(guó)國(guó)產(chǎn)DCS的攻關(guān)工作起步較早，基礎(chǔ)的引進(jìn)和吸收工作從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始。80年代初期就開(kāi)始了技術(shù)攻關(guān)工作。當(dāng)時(shí)，我國(guó)主要行業(yè)如電力、石化、建材和冶金等合作的DCS基本全部進(jìn)口，采用橫河公司、霍尼韋爾公司的控制系統(tǒng)。從90年代初我國(guó)開(kāi)始形成了幾家以自主研制為主的DCS

16、專業(yè)化公司，如北京的和利時(shí)公司和航天測(cè)控公司，杭州的浙大中控公司和威盛公司以及上海的新華公司等。到今天，其中的3個(gè)公司已經(jīng)達(dá)到了一定的規(guī)模，并分別進(jìn)入了過(guò)程自動(dòng)化的主要領(lǐng)域，在許多大型控制系統(tǒng)中其產(chǎn)品取代了進(jìn)口。當(dāng)今焦化行業(yè)的控制系統(tǒng)應(yīng)用最多的是PLC控制、集散控制（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制(FCS)。三種不同的控制系統(tǒng)都有各種的特點(diǎn)。1PLC（Programmable Logic Controller）（1）從開(kāi)關(guān)量控制發(fā)展到順序控制、運(yùn)送處理，是從下往上的。（2）連續(xù)PID控制等多功能，PID在中斷站中。（3）可用一臺(tái)PC機(jī)為主站，多臺(tái)同型PLC為從站。（4）可一臺(tái)PLC為主站，多臺(tái)同型PL

17、C為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。（5）PLC網(wǎng)格既可作為獨(dú)立DCS，也可作為DCS的子系統(tǒng)。（6）主要用于工業(yè)過(guò)程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。2DCS（Distributed Control System） （1）集散控制系統(tǒng)DCS是集4C（Communication、Computer、Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。 （2）從上到下的樹(shù)狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信（Communication）是關(guān)鍵。 （3）PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表與控制裝置。 （4）模擬信號(hào)，A/DD/A、帶微處理器的混合。 （5）一臺(tái)儀表一對(duì)線接到I/O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN

18、。 （6）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場(chǎng)儀表（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站）的3級(jí)結(jié)構(gòu)。 （7）缺點(diǎn)是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。 （8）用于大規(guī)模的連續(xù)過(guò)程控制，如石化等。 3FCS（Fieldbus Control System） （1）基本任務(wù)是：本質(zhì)（本征）安全、危險(xiǎn)區(qū)域、易變過(guò)程、難于對(duì)付的非常環(huán)境。 （2）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。 （3）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺(tái)儀器兩根線。 （4）在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。 （5）多變量、多節(jié)點(diǎn)、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)

19、。 （6）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。 （7）由現(xiàn)場(chǎng)電腦操縱，還可掛到上位機(jī)，接同一總線的上一級(jí)計(jì)算機(jī)。 （8）局域網(wǎng)，再可與internet相通。 （9）改變傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)入企業(yè)管理網(wǎng)。1.2.2 煉焦行業(yè)自動(dòng)控制應(yīng)用 PLC控制、集散控制及現(xiàn)場(chǎng)總線控制三種控制系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，在煉焦行業(yè)應(yīng)用廣泛。如介紹了DCS在兗礦焦化廠3#焦?fàn)t回爐煤氣主管壓力控制、集氣管壓力控制、安全報(bào)警與安全保障中的應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好，操作靈活方便，極大地提高了焦化廠的自動(dòng)化控制水平；四川德勝集團(tuán)攀枝花煤化工有限公司應(yīng)用DCS在焦?fàn)t集氣管壓力調(diào)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化控制，采用總管

20、吸力監(jiān)督控制，達(dá)到焦?fàn)t集氣管壓力的優(yōu)化，在工況穩(wěn)定的情況下，誤差控制可達(dá)到10Pa；柳鋼焦化廠在焦?fàn)t中的應(yīng)用JX-300X DCS系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制方案，使焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制投運(yùn)率達(dá)98%以上，有效地穩(wěn)定了焦?fàn)t控制參數(shù)，確保了生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)運(yùn)行。另外實(shí)用靈活的數(shù)據(jù)管理方式，為焦?fàn)t的生產(chǎn)和管理提供了技術(shù)支持；安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限公司在煉焦生產(chǎn)中的應(yīng)用Freelance2000集散控制系統(tǒng)， 投運(yùn)以來(lái)，焦?fàn)t直行溫度波動(dòng)明顯減小，煤氣壓力控制精度明顯提高，使得3號(hào)、4號(hào)焦?fàn)t的控制效果明顯改善，提高了成品焦碳的產(chǎn)量和質(zhì)量；濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司1#、2#焦?fàn)t控制采用ABB Freelance2

21、000控制系統(tǒng)， 系統(tǒng)自2004年1月運(yùn)行至今，以其優(yōu)越的性能滿足了煉焦過(guò)程實(shí)時(shí)控制的要求；安鋼5#、6#焦?fàn)t是新建的兩座80型焦?fàn)t，為配合工藝需要開(kāi)發(fā)了焦?fàn)t集散型計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)；南鋼聯(lián)煉鐵新廠焦化備煤系統(tǒng)采用一套施耐得Modicon TSX Quanturm系列PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，穩(wěn)定和改善了焦炭質(zhì)量；濟(jì)鋼焦化廠應(yīng)用數(shù)字化離線控制技術(shù)的儀控系統(tǒng)，其核心是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；山西中陽(yáng)鋼廠焦化采用和利時(shí)公司DCS系統(tǒng)，從管理上保證全廠安全穩(wěn)定、優(yōu)化長(zhǎng)效；濰坊鋼鐵集團(tuán)焦?fàn)t裝置采用浙大中控公司的SunyTDCS9200集散控制系統(tǒng)作為控制裝置，控制效果良好，數(shù)據(jù)共享，減輕了工人的勞動(dòng)量，大大提高了工作

22、效率。唐鋼煉焦1、2號(hào)焦?fàn)t采用集散控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)行表明，煉焦1、2號(hào)爐工藝參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，系統(tǒng)管理功能和輔助功能工作發(fā)揮正常，對(duì)焦?fàn)t加熱系統(tǒng)控制和集氣管壓力的控制效果完全滿足了工藝生產(chǎn)，節(jié)省了大量煤氣，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減輕了對(duì)環(huán)境的污染，改善了操作條件 ；三明鋼鐵集團(tuán)公司焦化廠選用Honeywell新一代MINI DOC UMC800作為控制系統(tǒng)，穩(wěn)定了焦?fàn)t的熱工制度，穩(wěn)定和提高了焦炭質(zhì)量，增加了煤氣外送量，降低煤氣消耗；有某些煤化工中應(yīng)用的是威盛DCS系統(tǒng)。雖然三種不同的控制系統(tǒng)有各自的特點(diǎn)，但在應(yīng)用過(guò)程中是可以相互滲透。山西萬(wàn)鑫達(dá)焦化有限公司控制系統(tǒng)應(yīng)用以西門子S7

23、-300可編程序控制器為核心的DCS控制系統(tǒng)，有效解決了焦?fàn)t控制系統(tǒng)中存在的多焦?fàn)t集氣管壓力耦合問(wèn)題，工作穩(wěn)定可靠；常州市耐斯工控工程有限公司開(kāi)發(fā)了一套PLC的熱媒爐DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用在萬(wàn)鑫達(dá)焦化廠監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用效果熱效率高、安全可靠。1.2.3 DCS系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程1975年HoneweH公司推出的TDC2000集散控制系統(tǒng)是一個(gè)具有許多微處理器的分級(jí)控制系統(tǒng)， 以分散的控制設(shè)備來(lái)適應(yīng)分散的過(guò)程對(duì)象，并將它們通過(guò)數(shù)據(jù)高速公路與基于CRT的操作站相連接，互相協(xié)調(diào)，一起實(shí)施實(shí)時(shí)工業(yè)過(guò)程的控制和監(jiān)測(cè)。第二代產(chǎn)品的特點(diǎn)是采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信向標(biāo)準(zhǔn)化遷移、板級(jí)模塊化、單元結(jié)構(gòu)化，使之具有更

24、強(qiáng)適應(yīng)性和可擴(kuò)充性，控制功能更加完善，它能實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、順序控制和批量控制功能。第三代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了高一層次的信息管理系統(tǒng)。其共同特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式的系統(tǒng)通信，向上能與Ethemet接口，或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接器與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成復(fù)合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場(chǎng)總線，它使得過(guò)程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。當(dāng)今DCS向綜合化、開(kāi)放化發(fā)展。開(kāi)放性的結(jié)構(gòu)將方便地與指揮生成管理的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼出現(xiàn)。如智能變送器、可編程調(diào)節(jié)器、智能PID自整定控

25、制、智能人機(jī)接口，以至于智能DCS。在石油、化工、鋼鐵、電力等行業(yè)，DCS之所以能夠壟斷二十年之久，它的主要優(yōu)勢(shì)是與常規(guī)儀表控制相比，具有可靠、可組態(tài)編程、具有流程圖畫面，并具有數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、報(bào)表打印等功能，完全切合了工廠的實(shí)際應(yīng)用和需求。集散控制系統(tǒng)(DCS)，是以多個(gè)微處理機(jī)為基礎(chǔ)利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和冗余技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)分散控制對(duì)象的調(diào)節(jié)、監(jiān)視管理的控制技術(shù)。其特點(diǎn)是以分散的控制適應(yīng)分散的控制對(duì)象，以集中的監(jiān)視和操作達(dá)到掌握全局的目的。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和可擴(kuò)展性。集散控制系統(tǒng)一般有四部分組成：（1）過(guò)程輸入輸出裝置；（2）過(guò)程控制裝置；（3）操作接口；（

26、4）數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1 集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.3 論文研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)以煉焦生產(chǎn)過(guò)程為研究對(duì)象，最主要的是焦?fàn)t立火道溫度進(jìn)行控制，選擇混煤氣的流量為被控變量，通過(guò)流量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外還有對(duì)荒煤氣集氣管、小煙道吸力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以及其他各點(diǎn)溫度、壓力的檢測(cè)。除對(duì)焦?fàn)t的控制以外，還有對(duì)裝煤、推焦、熄焦自動(dòng)聯(lián)鎖控制，通過(guò)集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的“集中管理，分散操作”的生產(chǎn)管理理念。1.3.1 焦?fàn)t控制特點(diǎn)焦?fàn)t控制系統(tǒng)主要完成焦化廠生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，具有以下特點(diǎn)：1對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)如煤氣主管流量、焦?fàn)t溫度等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)控制；2所有控制都具備手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換

27、功能，閉環(huán)控制中可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)轉(zhuǎn)換；3各檢測(cè)點(diǎn)溫度、壓力顯示和存儲(chǔ)功能；4全中文化的操作界面。1.3.2 主要控制策略1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集主要采集焦?fàn)t的溫度、壓力、流量等參數(shù)，顯示在動(dòng)態(tài)工藝流程圖畫面上，這些參數(shù)中的主要參數(shù)均具有超限報(bào)警、歷史保存功能。2煉焦過(guò)程自動(dòng)控制（1）焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣流量控制；（2）焦?fàn)t火道溫度控制系統(tǒng)；（3）集氣管、煙道吸力控制；（4）裝煤、推焦、熄焦控制；另外檢測(cè)點(diǎn)有：焦?fàn)t煤氣溫度、壓力檢測(cè)，高爐煤氣壓力檢測(cè)；混煤氣主管壓力檢測(cè)；機(jī)、焦側(cè)煤氣壓力檢測(cè)，蓄熱室、燃燒室、炭化室多點(diǎn)溫度檢測(cè)等。1.4 本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)煉焦行業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的了解，對(duì)當(dāng)今煉焦行

28、業(yè)工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用有了初步的認(rèn)識(shí)，提出了基于集散控制系統(tǒng)的煉焦控制方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)煉焦工藝的了解，將集散控制應(yīng)用于煉焦中重要的控制點(diǎn)，如焦?fàn)t溫度、煤氣流量及集氣管吸力等，以提高焦炭的質(zhì)量，增加企業(yè)的效益。第二章 煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 煉焦生產(chǎn)過(guò)程工藝2.1.1 煉焦工藝流程簡(jiǎn)介煉焦是爐煤經(jīng)過(guò)高溫干餾轉(zhuǎn)化為焦炭、焦?fàn)t煤氣和化學(xué)產(chǎn)品的工藝過(guò)程。即煤炭焦化。指主要從硬煤和褐煤中生產(chǎn)焦炭、煤氣、干餾炭及煤焦油或?yàn)r青等副產(chǎn)品的煉焦?fàn)t的操作活動(dòng)?，F(xiàn)代焦炭生產(chǎn)過(guò)程分為洗煤、配煤、煉焦和產(chǎn)品處理等工序。煉焦流程工藝如圖2.1所示。圖2.1 煉焦工藝流程圖2.1.2 焦?fàn)t結(jié)構(gòu)工

29、藝焦?fàn)t是一種將炭化室中的煤料隔絕空氣加熱使之生成焦炭的工業(yè)窯爐，由炭化室、燃燒室、斜道區(qū)和蓄熱室及爐頂區(qū)等組成。1炭化室是一個(gè)長(zhǎng)方形的空間，燃料在其中進(jìn)行加熱煉焦，一般炭化室寬0.40.5m、長(zhǎng)1017m、高47.5m。熱源來(lái)自兩旁的燃燒室。2燃燒室在炭化室的兩旁，長(zhǎng)度與炭化室相同，高度比炭化室略低。3蓄熱室位于炭化室和燃燒室的下部，通過(guò)斜道與燃燒室相連。4斜道區(qū)位于燃燒室和蓄熱室之間，以其中的斜道把燃燒室和炭化室聯(lián)通。5爐頂區(qū)設(shè)有炭化室裝煤孔，燃燒室火道看火孔及荒煤氣導(dǎo)入集氣系統(tǒng)的上升管等。2.1.3 焦?fàn)t煤氣的輸送煉焦?fàn)t出來(lái)的焦?fàn)t煤氣經(jīng)集氣管、吸氣管、初冷器、捕焦油器、回收氨和苯的系統(tǒng)等一

30、系系列的設(shè)備，然后才能變成凈煤氣送給不同的用戶，或送至貯罐。在這一過(guò)程中煤氣要克服許多阻力才能達(dá)到用戶的地點(diǎn)，為此，煤氣應(yīng)具有足夠的壓力。另外，為了使焦?fàn)t內(nèi)的荒煤氣按規(guī)定的壓力制度抽出，要使煤氣管線中具有一定的吸力。因此，必須在焦化工藝的流程中，選擇合理的位置設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，使得機(jī)前為負(fù)壓，機(jī)后為正壓。2.1.4 搗固煉焦技術(shù)搗固煉焦工藝是在煉焦?fàn)t外采用搗固設(shè)備，煉焦配合煤按炭化室的大小，搗打成略小于炭化室的煤餅，將煤餅從炭化室的側(cè)面推入炭化室進(jìn)行高溫干餾。成熟的焦炭由搗固推焦機(jī)從炭化室內(nèi)推出，經(jīng)攔焦車、熄焦車將其送至熄焦塔，以水熄滅后再放到?jīng)鼋古_(tái)，由膠帶運(yùn)輸經(jīng)篩焦分成不同粒級(jí)的商品焦炭。2.1.

31、5 熄焦技術(shù) 熄焦方法有干法和濕法兩種。濕法熄焦是把紅熱焦炭運(yùn)至熄焦塔，用高壓水噴淋6090s。干法熄焦簡(jiǎn)稱“干熄焦”，其基本原理是采用冷的惰性氣體在干熄爐中與熾熱的焦炭進(jìn)行熱交換從而冷卻焦炭，被冷卻的惰性氣體再由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐用以冷卻紅焦。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的濕法熄焦技術(shù)中的余熱資源浪費(fèi)，以及含有粉塵和有毒、有害物質(zhì)的霧氣對(duì)大氣環(huán)境嚴(yán)重污染的現(xiàn)象，是焦化行業(yè)技術(shù)裝備水平的重要標(biāo)志。2.1.6 煉焦其他附屬設(shè)備1裝煤推焦車裝煤推焦車為搗固焦?fàn)t專用機(jī)械，其作用是將由搗固機(jī)搗成的煤餅推入炭化室，打開(kāi)與關(guān)閉機(jī)側(cè)爐門，將成熟的焦炭推到熄焦車上。 2攔焦車 攔著從炭化室推出來(lái)的焦炭落到熄焦車上，并打開(kāi)

32、，清掃與關(guān)閉焦側(cè)的爐門。3熄焦車(或干法熄焦裝置) 接收推出的赤熱焦炭運(yùn)到熄焦塔內(nèi)噴水，將赤熱焦炭熄滅，然后卸在涼焦臺(tái)上冷卻。2.2 焦?fàn)t加熱煤氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2.1 煉焦加熱煤氣選擇焦?fàn)t加熱用的氣體燃料主要是高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣發(fā)熱值高，在正常生產(chǎn)時(shí)，煤氣熱值波動(dòng)不大，便于調(diào)火操作；但高溫時(shí)能分解出石墨容易在噴嘴上掛接，影響燃燒。另外，焦?fàn)t煤氣與空氣混合到一定的比例時(shí)易產(chǎn)生爆炸。高爐煤氣中不燃燒成分多，發(fā)熱值很低；燃燒速度慢，燃燒火焰比較長(zhǎng)，含塵量高。煤氣熱值低，對(duì)焦?fàn)t加熱是不利的，使焦?fàn)t的熱工效率低、耗熱量高、煤氣用量大，所產(chǎn)生的廢氣量多，從而使加熱設(shè)備和加熱系統(tǒng)阻力增大，甚至造

33、成煤氣設(shè)備能力和煙囪吸力不足。因此，為了提高煤氣的熱值，可向高爐煤氣內(nèi)混入一定量的焦?fàn)t煤氣。2.2.2 煉焦加熱煤氣控制方案用混合煤氣加熱，煤氣流量的調(diào)節(jié)有三種方法：1在調(diào)節(jié)幅度不大，又在一定的混合比范圍內(nèi)，一般采用固定焦?fàn)t煤氣量調(diào)節(jié)高爐煤氣的調(diào)節(jié)方法，這樣爐溫比較穩(wěn)定。2采用比例調(diào)節(jié)裝置按比例調(diào)節(jié)兩種煤氣流量，可保持混合比不變。3當(dāng)采用熱值指數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)固定高爐煤氣流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣流量，使焦?fàn)t總供熱穩(wěn)定，且壓力制度也穩(wěn)定。在本設(shè)計(jì)中，高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣采用比值控制，使混合比保持不變。單閉環(huán)比值控制如圖2.2所示。因?yàn)榻範(fàn)t煤氣的流量很少，最高不超過(guò)7%，所以要保持焦?fàn)t煤氣為定值且保證

34、沒(méi)有大干擾，主要對(duì)高爐煤氣進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖2.2 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)用混合煤氣加熱，焦?fàn)t煤氣混入量占總量的百分比成為混合比。體積混合比是指焦?fàn)t煤氣混入體積占總體積的百分比，其計(jì)算式如下：體積混合比= 式中，、焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣的體積流量，。在正常結(jié)焦時(shí)間，在斜道口調(diào)節(jié)磚不作變化的情況下，體積混合比為3%5%比較合適。 使用不同混合比的煤氣加熱，所需的空氣量和產(chǎn)生的廢氣量不同，造成加熱系統(tǒng)阻力也不同，因而所需要的吸力也不同，根據(jù)計(jì)算和時(shí)間可知，混合比增加1%，分煙道吸力至少5Pa左右。因此為穩(wěn)定加熱制度，要求混合比變化在0.5%之內(nèi)。2.2.3 控制算法設(shè)計(jì)在集散控制系統(tǒng)中，要把PID控制算法進(jìn)行離

35、散化處理，以便實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。本設(shè)計(jì)采用離散PID控制算法中的增量算法。增量式算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。增量式算法得出的是控制量的增量，例如在閥門控制中，只輸出閥門開(kāi)度的變化部分，誤差動(dòng)作影響小，必要時(shí)還可通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。增量式算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。在焦?fàn)t管道中執(zhí)行機(jī)構(gòu)多帶積分部件，因此應(yīng)當(dāng)選用增量式算式。PID控制增量算法為相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差，即 (21)設(shè) 則 (22)式(21) 或式22)是理想PID控制增量，其輸出表示閥位的增量，控制閥每次只按增量

36、的大小動(dòng)作。流量系統(tǒng)是典型的快過(guò)程，往往具有噪聲，宜采用PI控制器，且比例度要大，積分時(shí)間可小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，參數(shù)設(shè)置為P(%) 40100，(min) 0.11。2.3 焦?fàn)t火道溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)焦?fàn)t是結(jié)構(gòu)獨(dú)特的工業(yè)爐窯，焦?fàn)t火道溫度穩(wěn)定性直接關(guān)系到焦炭質(zhì)量和爐體壽命。因此，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱燃燒過(guò)程控制，對(duì)于降低焦?fàn)t能耗、提高焦炭質(zhì)量、延長(zhǎng)焦?fàn)t壽命、減少環(huán)境污染和改善勞動(dòng)條件都具有非常重要的意義。2.3.1 溫度控制系統(tǒng)方案調(diào)節(jié)焦?fàn)t火道溫度，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)混合煤氣的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以，煤氣流量的控制是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣采用比值控制系統(tǒng)，焦?fàn)t煤氣按一定的比例混合混合到高爐煤氣主管，再

37、到各支管送到燃燒室進(jìn)行燃燒。爐溫控制主要依靠調(diào)節(jié)混煤氣主管流量，煤氣流量和溫度控制器構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。如圖2.3、2.4所示。圖2.3 雙閉環(huán)串級(jí)控制方框圖圖2.4 雙閉環(huán)串級(jí)控制示意圖2.3.2 控制器設(shè)計(jì)主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，主控制器起著定值控制的作用，為了主變量的穩(wěn)定，并且溫度存在滯后性，主控制器宜選擇PID控制器根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)PID參數(shù)的設(shè)定P（%） 2060 ， 310， 0.53。副回路是隨動(dòng)回路，允許誤差存在。從這個(gè)角度講，副控制器不需要積分作用。但是有時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生很大的余差，考慮到有時(shí)副回路單獨(dú)運(yùn)行，大的余差存在是不合適的。另外，因?yàn)榱髁扛被芈窐?gòu)成的等效環(huán)節(jié)比主對(duì)象的動(dòng)態(tài)滯后

38、要小得多，副控制器增加積分也不太影響主回路性能，所以流量副控制器采用PI控制器。主、副控制器正、反作用的選擇順序是先副后正。執(zhí)行器閥門為氣開(kāi)式，可判斷副控制器為反作用，然后可判斷主控制器為反作用。2.3.3 溫度測(cè)量在本系統(tǒng)中采用的是利用熱電偶直接測(cè)量火道溫度的，在燃燒室內(nèi)，分別在其上部，中部和下部各安裝一定數(shù)量的熱電偶，直接測(cè)量焦?fàn)t內(nèi)部的溫度。然后通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)量的溫度取平均值就能計(jì)算出焦?fàn)t實(shí)際的直行溫度。2.3.4 系統(tǒng)分析 主回路控制器接收焦?fàn)t直行火道溫度，其輸出值送入副回路的外部給定設(shè)置點(diǎn)作為副回路的給定值；副回路接收加熱煤氣流量和主回路的外部設(shè)定值，其輸出值送入串級(jí)控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通

39、過(guò)調(diào)節(jié)煤氣管道上孔板的開(kāi)度來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)火道溫度的目的。擾動(dòng)作用在副回路：若混煤氣流量發(fā)生變化時(shí)，由于溫度變化的滯后性，它對(duì)蓄熱室頂部溫度的影響緩慢。首先副調(diào)節(jié)器及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變煤氣流量以維持火道溫度。若擾動(dòng)量小，經(jīng)過(guò)副回路及時(shí)控制后，一般不影響火道溫度。在大幅擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，大部分被副回路克服，小部分影響則被主回路消除，從而加速了克服擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，使火道溫度盡快恢復(fù)到設(shè)定值上來(lái)。 擾動(dòng)作用在主回路：當(dāng)其它因素影響到火道溫度時(shí)，如入爐煤參數(shù)發(fā)生變化，則由主調(diào)節(jié)器發(fā)揮控制作用，即改變高爐煤氣流量的設(shè)定值。此時(shí)雖然副回路不能克服擾動(dòng)，但由于副回路的存在而改善了過(guò)程特性，因而控制質(zhì)量有所提高。 擾動(dòng)同時(shí)

40、作用在主、副回路：若擾動(dòng)同時(shí)使主、副變量按同一方向變化，即主、副變量同時(shí)升高或降低，此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，加強(qiáng)了控制作用，提高了控制質(zhì)量。若擾動(dòng)同時(shí)使主、副變量按相反方向變化，即此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是相反的，閥門開(kāi)度做小的變化就能達(dá)到控制要求，同時(shí)加強(qiáng)了控制作用，提高了控制質(zhì)量。2.4 集氣管壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證集氣管壓力的穩(wěn)定是焦?fàn)t正常生產(chǎn)的主要指標(biāo)，集氣管壓力值穩(wěn)定與否，直接涉及到焦?fàn)t的正常生產(chǎn)和使用壽命。在焦?fàn)t煉焦過(guò)程中，會(huì)有大量的荒煤氣產(chǎn)生，荒煤氣由集氣管收集，通過(guò)輸氣管網(wǎng)由鼓風(fēng)機(jī)送往后續(xù)工段處理。當(dāng)爐體內(nèi)操作形成負(fù)壓時(shí)，空氣就會(huì)從爐門、爐蓋等處進(jìn)入爐體

41、，導(dǎo)致焦炭燃燒、灰分增加、焦炭質(zhì)量下降。進(jìn)入的空氣還會(huì)同爐體建筑材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致?tīng)t體剝蝕，縮短爐體使用壽命；空氣還會(huì)促使荒煤氣燃燒，使煤氣系統(tǒng)溫度增高，從而加重了冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生不必要的能源消耗。當(dāng)爐體內(nèi)的壓力過(guò)高時(shí)，荒煤氣將會(huì)從爐門、爐蓋等處冒出，一方面造成跑煙冒火，污染環(huán)境；另一方面降低了荒煤氣的回收率，造成能源的浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及鼓風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。所以必須對(duì)集氣管壓力進(jìn)行控制，使其維持在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)。2.4.1 控制系統(tǒng)方案目前的控制方案以PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，在正常工況時(shí)，采用PI單回路調(diào)節(jié)集氣管壓力，以保證集氣管壓力均衡。圖2.5 焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)圖在焦?fàn)t集氣管壓

42、力控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用防爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)閥門，控制器的輸出相對(duì)于控制量的增加，此時(shí)控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量式控制算法。算式為其輸出表示閥位的增量，控制閥每次只按增量的大小動(dòng)作。2.4.2 PID參數(shù)的整定在焦?fàn)t集氣管壓力控制系統(tǒng)中，先采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法初定PID參數(shù)，再采用湊式法確定PID參數(shù)。在湊試時(shí)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分的整定步驟。 1首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，則只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。2在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能達(dá)到要

43、求，加入積分環(huán)節(jié)。是首先置積分時(shí)間為較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小為原來(lái)的0.8倍，然后減少積分時(shí)間，是在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜態(tài)誤差得到消除。在此過(guò)程中，根據(jù)響應(yīng)曲線好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以得到滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。2.5 煙道吸力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)焦?fàn)t機(jī) 、焦側(cè)分煙道內(nèi)均裝有閥門以調(diào)節(jié)吸力，機(jī)、焦側(cè)分煙道匯入總煙道與煙窗連通，焦?fàn)t加熱燃燒所需空氣是靠爐內(nèi)負(fù)壓吸入，改變分煙道閥門開(kāi)度，可改變分煙道吸力并使?fàn)t中負(fù)壓發(fā)生相應(yīng)的變化，從而改變供給燃燒用的空氣量，焦?fàn)t加熱量的增減要視爐溫情況進(jìn)行調(diào)整，為使加熱量改變時(shí)仍能使燃燒趨于合理，就有必要調(diào)整分煙道吸力， 同時(shí)

44、煤氣熱值等因素的變化，對(duì)燃燒所需空氣量理應(yīng)有相應(yīng)的變化，保持分煙道吸力的穩(wěn)定，可保持爐內(nèi)負(fù)壓的穩(wěn)定。焦?fàn)t的空氣量用機(jī)焦側(cè)廢氣盤進(jìn)風(fēng)口和煙道吸力來(lái)控制，它們隨著結(jié)焦時(shí)間的長(zhǎng)短和所用煤氣的多少而改變，要保證合理的空燃比，就要求煙道吸力控制在一定值(-250Pa)。為了保證結(jié)焦末期炭化室底部壓力為正壓，從而保證焦?fàn)t吸力制度的穩(wěn)定，減少焦?fàn)t冒煙冒火現(xiàn)象。對(duì)于煉焦機(jī)側(cè)焦側(cè)分煙道吸力，PID常規(guī)算法就能滿足工藝要求，但是，由于這些參數(shù)變化較大時(shí)具有一定的安全隱患，有可能造成煙道暴炸。因此，PID參數(shù)設(shè)置一定要合理和穩(wěn)妥，一般不用微分作用，積分作用適當(dāng)加強(qiáng)，比例作用調(diào)整到3：1衰減幅度即可。在此一般設(shè)定為：

45、比例帶為105%，積分時(shí)間為25s?？刹捎迷隽渴娇刂品桨?，具體算式如下：式中：為第n次輸出增量；為第n次采樣偏差；T為采樣周期；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)；為比例帶系數(shù)。2.6 過(guò)程參量檢測(cè)在煉焦過(guò)程中，重要的參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)如下表2.1所示。表2.1 參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)燃燒室立火道11001450蓄熱室頂部溫度9001320爐頂空間溫度80030,小煙道溫度350450高爐煤氣溫度不得超過(guò)35集氣管溫度80100焦餅中心溫度100050炭化室頂部溫度13001350集氣管溫度80100焦?fàn)t煤氣溫度505煤氣壓力600Pa1000Pa炭化室吸力20 Pa 30 Pa煙道吸力250Pa集氣管吸力300 P

46、a 350 Pa2.7 本章小結(jié)本章主要是對(duì)煉焦控制方案的設(shè)計(jì)。從煉焦工藝到煉焦設(shè)備以及技術(shù)有了初步的認(rèn)識(shí)，然后完成了對(duì)煉焦生產(chǎn)過(guò)程的控制，主要是對(duì)焦?fàn)t中煤氣流量，立火道溫度、集氣管和煙道吸力的控制。第三章 煉焦生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 DCS系統(tǒng)選型目前，由于集散控制系統(tǒng)(DCS)的優(yōu)越性，越來(lái)越多的工業(yè)自動(dòng)化工程都廣泛的采用DCS。國(guó)內(nèi)冶金、化工、電力、紡織、輕工等行業(yè)引進(jìn)了上千套DCS，也有不少企業(yè)采用國(guó)產(chǎn)DCS。但是，國(guó)內(nèi)外DCS品種多，型號(hào)不統(tǒng)一，應(yīng)用場(chǎng)合各有側(cè)重，在選用DCS時(shí)，一定要了解DCS的功能和應(yīng)用場(chǎng)合，以達(dá)到提高企業(yè)效益的目的。3.1.1 DCS系統(tǒng)選型原則1技術(shù)原

47、則（1）按功能要求，選擇適合生產(chǎn)過(guò)程控制要求的DCS產(chǎn)品，并留有一定的余量。（2）在本行業(yè)運(yùn)行成功，并有兩個(gè)或以上的應(yīng)用實(shí)例。（3）供貨公司新設(shè)計(jì)的DCS產(chǎn)品。2經(jīng)濟(jì)原則同其他控制系統(tǒng)一樣，選擇DCS時(shí)，首先要考慮項(xiàng)目的投資規(guī)模、性能價(jià)格及投資回收率這樣的一些經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。建設(shè)項(xiàng)目決定了選擇DCS的大、中、小系統(tǒng)。投資回收年限(T)等于初始投資費(fèi)用(C)除以年經(jīng)濟(jì)效益()。T值越小，表示投資回收率越高。3售后服務(wù)原則 選擇DCS，還要考慮那些信譽(yù)好的公司的DCS產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品和技術(shù)培訓(xùn)提供服務(wù)。3.1.2 集散控制系統(tǒng)規(guī)模及配置設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)基于集散控制系統(tǒng)對(duì)煉焦生產(chǎn)的控制采用浙大中控的JX-300 D

48、CS系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括2個(gè)操作站、1個(gè)工程師站。控制站采用冗余方式，以提高其可靠性。同時(shí)為保證各調(diào)節(jié)控制部分的安全、實(shí)用性，又加裝一個(gè)手操器柜?？刂普九c操作站之間由雙重化冗余通訊總線連接。I/0卡件采用了全智能化的設(shè)計(jì)，卡件的通用性大大增強(qiáng)，并且使得卡件級(jí)的冗余得以實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的失效率。系統(tǒng)配置圖見(jiàn)圖3.1。圖3.1 系統(tǒng)配置圖3.1.3 JX-300 DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)和技術(shù)性能JX-300X的基本組成包括工程師站、操作站、控制站、通訊網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)除了模擬量信號(hào)輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、回路控制等常規(guī)DCS的功能外，還具有高速數(shù)字量處理、高速順序事件記錄、可編程邏輯控制等功能，

49、它提供了功能塊圖、梯形圖等直觀圖形組態(tài)。系統(tǒng)卡件采用冗余配置，I/O信號(hào)全部采用磁隔離或光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)對(duì)地隔離，對(duì)系統(tǒng)電源隔離和相互之間隔離，有效消除發(fā)信號(hào)之間的共模干擾和串模干擾的影響，提高了信號(hào)采集處理的可靠性。所有卡件都有帶電插拔功能，方便檢修。系統(tǒng)軟件基于中文Windows NT開(kāi)發(fā)，用戶界面友好，所有的命令都化為形象直觀的功能圖標(biāo)。控制方案一般為常規(guī)控制手操器、單回路PID、串級(jí)PID、單回路前饋等常規(guī)控制，系統(tǒng)提供的控制方案基本都能滿足，特殊要求的控制，可根據(jù)實(shí)際需要，自己定義控制方案，通過(guò)語(yǔ)言編程和圖開(kāi)拓編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。冗余電源供電采用雙電源控制（包括UPS不間斷電源），配

50、置兩路AC/DC的隔離轉(zhuǎn)換器，都具有電源冗余邏輯電路、故障自動(dòng)切換和報(bào)警。3.1.4 系統(tǒng)規(guī)模系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)見(jiàn)下表3.1。表3.1 系統(tǒng)輸出點(diǎn)數(shù)信號(hào)類型I/O點(diǎn)數(shù)冗電數(shù)總點(diǎn)數(shù)模擬量輸入（AI）420mA15030180熱電阻1616熱電偶2121模擬量輸出（AO）5050開(kāi)關(guān)量輸入（DI）303060開(kāi)關(guān)量輸出（DO）20203.2 PLC的選型3.2.1 S7-200系列PLC概述S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化

51、控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等；強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，具有極高的性價(jià)比。S7-200PLC具有下列特點(diǎn)：1集成的24V電源可直接連接到傳感器和變送器執(zhí)行器，CPU 221和CPU222具有180mA 輸出。CPU224輸出280mA，CPU 226、CPU 226XM輸出400mA 可用作負(fù)載電源。2高速脈沖輸出具有2 路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達(dá)20KHz，用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。3通信口CPU 221、CPU222和CPU224具有1個(gè)RS-485通信口。CPU 226、CP

52、U 226XM具有2個(gè)RS-485通信口。支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。4模擬電位器CPU221/222有1個(gè)模擬電位器，CPU224/226/226XM有2個(gè)模擬電位器。模擬電位器用來(lái)改變特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行時(shí)的參數(shù)。如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，過(guò)程量的控制參數(shù)。5中斷輸入允許以極快的速度對(duì)過(guò)程信號(hào)的上升沿作出響應(yīng)。6EEPROM 存儲(chǔ)器模塊（選件）可作為修改與拷貝程序的快速工具，無(wú)需編程器并可進(jìn)行輔助軟件歸檔工作。7電池模塊用戶數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器）可通過(guò)內(nèi)部的超級(jí)電容存儲(chǔ)大約5 天。選用電池模塊能延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間到2

53、00天（10年壽命）。電池模塊插在存儲(chǔ)器模塊的卡槽中。8不同的設(shè)備類型CPU 221226 各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。9數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)CPU 221具有6個(gè)輸入點(diǎn)和4個(gè)輸出點(diǎn)；CPU 222具有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)；CPU 224 具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)；CPU226/226XM 具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。CPU22X主機(jī)的輸入點(diǎn)為24V直流雙向光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流兩種類型。10高速計(jì)數(shù)器CPU 221/222有4個(gè)30KHz高速計(jì)數(shù)器，CPU224/226/226XM有6個(gè)30KHz的高速計(jì)數(shù)器，用于捕捉比CPU掃描頻率更快的脈沖信

54、號(hào)。3.2.2 PLC型號(hào)選定根據(jù)控制要求，在裝煤推焦熄焦過(guò)程中都是對(duì)車啟動(dòng)、停止和連鎖保護(hù)，都是開(kāi)關(guān)量的控制。在裝煤、推焦、熄焦過(guò)程都是在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成；在控制現(xiàn)場(chǎng)裝有光電傳感器，車行走到某個(gè)位置觸發(fā)傳感器發(fā)出信號(hào)送給PLC，然后PLC定時(shí)或者執(zhí)行其他輸出。根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)，可選擇S7-200系列的CPU226，具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，即可完成控制任務(wù)，同時(shí)具有通信模塊，可實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)通信。3.3 儀表及裝置的選擇3.3.1 流量計(jì)流量計(jì)的選擇在本系統(tǒng)顯得尤為重要。在煤氣流量控制過(guò)程中需要很多的流量計(jì)，因此，能否選擇出合適的流量計(jì)滿足測(cè)量精度、安裝方便的流量計(jì)會(huì)直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的

55、控制效果。流量測(cè)量方法和儀表種類繁多，分類方法也很多，按測(cè)量目的可分為總量測(cè)量和流量測(cè)量，其儀表稱作總量表和流量計(jì)；目前最流行、使用最廣泛的是容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)等。在過(guò)程檢測(cè)中，需要進(jìn)行流量檢測(cè)的有焦?fàn)t、高爐煤氣流量檢測(cè)，混煤氣流量檢測(cè)，機(jī)側(cè)、焦側(cè)混煤氣流量檢測(cè)。這些檢測(cè)點(diǎn)都是對(duì)煤氣的流量進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)煤氣的特點(diǎn)，可選擇差壓式流量計(jì)，節(jié)流裝置采用孔板。3.3.2 壓力檢測(cè)儀表在焦?fàn)t控制過(guò)程中，壓力檢測(cè)點(diǎn)很多，有高爐、焦?fàn)t煤氣壓力檢測(cè)，混煤氣主管壓力檢測(cè)，機(jī)側(cè)、焦側(cè)煤氣壓力檢測(cè)，集氣管壓力檢測(cè)，煙道吸力檢測(cè)，爐膛壓力檢測(cè)等。根據(jù)工藝的不同，需要選擇不同

56、的壓力檢測(cè)儀表。目前工業(yè)上常用的壓力檢測(cè)方法和壓力檢測(cè)儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般可分為以下四類；1液柱式壓力檢測(cè)儀表 它是根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度，一般采用重有水銀或水等液體的玻璃U型管或單管進(jìn)行測(cè)量。2彈性式壓力檢測(cè)儀表 它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測(cè)量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和文波管等。3電氣式壓力檢測(cè)儀表 它是利用敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測(cè)量的儀表，如電阻、電荷量、頻率等即各種壓力傳感器和壓力變送器。4活塞式壓力檢測(cè)儀表 它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的重量來(lái)進(jìn)行測(cè)量。 壓力變送器的作用是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電壓15V、電流420mA，它是基于負(fù)反饋原理工作的。如圖3.2所示。 圖3.2變送器的構(gòu)成原理圖常用的差壓變送器有力平衡式差壓變送器、電容式差壓變送器和擴(kuò)散硅式差壓變送器。擴(kuò)散硅式差壓變送器是無(wú)杠桿變送器，它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，精度也較高。電容式差壓變送器式也是沒(méi)有杠桿機(jī)構(gòu)的變送器。