冷軋煤氣混合加壓站,，是太鋼不銹帶鋼退火線的配套設(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、用人工調(diào)節(jié)措手不及,；經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的低壓,，造成混壓困難，使得保壓力保不了熱值,，保熱值保不了壓力,，甚至造成高爐煤氣蝶閥關(guān)閉、機(jī)前負(fù)壓的險(xiǎn)兆,。不穩(wěn)的氣源,、多變的用戶，使處于中間環(huán)節(jié)的冷軋煤氣混合加壓站成為矛盾的集中點(diǎn)和保障不銹鋼生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵,。原設(shè)計(jì)的儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)根本無法滿足生產(chǎn)要求,。
太鋼于1999年6月成立了項(xiàng)目攻關(guān)組，經(jīng)過幾個(gè)月的艱辛努力,，采用先進(jìn)的德國(guó)西門子SIMATICS7300PLC,、德國(guó)UNI公司熱值儀、德國(guó)西門子變頻技術(shù),，投入了全過程自動(dòng)控制,，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,。
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)三臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,；增加熱值儀,，串級(jí)調(diào)節(jié)高焦配比。采用德國(guó)西門子S7-300 PLC可編程控制 器和 臺(tái)灣研華IPC 610工控機(jī)構(gòu)成DCS系統(tǒng),。S7-300PLC可編程控制器作為下位來實(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,、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布,、運(yùn)行可靠,、性價(jià)比高。CP5611卡為 S7300PLC與工控機(jī)的通訊接口卡,。RS485物理結(jié)構(gòu)和187.5K的波特率,，傳輸距離可達(dá)50m，使用中繼器可達(dá)9100m,。
2 控制原理
2.1 熱值調(diào)節(jié)
熱值是用戶氣源的主要質(zhì)量指標(biāo)之一,。
冷軋煤氣混合加壓站以高爐煤氣為主氣，它不可控制,，取決于用戶用量,；焦?fàn)t煤氣為輔氣，要求控制其兩道閥門,使高,、焦配比約4：1,，折合熱值1350大卡。
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)MV，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MV的上,、下限幅值MH1,、ML1。
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)忘記了給熱值儀過濾器排水,，使煤氣入口壓力太低,，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)給到兩臺(tái)手操器,，同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)蝶閥。為防止二閥同時(shí)動(dòng)作造成超調(diào),，將兩手操器內(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),，就能糾正過來,；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)閥來進(jìn)一步精調(diào)到位,。
總之,，本控制思想避免了上述兩種調(diào)節(jié)方法的弊端，使操作人員對(duì)兩個(gè)閥位“知其一即知其二”,，無須高度緊張地頻繁操作,，既提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)，又減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,。
2.2混壓調(diào)節(jié)
混壓調(diào)節(jié)表面上看來于用戶的要求“無關(guān)”,，實(shí)際中卻扮演非常重要的角色，它既影響熱值,、又影響加壓機(jī)后壓力,。可以說,，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)都無從談起,。
2.2.1 “水漲船高”調(diào)混壓
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入,；從加壓機(jī)后壓力的穩(wěn)定方面來看,，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,?；靿赫{(diào)節(jié)就是控制高爐煤氣的兩道閥門，為了避免“瓶頸”,，同樣如上所述,，也采用了一臺(tái)軟調(diào)節(jié)器控制兩臺(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)后壓力是用戶氣源的主要質(zhì)量指標(biāo)之二,。
本回路為一定值單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其設(shè)定值為13.5Kpa,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、用戶正常生產(chǎn)的兩道防線,。
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“全權(quán)負(fù)責(zé)”系統(tǒng)的調(diào)節(jié),，而泄放閥處于關(guān)閉的“休閑”狀態(tài),。當(dāng)用戶突然大減量，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時(shí)（即出口壓超過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,，保證了用戶氣源壓力穩(wěn)定，避免了以前類似情況下加壓機(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,，又使泄放開啟一定高度的“穩(wěn)定平衡”狀態(tài),。――這就是將設(shè)定值設(shè)得不同的奧妙所在。
綜上所述,本系統(tǒng)在控制思想和軟件編制上有許多新穎的特點(diǎn)：
（1）小偏差小動(dòng)作,、大偏差大動(dòng)作,，既加快了響應(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)到一定開度時(shí)效果就不顯著了，此時(shí)取決于南閥的開度）,。
（3）不怕“死機(jī)”,、掉電保變頻
軟件多次調(diào)試后，尋找出一種方法,，使得無論主機(jī)死機(jī)或PLC死機(jī),，或二者中任一掉電，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)，保證了用戶的正常生產(chǎn),。
（4）簡(jiǎn)單可靠易“倒機(jī)”
通過軟件的巧妙設(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,，可拉掉其刀開關(guān)，并馬上再合上另一臺(tái)備用加壓機(jī)的刀開關(guān),，因變頻器未停,，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,。
3 系統(tǒng)軟件
控制系統(tǒng)在WIN98環(huán)境下運(yùn)行,，組態(tài)軟件為STEP7 V5.0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 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)COM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。
4 系統(tǒng)畫面
系統(tǒng)監(jiān)控操作畫面多達(dá)20多屏,，包括：方便工人操作的監(jiān)控畫面和為軟件工程師提供接口的整定畫面,；形象直觀的模擬畫面；易于統(tǒng)計(jì)抄表的參數(shù)畫面,；便于追查事故原因的歷史趨勢(shì)畫面,；提供技術(shù)分析信息的實(shí)時(shí)曲線畫面等等。
畫面分為兩大類：操作員畫面,、工程師畫面
操作員畫面向操作人員提供了各種數(shù)據(jù),、曲線、功能鍵,，顯示內(nèi)容豐富鮮明,、操作簡(jiǎn)捷可靠。系統(tǒng)中畫面的組態(tài)編制有很多新穎之處,，其中模擬畫面中九個(gè)調(diào)節(jié)閥的閥位均可以從畫面中翻板示意的角度來得知,，并在閥旁邊給出了三位有效數(shù)字（一位小數(shù)）的百分開度，形象,、準(zhǔn)確地反映了現(xiàn)場(chǎng)閥門的實(shí)際開度,，使操作人員感到熟悉親切,；系統(tǒng)共有三臺(tái)加壓機(jī),，通常開１備２，為了準(zhǔn)確反映各加壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,，該畫面中設(shè)置了加壓機(jī)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)葉片,，運(yùn)轉(zhuǎn)的加壓機(jī)其葉片在旋轉(zhuǎn)，備用的加壓機(jī)無葉片顯示,，故操作人員可以清晰明了的看到三臺(tái)加壓機(jī)的開備情況,；因加壓機(jī)的轉(zhuǎn)速與變頻頻率成正比，所以加壓機(jī)中的旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)速隨變頻器的頻率大小而改變,，頻率大時(shí),，旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)速大,；頻率小時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)速小,，動(dòng)態(tài)顯示十分逼真,；在整個(gè)系統(tǒng)管網(wǎng)的各個(gè)控制點(diǎn)均有相應(yīng)的采集數(shù)字顯示，真實(shí)的反映了各個(gè)控制點(diǎn)的瞬時(shí)值,，總之,，畫面中三大管道走向明了，主體設(shè)備位置確切,，工作狀態(tài)形象生動(dòng),，各種參數(shù)“就地顯示”，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工況集于一屏,，一目了然,，實(shí)為操作員、技術(shù)員所喜愛的主畫面之一,。
工程師畫面：為軟件工程師提供了進(jìn)行系統(tǒng)整定的良好界面,，是工程師在調(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,。
5 結(jié)束語
該系統(tǒng)自投運(yùn)以來,，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,，完全滿足了用戶的要求，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。系統(tǒng)的控制思路和方法十分新穎,、獨(dú)特,，是太鋼乃至全國(guó)各大鋼廠均未采用過，這些獨(dú)特的控制方法為所有鋼廠的煤氣混合加壓站提供了新思路,，也為節(jié)能,、降耗的實(shí)現(xiàn)樹立了榜樣。