利用模糊控制与辅助控制优化煤气热值及压力调节

摘 要 型钢宽厚板煤气加压站工程担负着为整个型钢区域煤气用户提供压力和热值稳定的煤气，能否提供稳定的混合煤气压力和热值关系到大型后续生产工艺的稳定进行，而提供混合煤气的稳定热值又是重中之重，因此确保提供煤气压力和热值的稳定是新建加压站的主要任务之一。目前的调节系统由于适应性差等原因造成煤气放散量大，不但污染了环境而且也不利于“降本增效”的企业发展战略。同时，没有混合煤气热值的分析系统也对煤气的调节带来了一定的影响。本文主要介绍利用模糊控制与辅助控制对煤气热值和压力调节的优化过程。

【关键词】PLC系统 模糊控制 前馈调节

1 项目介绍

为了确保自动控制系统的稳定性，通过对煤气加压系统控制系统的分析，我们在硬件以及软件方面拟采用以下方法。

软件方面：我们考虑采用先进的混合煤气模糊控制计算机自动控制调节系统对混合煤气的压力和热值进行调节。

硬件方面：采用先进的煤气热值分析系统提高热值监控及控制系统的精确性。控制系统采用冗余配置，在模版点数分配方面采用离散分布，确保不会因为一个模板故障而影响整个控制系统的正常运行。

2 研发思路及技术方案制定

从自动化控制系统功能上看，整个项目可以分为三个阶段。第一阶段：确定模糊控制的控制方案，建立模糊控制系统。这一阶段的主要任务是认真翻阅加压站的随机资料，根据现场的实际情况确定模糊控制系统的控制方法。建立模糊量参数，并采集参数确定模糊控制对应域，从而建立模糊控制的模型。第二阶段：将混合煤气热值分析系统的数据引入PLC，通过生产过程中的数据采集，建立煤气流量，温度，热值，成分含量的数据库，用于辅助修正煤气流量的调节。第三阶段：通过长时间的观察及数据采集，不断完善数据库，校正控制模型。

3 主要工作

3.1 控制系统的稳定性

考虑到煤气用户多、用量大的情况，PLC系统的稳定运行是一项重要任务。在系统设计方面尽可能的保证其安全性。此次设计我们采用了离散式设计，每个加压机仪表的数据采集自成系统，尽可能的确保不因为一个系统故障而影响到其余加压机的运行。整个DCS系统的中央处理器采用冗余设计，当主处理器故障时能够快速切换到另一块处理器。

3.2 引入前馈调节稳定加压机后压力

在实际生产中由于管网的压力波动，单PID调节很难将加压机出口的压力稳定在需要的范围内（10KPA左右），造成了高焦炉煤气混合前的压力波动较大，对混合效果造成了很大的影响。为此我们采用了单PID加前馈调节的方式，将机后压力稳定在需要的范围内。

3.3 设计解耦环节

对于混合煤气的工艺过程，一方面其时间响应的延迟较大，另一方面其数学模型随煤气工况而变化，因此难以建立准确的数学模型，从而采用模糊控制较为合适。基于以上对模糊控制器理论的研究，再结合具体的混合生产工艺可以确立控制器整体结构。

由于煤气蝶阀开度与煤气压力和流量成抛物线的关系，输入的高炉煤气或焦炉煤气如果有其中之一发生变化，则既影响混合煤气的压力，又影响其热值。因此，混合煤气的过程可以看作是一个非线性强耦合的多输入、双输出的多变量系统。混合煤气系统是多输入双输出系统，控制量对输出压力、热值存在直接或间接影响，即它们之间存在强耦合作用，这严重影响混合煤气压力和热值的稳定，为了减少混合煤气压力和热值波动，必须引入解耦环节。

3.4 引入模糊控制辅助控制环节

由于建立本系统控制器主要测点是混合煤气的压力和流量，而流量检测方面由于流量孔板长时间使用，现场工作环境恶劣等原因难免会引起煤气流量检测的失真。考虑到以上情况我们将混合煤气热值，混合煤气成分含量等数据引入PLC系统，并将混合煤气的含量热值，两个煤气源的流量等参数引入混合煤气控制系统，通过长时间的数据对应关系建立数据库，对现场采集到的两个气源的混合煤气流量进行参数修正。如果某一个气源的压力不正常，控制系统通过数据库从中提取系统的特征，对数据采用回归分析法，得出待测变量的估算值。模糊控制辅助控制环节的引入有效的避免了因为现场仪表设备故障等方面原因而引起控制系统的误动作。

4 应用情况及效益

混合煤气加压站自动化控制系统正常投入，稳定了生产运行。降低了故障率，降低了操作人员的劳动强度。保障了煤气用户正常生产的需要，提高了煤气使用率。整套控制系统实现主要工艺的自动控制、画面监控、报警、趋势记录等一系列功能。自投入使用以来，系统运行稳定可靠，故障点查找方便，生产指标控制稳定，节能降耗显著，有利于减少设备的故障率、减轻操作人员的劳动强度，大大降低了周围环境的噪音。

本系统投运以来创造了可观的经济效益，其直接经意效益为375万元/年，间接经济效益为23.7万元/年。一年的总经济效益为：

375万元+23.7万元=398.7万元

使用此系统一年可以减少煤气损耗约为总煤气量的0.1%。 同时，由于该系统自动化程度高，有利于减少设备的故障率、减轻工人的劳动强度，大大降低了周围环境的噪音，循环经济效益显著，生产成本的到了明显降低。

5 小结

采用施奈德昆腾系列PLC作为核心控制系统，综合了模糊解耦控制、PID前馈控制等一系列控制手段，实现了混合加压站的稳定、安全运行。此系统自动化程度较高，减小了操作人员的劳动强度。整个控制系统能够很好的调节混合煤气的压力和热值，不但将混合煤气压力的波动范围稳定在10KPA+-0.5，而且也能够将混合煤气的热值稳定在设定值的3%波动范围内。自系统投运以来将煤气的放散量减少了0.1%，提高了煤气的使用效率、减少环境的污染。从开始到实施各个阶段，一直得到各级领导的大力支持，以及机组运行人员、电气、仪表等各方面技术人员的大力支持，在项目实施过程中各专业间多次交流，在相关施工方的密切配合下，使本项目达到较高技术水平。本项目实施后，整个控制系统的各个环节之间衔接更加紧密。建立了相关数据之间的数据模型。使得控制系统更加可信，控制更加可靠、安全，达到了预期的效果。

作者单位

山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部 山东省莱芜市 271104