[摘 要]：介紹了轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及回收設(shè)備的電氣控制系統(tǒng),。轉(zhuǎn)爐煉鋼在吹煉過程中,，產(chǎn)生的CO氣體具有很高的回收利用價(jià)值。運(yùn)用模糊控制原理代替了以往系統(tǒng)中采用PID調(diào)節(jié)器的方法,，改善了系統(tǒng)的性能指標(biāo)件,，提高了轉(zhuǎn)爐煙氣回收的效果，同時(shí)又凈化了大氣環(huán)境,。
1 概述
轉(zhuǎn)爐煉鋼在吹煉過程中,，產(chǎn)生大量以CO為主要成分的轉(zhuǎn)爐煤氣，特別是在吹煉中期CO的濃度可達(dá)80％以上,。轉(zhuǎn)爐煙氣中CO具有很高的回收利用價(jià)值,。通過轉(zhuǎn)爐煤氣的回收，不僅可以節(jié)約大量能源,，而且對煙塵加以綜合利用,，變廢為寶，同時(shí)又凈化了大氣環(huán)境,。
為了提高煤氣的回收量,，就必須精確地控制爐口的壓力。如爐內(nèi)壓力大于大氣壓力,，則煙氣噴出,，污染環(huán)境，降低煤氣的回收量,；如爐內(nèi)壓力小于大氣壓力,，則從爐口吸人空氣使CO燃燒而變成CO2，也降低了合格煤氣的回收量,。從理論上講,，理想的微差壓控制應(yīng)在±0Pa,，但在實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)排煙效果及回收煤氣的質(zhì)量一般控制在±20Pa,。
爐口微差壓的控制范圍是影響轉(zhuǎn)爐煤氣成份及回收量的重要因素之一,。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，爐內(nèi)的煙氣量在不斷的變化,，爐口微差壓也就隨著變化,。通過爐口微差壓的變化，對可調(diào)文氏管喉口裝置中RD閥的開口度實(shí)行自動(dòng)調(diào)節(jié),，從而使風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量與煙氣的生成量保持一致,，也就是通過對爐口微差壓的自動(dòng)控制，來達(dá)到對煤氣回收的最佳控制,。
2 系統(tǒng)的組成及控制思想
2．1 系統(tǒng)的組成
取壓環(huán)管安裝在活動(dòng)煙罩上,，從爐口取出爐內(nèi)與爐外的壓差，經(jīng)過微差壓變送器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送入西門子S7-300可編程控制器（PLC）,，CPU經(jīng)過模糊推理法計(jì)算出準(zhǔn)確的輸出值,，送人伺服放大器，伺服閥工作,，再通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)RD閥轉(zhuǎn)動(dòng),。此時(shí)，安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的角位移傳感器發(fā)出反饋信號(hào)與調(diào)節(jié)信號(hào)相比較,，直至伺服放大器的輸出為零,。RD閥轉(zhuǎn)動(dòng)停止，此時(shí)爐口微差壓的實(shí)際值基本上控制在微差壓的給定值,。系統(tǒng)框圖見圖1,。
在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，爐口微差壓的變化受到諸多因素的影響,。冶煉初期從兌鋼水,，加廢鋼起開始吹氧氣，加渣料到吹煉前期,，煙氣量上升較快,，RD閥口開度也應(yīng)該較大；在吹氧停止后煙氣量較少,，RD閥口開度也應(yīng)該較小,。RD閥是連接轉(zhuǎn)爐煉鋼與煤氣回收的關(guān)鍵設(shè)備，它的控制既影響到煉鋼的質(zhì)量,，又影響到煤氣的回收,。因此，對RD閥的自動(dòng)控制就顯得尤為重要,。
2.2 控制思想
在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中RD閥是煉鋼及煤氣回收的紐帶,。RD閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由液壓伺服系統(tǒng)控制完成的,，它屬于典型非線性、時(shí)變,、滯后系統(tǒng)。在我國冶金行業(yè)中,，轉(zhuǎn)爐微差壓控制系統(tǒng)大都采用微差壓閉環(huán)控制系統(tǒng),，其具有一定的抗干擾能力，但當(dāng)煙氣流量變化較大及風(fēng)機(jī)負(fù)載突變時(shí),，往往需要操作人員使用手動(dòng)操作,，顯然該系統(tǒng)的自動(dòng)功能不能滿足煉鋼及回收的工藝要求。因而我們提出了采用模糊控制的思想,。
在煉鋼過程中很難對RD閥建立一個(gè)精確數(shù)學(xué)模型,，對RD閥的控制，就是要將爐口微差壓控制在一個(gè)很小的變化范圍內(nèi),，但是煙氣量的變化諸多因素的影響,。又受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等影響，建立一個(gè)精確數(shù)學(xué)模型很困難,。但是對于有經(jīng)驗(yàn)的操作人員,，他們通常是根據(jù)爐口火焰及煙氣量，來調(diào)節(jié)RD閥的開口度,。而模糊控制能夠方便地解決工業(yè)領(lǐng)域上常見的強(qiáng)耦合,、非線性、時(shí)變性,、大慣性,、純滯后的復(fù)雜問題。其基本思想就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn),。模糊控制器的模型不是由數(shù)學(xué)公式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型,，而是由一組模糊條件語句構(gòu)成的語言形式；它是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員及專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)組成的知識(shí)模型,?；谶@一思想以及轉(zhuǎn)爐煉鋼的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)基本的二維模糊控制器,。
2.3 實(shí)現(xiàn)方法
硬件由上位機(jī),、西門子S7-300可編程序控制器及繼電控制回路組成。微差壓傳感器,、角位移傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)通過S7-300的模擬量輸入模板,，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入CPU進(jìn)行模糊計(jì)算給出相應(yīng)的目標(biāo)值,，通過S7-300的模擬量輸出模板進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后,，送入液壓伺服閥從而對RD閥的開度進(jìn)行控制,。上位機(jī)與PLC的通信為工業(yè)以太網(wǎng)方式。硬件組態(tài)見圖2,。
在軟件設(shè)計(jì)上,，有就地、集中兩種操作,。就地操作為現(xiàn)場操作,；集中操作為在上位機(jī)上通過畫面進(jìn)行操作。在集中操作中又分為手動(dòng)操作及自動(dòng)操作,。
2.3.1 手動(dòng)操作
在就地,、集中操作中均可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。手動(dòng)操作采用PID調(diào)節(jié)方式,，通過手動(dòng)給定某一固定角度作為PID調(diào)節(jié)器的輸入,，利用Step7V5.2軟件中提供的PID調(diào)節(jié)器，通過改變參數(shù)找到一組最佳的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線,，從而得到一組最佳的PID調(diào)節(jié)器的參數(shù),。經(jīng)過實(shí)踐得出在本系統(tǒng)中采用比例積分調(diào)節(jié)器即可滿足RD閥的開度控制。但是,，這種方式不能夠滿足系統(tǒng)微差壓很好地控制在±20Pa的要求,。
2.3.2 自動(dòng)操作
在集中操作中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。自動(dòng)操作采用模糊控制原理,。模糊控制器的輸入為：爐口內(nèi)外的壓力差E（Pa）及壓差的變化率EC（Pa／s）,。模糊控制器的輸出為：液壓伺服閥的開度U（mA）。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)及人的思維習(xí)慣,，將正E,，EC，U的模糊集取為：｛NB,，NM,，NS，0,，PS,，PM，PB｝即｛負(fù)大,，負(fù)中,，負(fù)小，零,，正小,，正中，正大｝7檔。
考慮到E的變化驗(yàn)范圍化范圍（－10,，＋10）U的化范圍（4,，20）。EEC的論域取為｛－3,，－2,，－1，0,，1,，2，3｝由此得到量化因子,、比例因子。確定E,，EC,，U隸屬度，從而得到模糊變量賦值表,。
根據(jù)二維模糊控制器算法器的控制規(guī)則及對現(xiàn)場操作工人工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),，建立模糊控制器的規(guī)則如下。
1）if E＝PB and EC=PB then U=PBB如果偏差E是“正大”且偏差變化EC也是“正大”,，則閥門要大開,，使?fàn)t內(nèi)壓力減小。
2）if E＝PB and EC＝PM or PS then U＝PB如果偏差正是“正大”且偏差變化EC也是“正中”,，或是“正小”,，則閥門要大開。
3）if E＝PM and EC＝PB or PM then U＝PB如果偏差正是“正中”且偏差變化正C也是“正大”,，或是“正中”,，則閥門要大開。
…（略）
設(shè)計(jì)的原則是：當(dāng)誤差較大時(shí),，控制量的變化應(yīng)盡力使誤差迅速減小,。當(dāng)誤差小時(shí)，除了要消除誤差外,，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，以防止系統(tǒng)超調(diào)、振蕩,。根據(jù)表1 及模糊變量賦值表得出控制表,，通過軟件編程，儲(chǔ)存在PLC中,。在自動(dòng)操作時(shí),，使系統(tǒng)通過查表的方式進(jìn)行優(yōu)化的自動(dòng)控制。
2.3.3 HMI組態(tài)設(shè)計(jì)
在S7-300中，使用CP343-1與上位機(jī)進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)的通訊,，組態(tài)軟件采用WINCCV6.0,。在設(shè)計(jì)中將WinCC的數(shù)據(jù)庫、畫圖,、顯示,、歷史趨勢、報(bào)警等功能緊密結(jié)合起來,，做出模擬現(xiàn)場實(shí)際的工藝流程圖,、液壓泵站的系統(tǒng)圖。這樣在上位機(jī)畫面中操作人員不但可以很直觀地看到現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，而且可以簡單方便地完成對現(xiàn)場設(shè)備的操作及監(jiān)控,，如液壓泵站的起、?？刂?，工作狀態(tài)顯示及報(bào)警顯示；RD閥的開度顯示及設(shè)定,、手動(dòng)操作,、自動(dòng)操作；爐口微差壓的顯示及設(shè)定,、急停操作等,。
使用“變量記錄”組件來組態(tài)過程值的歸檔，能夠?qū)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)按時(shí)間存放在數(shù)據(jù)文件里,，并可以在系統(tǒng)運(yùn)行中以趨勢曲線和表格的方式顯示出來,，這樣就便于分析事故和改進(jìn)工藝；使用報(bào)警記錄編輯器,，采集系統(tǒng)工作過程中的操作狀態(tài)及過程故障狀態(tài)并保存記錄,，如RD閥的開度是否到達(dá)臨界值、液壓站的油溫,、液位是否到達(dá)臨界值,、電機(jī)是否過熱等狀態(tài)，這樣可以提早通知操作人員,，及時(shí)排除故障,，避免更大事故的發(fā)生。
3 結(jié)論
目前我們在系統(tǒng)中采用模糊控制器,，將工作人員的經(jīng)驗(yàn)輸入PLC后,，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性,、精確性有了極大的提高,?？朔嗽瓉硐到y(tǒng)因外部干擾而帶來的不穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及煤氣回收系統(tǒng)中爐口微差壓的自動(dòng)控制設(shè)備現(xiàn)已經(jīng)在韶鋼煉鋼廠120T＃,，2＃轉(zhuǎn)爐中投入使用,，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。由于自動(dòng)化程度的提高,，煤氣的熱值明顯提高,，回收效率高，除塵效果好,，本設(shè)備完全符合《國家環(huán)境保護(hù)十五規(guī)劃》對防治工業(yè)污染排放的精神,，益于推廣。