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1、丫周便鸳慑表 2 0 0 9 年增刊I N D U S T R Y O B S E R V E Rl 产业观察优化控制方案，提高控制系统品质A d v a n c i n gt h eC o n t r o lP r o g r a mt oI m p r o v et h eQ u a l i t yo fC o n t r o lS y s t e m1 概述随着冶炼工艺的不断进步，提高产品质量，降低生产成本是现代企业的基本要求。企业的管理体系不断提升，对仪表检测与控制系统的要求也在不断提高，仪表检测与控制系统不仅要满足生产过程的检测与控制要求，还要为能源管理、成本管理、信息化管理等提供完
2、备的基础信息。用于模型的建立和生产信息的分析，要求检测信息也在逐渐增多。随着社会的变革与进步，仪表检测与控制系统在节能减排，改善环境，保障人身安全等方面将发挥更大的作用。因此要想充分发挥仪表检测与控制系统的作用，检测与控制系统的配置和调节系统设计是关键所在，本文通过一些案例简要阐述一下如何优化控制方案，提高控制系统品质。2 仪表检测与控制系统的功能与配置钢铁企业的工艺过程检测与控制系统可分为两大部分，一是现场检测与驱动部分，包括各种温度、压力、差压、流量、物位、重量等检测元件、传感器、变送单元和各种阀门及执行机构；二是基础自动化系统，包括操作站、控制站、打印机和网络通讯设备等。目前，基础自动化
3、系统大多采用以D C S P L C 为核心的集中控制系统组成。个别场合可采用仪表盘控制方式。w w w , ( ：n i m c n仪表检测与控制系统的主要功能有：( 1 ) 基础信息的数据采集和处理；( 2 ) 工艺过程参数的检测、显示、记录；( 3 ) 工艺过程参数的报警、联锁与控制；( 4 ) 工艺设备运行状态的监视与控制；( 5 ) 工艺过程的顺序控制；( 6 ) 为操作人员提供必要的操作指导和维护信息。为达到上述功能，仪表检测与控制系统的配置应遵循以下原则：( 1 ) 检测与控制仪表的设置要满足工艺过程的控制要求，如：工艺过程参数的检测，设备运行状态的监测、环境监测；( 2 ) 配
4、备仪表检测与控制系统自身要求的检测仪表。如：保证仪表设备正常运行的辅助介质监测( 仪表气源、冷却、吹扫、伴热等) ，仪表设备故障监测等；( 3 ) 根据介质的工艺参数、物理特性、化学特性、以及运行环境选择现场仪表设备，如：高温、高压、耐酸、防腐、防尘、防震、防爆等因素；( 4 ) 基础自动化系统的选择要考虑系统的开放性、稳定性，备品备件等因素；( 5 ) 基础自动化系统的配置要考虑与过程控制系统( L 2 级系统) 的接口，I O 接口的备用量，以及是否采用双重化。3 自动调节系统设计3 1 调节系统选择和被调参数确定调节系统的种类很多，有定值调节系统、随动调节系统、比值调节系统、串级调节系统
5、、串级比值调节系统等。采用哪种调节系统是保证系统品质的基础，而调节系统中被调参数的选择是能否实现闭环控制和产业观察II N D U S T R YO B S E R V E RC H I N AI N S T R U M E N T A T I O N 甲周坂舞儇表达到控制精度的关键。如在底吹强度控制系统中选择介质压力作为被调参数来控制底吹强度显然是行不通的。针对不同的控制对象，被调对象和与之相关的工艺参数之间的关系可用下式表示：Y = f ( x l ，x 2 ，x 3 ，)Y 为被调对象；x l n 为相关的工艺参数；其中x l 、】【2 、x 3 等参数之间也存在着一定的函数关系。以燃烧
6、控制系统为例，炉膛温度与燃料流量、压力，助燃空气流量、压力，炉膛压力、以及炉体结构相关，其中燃料流量与助燃空气流量之间还存在着一定的配比关系。要达到最优的控制品质，首要问题是选择被调参数，被调参数是表征设备运转情况并需要进行调节的工艺参数，是影响调节对象的主要因素，同时与调节对象之间的函数关系相对简单。例如：在炉膛温度自动调节系统中，影响炉膛温度的主要因素是燃料流量和助燃空气流量，且成正比关系。所以选择炉膛温度为主回路被调参数，燃料流量和助燃空气流量为副回路被调参数，组成一个串级比值调节系统，主回路的输出作为燃料流量调节回路的设定值( S P l ) ，S P l 乘以一个比例系数( 空燃比)
7、 作为助燃空气流量调节回路的设定值( S P 2 ) 。如果空气流量过剩，一是造成不必要的铁损，二是降低炉膛温度。同样燃料流量过剩也会降低炉膛温度，同时不完全燃烧会造成空气污染和能源的浪费。因此根据负荷的变化，升温时要遵循先增加助燃空气流量后增加燃料流量，降温时先减少燃料流量后减少助燃空气流量的原则。并对增加或减少的幅度加以限制。为达到最优的控制效果，应采用变空燃比的控制方案，可达到既保证燃料的完全燃烧，又避免过剩的空气带来热能的损失和铁损。另外喷吹系统也是一个典型的例子，无论是铁水预处理系统，喷煤系统还是二次精炼深脱硫系统，粉剂的喷吹速度控制是系统的关键，但影响喷吹速度的参数很多，如：发送罐
8、的压力、载气流量、发送罐与4 02 0 0 9 年增刊喷吹管路间的压差以及发送罐出口阀门的开度等。首先探讨一下被调参数的选择，显然发送罐出口阀门的开度是影响喷吹速度的重要因素，很多工程采用固定载气流量和发送罐与喷吹管路间的压差，以喷吹速度为设定值调节发送罐出口调节阀的开度的方式。对于某些粉剂，该调节阀的选择是一个难题，固气两相流对阀芯的磨损造成阀门的寿命很短。因此也有的工程采用固发送罐出口阀门的开度，固定载气流量，采用以喷吹速度为主回路设定值，主回路的输出作为发送罐与喷吹管路间压差的设定值，调节发送罐加压和排气调节阀的开度的方式。或者，固定发送罐与喷吹管路间的压差的，采用以喷吹速度为主回路设定
9、值，主回路的输出作为载气流量的设定值，调节载气流量调节阀的开度的方式。这两种方式控制精度较第一种要低，但对发送罐出口阀门的要求较低。3 2 间歇控制系统间歇控制系统主要应用于按照一定的周期间歇循环工作的工艺处理过程。如：喷煤，铁水预处理系统、转炉炼钢，二次精炼等。以转炉炼钢为例，炼钢过程是从初始状态待机开始，到排渣结束为止，进行周期间歇循环工作的，如图l 所示。氧气流量调节系统只有在吹炼阶段才投入运行，每次工作时间约1 5m i l l ，是一个典型的间歇调节系统。图1 转炉工作状态移行图间歇调节系统的特点是调节系统工作时间短，被中阅坂露豫表2 0 0 9 年增刊C H I N AI N S
10、T R U M E N l 盯I O NI N D U S T R Y O B S E R V E Rl 产业观察控对象的参数每次都是从零开始达到设定值。众所周知，调节系统投自动的条件是被控对象参数值与设定值之间的偏差要小于一定范围。为了提高系统的品质，使系统能够自动平稳的投入自动调节，可采取对调节阀预置一个初始开度的方法，预置开度可以根据设定值估算进行定值设定，也可以根据设定值进行精准计算来设定，对于初始设定值变化较大的控制系统采用系统内部计算的方式更有利于投自动。调节系统在预置开度下工作一段时间就可以自动投入自动运行。冶炼结束后，调节系统停止工作，下一炉吹炼开始前再将调节阀的开度预置到初始
11、开度。当然，调节参数( P I D )的设定也很关键，需要在调试过程中进行调试确定。3 3 调节阀的开关量控制方式电动调节阀通常是通过4 - 2 0 m A 信号来控制的，调节阀的电机长期处于带电状态，即消耗电能，也影响调节阀的使用寿命。在某些工况可以考虑采用脉冲控制方式，控制系统根据设定值与测量值的偏差计算脉冲宽度以及电机的正反转指令，即将阀门开或关到某一开度，再进行比较，直到测量值达到允许的偏差范围内，电机断电。采用该方式的优点是：调节阀电机长期处于断电状态，延长了寿命；系统的稳定性高；节约电能。缺点是通过牺牲控制精度提高稳定性，测量值与设定值间存在相对较大的死区。该方式适用于工况稳定，接
12、口介质参数稳定的系统。4 结束语本文在检测与控制系统配置原则，自动调节系统设计中被调参数的选择，间歇系统如何平稳的投自动，以及连续调节的开关量控制方式等方面谈了一些体会。作为一个检测与控制系统的设计者应该深入了解工艺流程，了解各种介质的物理和化学性质，全面考虑形象系统的每一个因素，如：关系到人身和设备安全的联锁控制，检测仪表或元件的安装等，才能建立一个完善的控制系统。作者简介：李甲辰，教授级高级工程师，现任中治京诚工程技术有限公司自控所总经理。( 上接3 2 页)H o n e y w e l l 公司则可针对本公司的老系统( 如T D C2 0 0 0 ，T P C T D C3 0 0 0
13、 等) 和其他公司的老系统( 如F o x b o r o 的系统、R o c k w e l l 的P r o c e s s L o g i x 、B a i l e y 、F i s h e r 、M o o r e 、R o s e m o u n t 、横河等) 升级至E x p e r i o n 雪P r o c e s sK n o w l e d g eS y s t e m ( P K S ) 提供各种解决方案。在升级改造中，将老控制器系统作现代化的提升，进行人机界面的升级是至关重要的。把专用的、价格昂贵的传统D C S 系统的操作显示站改造为最新技术的H M I ，将为集
14、成的自动化架构提供通用的用户界面，在保持现有流程画面、网络、控制器和I O 的同时，减少培训和维护的要求。直接向控制网络进行存取操作，实现数据存取以及集成报警和事件的读写。4 结语过程自动化控制系统的升级改造的必要性、目标和方向已是勿庸置疑，但升级改造的方案和实现方法取决于用户的实际需要。本文为了理清问题，在上述W W W C n I m C n几个方面做了一定的展开，为进一步探讨作铺垫。参考文献1P e t e rW e l a n d e r , U p g r a d i n gC o n t r o l ：M i g r a t i o no rE v o l u t i o n ，C
15、 o n t r o lE n g n g P 4 8 ，S e p ，2 0 0 8 2 彭瑜过程控制系统技术的战略转移和自动化体系架构的发展石油化工自动化，2 0 0 9 ，2 3T h o m a sH a u f f , 塑造未来，流程工业，2 0 0 9 ，4 硼帆c o n t r o l e n g n g c o m 4C o n t r o lS y s t e mM i g r a t i o n ：P r o t e c t i n gI n v e s t m e n t s ，L o w e r i n gR i s k s ，H o n e y w e l lI 兰
16、I 皮书，W W W oh o n e y w e l l c o m p s 5M i g r a t i o nP l a nh e l p st r a n s i t i o nf r o ml e g a c yD C Sp l a t f o r m s ，C o n t r o lE n g n g ，4 2 3 2 0 0 9 6S i e m e n sP r o c e s sA u t o m a t i o nS y s t e mM i g r a t i o na n dM o d e r n i z a t i o nS t r a t e g i e s F e b 2 0 0 7 ，A R C 白皮书作者简介：彭瑜，教授级高级工程师，长期从事X - ：l k 过程控制系统的研究开发工作。现任中国自动化学会理事，中国仪器仪表学会专家委员会委员。4 1
