前馈反馈技术在高炉TRT控制系统的运用

第36卷增刊2010年3月包　钢　科　技S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y o f B a o t o u S t e e lV o l.36,S u p p l e m e n tM a r c h,2010前馈-反馈技术在高炉T R T控制系统的运用＊王　研1,李　洁1,王振国2(1.内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头014010;2.内蒙古包钢钢联股份有限公司燃气厂,内蒙古包头014010)摘　要:项目根据工艺特点,把经典的前馈-反馈控制思路与D C S、P L C等先进技术相结合,应用于高炉煤气余压能量回收透平发电机(T R T)系统,提高了系统的控制精度,实现了系统的高稳定性和高安全性。

关键词:高炉煤气;T R T;前馈-反馈;冗余技术;控制系统中图分类号:T F321.9 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2010)S O-0044-03A p p l i c a t i o no f F e e d f o r w a r d-F e e d b a c k T e c h n o l o g y o nT R TC o n t r o l S y s t e m o f B l a s t F u r n a c e sW A N GY a n1,L I J i e1,W A N GZ h e n-g u o2(1.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,B a o t o u014010,N e i M o n g g o l,C h i n a;2.G a s P l a n t o f S t e e l U n i o n C o.L t d.o f B a o t o u S t e e l(G r o u p)C o r p.,B a o t o u014010,N e i M o n g g o l,C h i n a) A b s t r a c t:I nt h i s p r o j e c t,t h e c l a s s i c a l f e e d f o r w a r d-f e e d b a c k c o n t r o l t h i n k i n g i s c o m b i n e d w i t ha d v a n c e d t e c h n o l o g i e s s u c h a s D C S,P L C,e t c.a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p r o j e c t,a n d t h e y a r e a p p l i e d o n T R T c o n t r o l s y s t e mo f b l a s t f u r-n a c e s.A s a r e s u l t,t h e c o n t r o l p r e c i s i o no f s y s t e mi s i m p r o v e d,a s w e l l a s h i g h s t a b i l i t y a n d s a f e t y o f s y s t e ma r e g u a r a n t e e d. K e yw o r d s:b l a s t f u r n a c e g a s;T R T;f e e d f o r w a r d-f e e d b a c k;r e d u n d a n c y;c o n t r o l s y s t e m T R T(高炉煤气余压透平发电装置),是利用高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能,使透平膨胀机作功,驱动发电机发电的一种能量回收装置,从而达到节能、降噪、环保的目的,具有很好的经济效益和社会效益,是目前国际、国内钢铁企业公认的节能环保装置。

随着包钢T R T发电设备的逐步推广,T R T发电因其成本低、无污染、绿色环保的性能,已成为包钢循环经济的亮点,正为包钢提供源源不断的电力供应。

包钢现有高炉情况:2200m3高炉3座、1513m3高炉1座、1500m3高炉1座、2500m3高炉1座,为使大量的高炉煤气不白白放散,如今T R T技术已经运用到了所有高炉上。

1　技术介绍1.1　主要特点及关键技术1.1.1　全面实现仪电合一为便于管理与维护,电控系统和仪控系统设置为三电一体化(E I C)控制,统一由P L C和D C S完成其控制功能。

其中各系统的所有参数均引入主控室内,完全实现了各系统的自动控制,简化、方便生产单位的远程操作,实现了全面E I C一体化的系统。

1.1.2　光纤以太环网技术开发本套计算机网络系统采用两级控制,基础级采＊收稿日期:2009-05-07作者简介:王研(1979-),男,辽宁省海城市人,助理工程师,现从事设备管理工作。

增刊前馈-反馈技术在高炉T R T控制系统的运用用工业以太网连接,P L C和D C S控制站由电源模块、C P U模块、热备模块、网卡等模块组成,实现各控制主机的分布式控制;监控级采用光纤以太环网, C l i e n t/S e r v e r结构,实现各监控终端的集中显示操作、管理、故障自诊断。

该系统具有系统开发周期短、用户投资风险小、系统价格低、节约系统资源、系统扩展性好、用户编程方便等诸多优点,可实现高效的通讯、全局资源的有效管理和利用以及良好的并行程序设计环境[1-2]。

1.1.3　关键技术为了确保高炉动力生产线的正常生产运行,在轴流风机自动控制系统中采用了风机防喘振阀自动调节、热井冷凝水液位自动调节、高炉送风管道的冷风保安自动拨风功能、液压锁在轴流风机静叶控制系统中的自动保护技术。

在高炉煤气余压能量回收透平发电机自控系统采用了前馈-反馈控制技术。

2　高炉煤气T R T控制系统的技术创新2.1　冗余技术的应用采用S7-300H(高可靠性)系统,通过将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作,该系统通过部件的冗余实现系统的高可靠性。

减少因一个错误或系统维护而导致产品损失、停车。

当两个单独的模块被组态并以冗余对方式使用时,采用冗余I/O。

这种方式能够得到最高的可靠性,因为系统可以容忍单个C P U和单个信号模件发生故障。

防止因P L C故障导致的故障停机,保证生产的稳定顺行。

2.2　前馈—反馈控制技术根据工艺要求,对机组紧急停机时的高炉炉顶顶压调节采取了前馈—反馈(F F C-F B C)控制方案。

该控制方案综合了前馈控制与反馈控制的优点,将反馈控制不易克服的干扰(高炉煤气流量)进行前馈控制,快速打开旁通阀,使高炉煤气畅通。

但是由于前馈控制属于开环控制,尽管可以消除这一不安全因素,但不能完全保证炉顶顶压稳定,如果炉顶顶压波动较大,势必影响高炉生产,因此就对该过程采取了前馈—反馈控制(也称为复合控制)。

3　高炉煤气T R T自控系统的功能3.1　高炉煤气T R T自控系统的功能3.1.1　快开旁通阀控制过程快开旁通阀共有2个,全是液压伺服驱动的阀门。

当机组发生重故障停机的时候,计算机发出停机指令,快速切断阀立刻动作进行快速切换,然后打开快开旁通阀控制炉顶顶压。

快开旁通阀在机组停机后的前3s内,通过煤气流量计算相应的阀门开度,3s后转入炉顶顶压自动调节,稳定炉顶顶压。

一定时间(通常为3m i n)以后,人为设定炉顶顶压的设定值与炉顶顶压测量值有个较大的正偏差(输出取反),当高炉有所准备,控制快开旁通阀自动关闭,完全由高炉减压阀组来控制炉顶顶压。

3.1.2　旁通阀控制当机组发出停机指令后,快开旁通阀P I D调节器在手动方式运行,根据煤气流量与阀门开度的折线函数对阀门进行开度控制,3s以后,该调节器转入自动方式运行,对阀门进行变积分P I D调节。

具体如下:通过煤气流量计算阀门开度:经过煤气温度、压力的补偿,得到煤气流量和阀门开度的折线函数。

共有10个折线函数,对应着为旁通阀开度为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的煤气流量,这些作为停机时前馈控制传递函数的计算。

3.1.3　手动控制当机组紧急停机后的前0.5s,计算机判断两个旁通阀的情况。

如果其中有一个阀门的控制开度低于5%时,将全部的流量通过另外一个阀门输出;如果两个旁通阀打开的开度均高于5%,则将半流量分别通过两个阀门输出;如果有一个阀门发生故障并打开了一定的开度,则将全部流量减去该阀门开度对应的流量通过另外一个旁通阀输出。

3.1.4　自动控制机组发出联锁停机信号后3s,阀门控制转为自动。

3m i n后,计算机自动将阀门关闭。

在机组发出联锁停机信号3m i n之内,设定值为高炉炉顶顶压设定值;3m i n之后,设定值为高炉炉顶顶压设定值加上3。

测量值为高炉炉顶顶压。

3.2　高炉煤气T R T前馈—反馈控制方案系统采取前馈—反馈控制,其系统方框图如图1所示。

图中G M(S)为前馈控制器的传递函数;G d (S)为流量干扰通道的传递函数;G(S)为控制通道的传递函数。

Y(S)为高炉炉顶压力函数;R(S)为高炉给定压力函数(一般情况下,高炉炉顶压力设定值为165k P a);V(S)是干扰,为煤气流量的传递函数,也就是高炉煤气流量与阀门开度对应的折线函数。

整个系统中,主变量(被控变量)为高炉炉顶45包钢科技第36卷压力。

由旁通阀前馈—反馈控制系统方框图可看出,当高炉煤气流量V (S )发生变化时,前馈控制器获得此信息后,既按一定的控制动作来改变阀门的开度,以补偿高炉煤气流量的变化对被控变量(高炉炉顶压力)的影响。

同时对于前馈未能完全消除的偏差,以及未被引入前馈的其他干扰作用,如高炉煤气温度的波动引起的炉顶压力的变化,在温度控制器获得高炉顶压的变化信息后,通过温压补偿的流量计算对阀门产生校正作用。

这样两个通道的校正作用相叠加,将使高炉炉顶压力尽快的回到给定值。

因此,实际上它是一个按干扰控制和按偏差控制的结合,也称之为复合控制系统。

图1　旁通阀前馈-反馈控制系统方框图3.3　采取前馈—反馈系统控制方案的优点(1)在前馈控制的基础上设置反馈控制,可以大大简化前馈控制系统,只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿,而对其他许多次要的干扰,可依靠反馈予以克服,这样既保证了精度,又简化了系统。