转炉烟气净化及煤气回收系统中炉口微差压的自动控制

1 概述
　　转炉炼钢在吹炼过程中，产生大量以CO为主要成分的转炉煤气，特别是在吹炼中期CO的浓度可达80％以上。转炉烟气中CO具有很高的回收利用价值。通过转炉煤气的回收，不仅可以节约大量能源，而且对烟尘加以综合利用，变废为宝，同时又净化了大气环境。

　　为了提高煤气的回收量，就必须精确地控制炉口的压力。如炉内压力大于大气压力，则烟气喷出，污染环境，降低煤气的回收量；如炉内压力小于大气压力，则从炉口吸人空气使CO燃烧而变成CO2，也降低了合格煤气的回收量。从理论上讲，理想的微差压控制应在±0Pa，但在实际运行中，根据排烟效果及回收煤气的质量一般控制在±20Pa。

　　炉口微差压的控制范围是影响转炉煤气成份及回收量的重要因素之一。在转炉炼钢中，炉内的烟气量在不断的变化，炉口微差压也就随着变化。通过炉口微差压的变化，对可调文氏管喉口装置中RD阀的开口度实行自动调节，从而使风机的抽风量与烟气的生成量保持一致，也就是通过对炉口微差压的自动控制，来达到对煤气回收的最佳控制。

2 系统的组成及控制思想
2．1 系统的组成
取压环管安装在活动烟罩上，从炉口取出炉内与炉外的压差，经过微差压变送器将其转化为电信号送入西门子S7-300可编程控制器（PLC），CPU经过模糊推理法计算出准确的输出值，送人伺服放大器，伺服阀工作，再通过执行机构带动RD阀转动。此时，安装在执行机构上的角位移传感器发出反馈信号与调节信号相比较，直至伺服放大器的输出为零。RD阀转动停止，此时炉口微差压的实际值基本上控制在微差压的给定值。系统框图见图1。

　　在转炉炼钢过程中，炉口微差压的变化受到诸多因素的影响。冶炼初期从兑钢水，加废钢起开始吹氧气，加渣料到吹炼前期，烟气量上升较快，RD阀口开度也应该较大；在吹氧停止后烟气量较少，RD阀口开度也应该较小。RD阀是连接转炉炼钢与煤气回收的关键设备，它的控制既影响到炼钢的质量，又影响到煤气的回收。因此，对RD阀的自动控制就显得尤为重要。

2.2 控制思想
　　在转炉炼钢过程中RD阀是炼钢及煤气回收的纽带。RD阀的执行机构是由液压伺服系统控制完成的，它属于典型非线性、时变、滞后系统。在我国冶金行业中，转炉微差压控制系统大都采用微差压闭环控制系统，其具有一定的抗干扰能力，但当烟气流量变化较大及风机负载突变时，往往需要操作人员使用手动操作，显然该系统的自动功能不能满足炼钢及回收的工艺要求。因而我们提出了采用模糊控制的思想。

　　在炼钢过程中很难对RD阀建立一个精确数学模型，对RD阀的控制，就是要将炉口微差压控制在一个很小的变化范围内，但是烟气量的变化诸多因素的影响。又受风机转速等影响，建立一个精确数学模型很困难。但是对于有经验的操作人员，他们通常是根据炉口火焰及烟气量，来调节RD阀的开口度。而模糊控制能够方便地解决工业领域上常见的强耦合、非线性、时变性、大惯性、纯滞后的复杂问题。其基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验。模糊控制器的模型不是由数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条件语句构成的语言形式；它是由带有模糊性的有关控制人员及专家的控制经验和知识组成的知识模型。基于这一思想以及转炉炼钢的实际情况，设计一个基本的二维模糊控制器。

2.3 实现方法
　　硬件由上位机、西门子S7-300可编程序控制器及继电控制回路组成。微差压传感器、角位移传感器产生的电流信号通过S7-300的模拟量输入模板，经过模数转换，进入CPU进行模糊计算给出相应的目标值，通过S7-300的模拟量输出模板进行数模转换后，送入液压伺服阀从而对RD阀的开度进行控制。上位机与PLC的通信为工业以太网方式。硬件组态见图2。

　　在软件设计上，有就地、集中两种操作。就地操作为现场操作；集中操作为在上位机上通过画面进行操作。在集中操作中又分为手动操作及自动操作。
2.3.1 手动操作
　　在就地、集中操作中均可以实现手动操作。手动操作采用PID调节方式，通过手动给定某一固定角度作为PID调节器的输入，利用Step7V5.2软件中提供的PID调节器，通过改变参数找到一组最佳的系统阶跃响应曲线，从而得到一组最佳的PID调节器的参数。经过实践得出在本系统中采用比例积分调节器即可满足RD阀的开度控制。但是，这种方式不能够满足系统微差压很好地控制在±20Pa的要求。

2.3.2 自动操作
　　在集中操作中可以实现自动操作。自动操作采用模糊控制原理。模糊控制器的输入为：炉口内外的压力差E（Pa）及压差的变化率EC（Pa／s）。模糊控制器的输出为：液压伺服阀的开度U（mA）。根据现场经验及人的思维习惯，将正E，EC，U的模糊集取为：｛NB，NM，NS，0，PS，PM，PB｝即｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝7档。
考虑到E的变化验范围化范围（－10，＋10）U的化范围（4，20）。EEC的论域取为｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝由此得到量化因子、比例因子。确定E，EC，U隶属度，从而得到模糊变量赋值表。
根据二维模糊控制器算法器的控制规则及对现场操作工人工作经验的总结，建立模糊控制器的规则如下。
1）if E＝PB and EC=PB then U=PBB如果偏差E是“正大”且偏差变化EC也是“正大”，则阀门要大开，使炉内压力减小。
2）if E＝PB and EC＝PM or PS then U＝PB如果偏差正是“正大”且偏差变化EC也是“正中”，或是“正小”，则阀门要大开。
3）if E＝PM and EC＝PB or PM then U＝PB如果偏差正是“正中”且偏差变化正C也是“正大”，或是“正中”，则阀门要大开。
…（略）
设计的原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小。当误差小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，以防止系统超调、振荡。根据表1 及模糊变量赋值表得出控制表，通过软件编程，储存在PLC中。在自动操作时，使系统通过查表的方式进行优化的自动控制。

2.3.3 HMI组态设计
　　在S7-300中，使用CP343-1与上位机进行工业以太网的通讯，组态软件采用WINCCV6.0。在设计中将WinCC的数据库、画图、显示、历史趋势、报警等功能紧密结合起来，做出模拟现场实际的工艺流程图、液压泵站的系统图。这样在上位机画面中操作人员不但可以很直观地看到现场设备的状态及实时数据，而且可以简单方便地完成对现场设备的操作及监控，如液压泵站的起、停控制，工作状态显示及报警显示；RD阀的开度显示及设定、手动操作、自动操作；炉口微差压的显示及设定、急停操作等。
使用“变量记录”组件来组态过程值的归档，能够将数据库的数据按时间存放在数据文件里，并可以在系统运行中以趋势曲线和表格的方式显示出来，这样就便于分析事故和改进工艺；使用报警记录编辑器，采集系统工作过程中的操作状态及过程故障状态并保存记录，如RD阀的开度是否到达临界值、液压站的油温、液位是否到达临界值、电机是否过热等状态，这样可以提早通知操作人员，及时排除故障，避免更大事故的发生。
3 结论
　　目前我们在系统中采用模糊控制器，将工作人员的经验输入PLC后，系统的稳定性、抗干扰性、精确性有了极大的提高。克服了原来系统因外部干扰而带来的不稳定性。转炉烟气净化及煤气回收系统中炉口微差压的自动控制设备现已经在韶钢炼钢厂120T＃，2＃转炉中投入使用，系统工作稳定可靠。由于自动化程度的提高，煤气的热值明显提高，回收效率高，除尘效果好，本设备完全符合《国家环境保护十五规划》对防治工业污染排放的精神，益于推广。