1997年太鋼引進(jìn)的按國(guó)二十輥軋機(jī)、冷熱不銹帶鋼退火線(xiàn)、光亮線(xiàn)等新裝備，是以擴(kuò)大不銹鋼生產(chǎn)能力。冷軋煤氣混合加壓站，是太鋼不銹帶鋼退火線(xiàn)的配套設(shè)施，有加壓機(jī)3臺(tái)，氣源為高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣。由于生產(chǎn)線(xiàn)工況不穩(wěn)而造成用量大幅度頻繁波動(dòng)；同時(shí)由于氣源管網(wǎng)方面的狀況較差，高爐煤氣壓力波動(dòng)范圍3—10kPa，焦?fàn)t煤氣壓力波動(dòng)范圍1．5。6．5kPa；其波動(dòng)有時(shí)頻率很快，僅靠?jī)x表調(diào)節(jié)產(chǎn)生震蕩，無(wú)法通過(guò)人工調(diào)節(jié)；經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的低壓，造成混壓困難，甚至造成高爐煤氣蝶閥關(guān)閉、機(jī)前負(fù)壓的險(xiǎn)兆。
太鋼于1999年6月采用了西門(mén)子SIMATICS7—300PLC、德國(guó)UNI公司熱值儀、西門(mén)子變頻技術(shù)等進(jìn)行全過(guò)程自動(dòng)控制改造，實(shí)現(xiàn)了混合煤氣熱值、加壓機(jī)后壓力雙穩(wěn)定的目標(biāo)，確保了不銹鋼的正常生產(chǎn)，節(jié)能效益非常可觀(guān)。
1 系統(tǒng)概要
改造后的系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，僅調(diào)節(jié)閥就有九個(gè)，此外還要增加變頻器，由計(jì)算機(jī)控制切換調(diào)節(jié)3臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；增加熱值儀，串級(jí)調(diào)節(jié)高焦配比。采用西門(mén)子S7—300PLC和研華IPC 610工控機(jī)構(gòu)成DCS系統(tǒng)。S7—300PLC作為下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)，其特點(diǎn)是：模塊化、無(wú)排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分散、運(yùn)行可靠、性?xún)r(jià)比高。CP5611卡為S7—300PLC與工控機(jī)的通訊接口卡，具有RS485接口和87．5kbps的通信速率，傳輸距離可達(dá)50m，使用中繼器可達(dá)9100m。
2 控制原理
本系統(tǒng)含四個(gè)調(diào)節(jié)回路：
2．1熱值調(diào)節(jié)
熱值是用戶(hù)氣源的主要質(zhì)量指標(biāo)之一。
冷軋煤氣7昆合加壓站以高爐煤氣為主氣，它不可控制，取決于用戶(hù)用量；焦?fàn)t煤氣為輔氣，要求控制其兩道閥門(mén)，使高、焦配比約4：1。
2．1．1“高焦限幅”輔熱值
本回路為一串級(jí)、交叉限幅調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以熱值調(diào)節(jié)為主環(huán)，焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，加入了高焦煤氣流量單交叉限幅。焦?fàn)t煤氣流量的設(shè)定值不單單取決于熱值調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，而且受到高爐煤氣流量的瞬時(shí)值的限制，即按高、焦理論配比值求出應(yīng)配焦?fàn)t煤氣流量值，乘以1．05和0．95作為輸出信號(hào)的上、下限幅值。
該控制思想一則使焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)量不至于過(guò)大，從而使高焦配比值在小范圍內(nèi)波動(dòng)；二則使主環(huán)調(diào)節(jié)器不至于產(chǎn)生調(diào)節(jié)飽和，加快了滯后較大的主環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，改善了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
對(duì)熱值儀信號(hào)故障也有保護(hù)性，在實(shí)際的運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)工人有時(shí)忘記了給熱值儀過(guò)濾器排水，使煤氣人口壓力太低，燃燒不夠，造成儀表信號(hào)顯示偏低很多，即使焦?fàn)t煤氣閥開(kāi)到最大，也不可能把熱值調(diào)至“正常”，但此時(shí)熱值調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)受到高爐煤氣流量的交叉限幅，故在此三個(gè)信號(hào)中，最終以上限值為焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，從而使焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)閥被約束在了一定的閥位，最終使混合煤氣熱值波動(dòng)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
2．1．2“雙閥同控”避“瓶頸”
原設(shè)計(jì)一閥自動(dòng)、另一閥手動(dòng)，實(shí)際上兩閥都在手動(dòng)方式，因而常常顧此失彼，致使南、北閥位相差太大；若采用兩路單獨(dú)的調(diào)節(jié)器，二閥閥位更加混亂，當(dāng)系統(tǒng)工況變化較大時(shí)，其中一閥就會(huì)成為調(diào)節(jié)的“瓶頸”；若采用雙調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，二閥各自進(jìn)行動(dòng)作，雖能使系統(tǒng)在某一閥位組合狀態(tài)下穩(wěn)定，但有可能造成二閥閥位相差太大，同樣可導(dǎo)致“瓶頸”的現(xiàn)象。
對(duì)此采用單臺(tái)調(diào)節(jié)器串調(diào)雙閥的控制方案，即在計(jì)算機(jī)中設(shè)置一臺(tái)軟調(diào)節(jié)器，其輸出信號(hào)給到2臺(tái)手操器，同時(shí)帶動(dòng)2臺(tái)電動(dòng)蝶閥。為防止二閥同時(shí)動(dòng)作造成超調(diào)，將2臺(tái)手操器內(nèi)的死區(qū)設(shè)置的有所差別，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出要求的閥位信號(hào)與實(shí)際閥位反饋信號(hào)出現(xiàn)偏差時(shí)，死區(qū)小的手操器(電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)首先動(dòng)作，若偏差不大時(shí)，就能糾正過(guò)來(lái)；當(dāng)調(diào)節(jié)量不夠時(shí)，偏差增大，死區(qū)大的手操器(電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)也動(dòng)作，加大調(diào)節(jié)力度，使系統(tǒng)迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)上。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)同時(shí)超出二者死區(qū)范圍的現(xiàn)象，則二閥一同動(dòng)作，使偏差迅速減小到一定范圍，此時(shí)大死區(qū)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥停止動(dòng)作，剩余的小偏差靠死區(qū)小的調(diào)節(jié)閥來(lái)進(jìn)一步精調(diào)到位。
2．2混壓調(diào)節(jié)
混壓調(diào)節(jié)在實(shí)際中既影響熱值、又影響加壓機(jī)后壓力。所以，混壓調(diào)節(jié)不好，則熱值調(diào)節(jié)、加壓機(jī)后壓力調(diào)節(jié)都無(wú)從談起。本回路為一串級(jí)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在控制回路中建立數(shù)學(xué)模型，煤氣混合壓力的設(shè)定值隨著高、焦氣源的壓力波動(dòng)而自動(dòng)計(jì)算設(shè)定，同時(shí)又加以上下限幅，使工藝操作變得更加合理。從熱值的穩(wěn)定方面來(lái)看，機(jī)前混壓能夠隨高、焦煤氣壓力波動(dòng)而適時(shí)適度地調(diào)整，保證了焦?fàn)t煤氣能夠按所需的量順利配人；從加壓機(jī)后壓力的穩(wěn)定方面來(lái)看，機(jī)前壓力變化范圍不至于太寬，減少了對(duì)加壓機(jī)后出口壓力調(diào)節(jié)的干擾。
混壓調(diào)節(jié)就是控制高爐煤氣的兩道閥門(mén)。為了避免“瓶頸”，同樣如上所述，也采用了一臺(tái)軟調(diào)節(jié)器控制2臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的方式，減少對(duì)機(jī)后出口壓力調(diào)節(jié)的干擾。
2．3加壓機(jī)后壓力(變頻)調(diào)節(jié)
加壓機(jī)后壓力是用戶(hù)氣源的主要質(zhì)量指標(biāo)之一，本回路為一定值單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其設(shè)定值為3．5kPa，當(dāng)加壓機(jī)后出口壓力升高／降低時(shí)，增大／減小變頻器的輸出頻率。從而改變加壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，以“變”求“穩(wěn)”。在計(jì)算機(jī)和變頻器上都設(shè)置了最低運(yùn)行頻率，從而保證出口壓不至于太低，也保證了自帶油泵能夠給出足夠的油壓油量，以免燒壞軸瓦。這兩個(gè)頻率運(yùn)行下限是保證加壓機(jī)設(shè)備安全、用戶(hù)正常生產(chǎn)的兩道防線(xiàn)。
2．4加壓機(jī)后壓力(泄放)調(diào)節(jié)
這是加壓機(jī)后壓力調(diào)節(jié)的另一手段。本回路為一定值單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其設(shè)定值為14kPa，當(dāng)加壓機(jī)后出口壓力升高／降低時(shí)，增大／減小泄壓閥的開(kāi)度，以“泄”求“穩(wěn)”。
2．4．1變頻、泄放“雙管齊下”穩(wěn)壓力
通常，泄放調(diào)節(jié)器的設(shè)定值高于變頻調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，一般情況下，變頻器負(fù)責(zé)系統(tǒng)全部的調(diào)節(jié)，而泄放閥處于關(guān)閉的“休閑”狀態(tài)。當(dāng)用戶(hù)突然大減量，造成出口壓驟然升高，變頻的調(diào)節(jié)速度不足以使出口壓迅速降下來(lái)時(shí)(即出口壓超過(guò)14kPa)，泄放回路立即參與調(diào)節(jié)。泄放回路比例帶、積分時(shí)間都設(shè)得很小，因而，動(dòng)作很快，與變頻“雙管齊下”，可使壓力迅速降下來(lái)，保證了用戶(hù)氣源壓力穩(wěn)定，避免了以前類(lèi)似情況下加壓機(jī)進(jìn)入喘振的可能，保障了設(shè)備安全。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，絕不會(huì)出現(xiàn)既保持加壓機(jī)轉(zhuǎn)速較高，又使泄放開(kāi)啟一定高度的“穩(wěn)定平衡”狀態(tài)。
綜上所述，本系統(tǒng)在控制思想和軟件編制上有如下的特點(diǎn)：
(1)小偏差小動(dòng)作、大偏差大動(dòng)作，既加決了響應(yīng)速度，又提高了調(diào)節(jié)精度。
(2)兩閥在調(diào)節(jié)過(guò)程中，”不會(huì)造成“瓶頸”現(xiàn)象。閥位死區(qū)大的南閥閥位“階段”性地跟蹤死區(qū)小的北閥閥位。當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)，北閥“有錯(cuò)必糾”，南閥對(duì)北閥在調(diào)節(jié)中所累計(jì)的閥位變化不會(huì)坐視不管，而是“該出手時(shí)就出手”，大力度地“調(diào)一把”(當(dāng)北閥閥位調(diào)到一定開(kāi)度時(shí)效果就不顯著了，此時(shí)取決于南閥的開(kāi)度)。
(3)死機(jī)情況下、變頻器仍然能保證運(yùn)行。無(wú)論主機(jī)從機(jī)中任一掉電，或二者都掉電，變頻器都運(yùn)行在其保護(hù)下限頻率上，加壓機(jī)不會(huì)停機(jī)，保證了用戶(hù)的正常生產(chǎn)。
(4)簡(jiǎn)單可靠易“倒機(jī)”。通過(guò)軟件的巧妙設(shè)計(jì)，使加壓機(jī)的切換變得非常簡(jiǎn)單：將變頻器輸出頻率下調(diào)為零、此時(shí)原運(yùn)行的加壓機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，電流很小，可拉掉其刀開(kāi)關(guān)，并馬上再合上另一臺(tái)備用加壓機(jī)的刀開(kāi)關(guān)，因變頻器末停，3—4分鐘即可調(diào)頻加速到工作狀態(tài)。當(dāng)然二者切換期間，需關(guān)照冷軋關(guān)小燒嘴。
控制系統(tǒng)在WIN98環(huán)境下運(yùn)行，組態(tài)軟件為STEP7V5．0及Kingview5．0。系統(tǒng)利用組態(tài)軟件Kingview5．0的驅(qū)動(dòng)程序與下位S7—300PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)／指令；下位S7·300PLC則通過(guò)MPI卡與上位計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)公共對(duì)象，這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運(yùn)行。
3 系統(tǒng)畫(huà)面
系統(tǒng)畫(huà)面分為兩大類(lèi)：操作員畫(huà)面、工程師畫(huà)面。
操作員畫(huà)面：向操作人員提供了各種數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)、功能鍵，顯示內(nèi)容豐富鮮明、操作簡(jiǎn)捷可靠。工程師畫(huà)面：工程師在調(diào)節(jié)中進(jìn)行參數(shù)修改和設(shè)定的重要環(huán)境，也是自控系統(tǒng)的核心。
4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，在生產(chǎn)正常的情況下，熱值穩(wěn)定在6．0左右，壓力穩(wěn)定在13．5kPa左右，完全滿(mǎn)足了用戶(hù)的要求，同時(shí)變頻運(yùn)行于30—40Hz左右，泄放閥一般處于關(guān)閉的狀態(tài)，大大減少了泄放煤氣量和凈焦煤氣量，達(dá)到了預(yù)期的安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗的目的。
