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国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第1页共10页国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用安刚1蒋杨平2（1.浙江中控技术股份有限公司杭州3100122.杭州华顺炉业有限公司杭州310017）摘要以某钢厂的鱼雷罐烘烤装置的控制系统为工程项目为背景，采用浙江中控技术股份有限公司自主研发的GCS-G5系统，实现对鱼雷罐车大修以及中修烘烤的自动化控制。首先介绍了鱼雷罐烘烤装置的工程概况和工艺介绍，DCS系统的配置和功能，以及主要控制回路的设计与实现控制方案。重点介绍烘烤装置温度控制优化设计，采用改进型双交叉限幅的控制策略和空燃比偏差补偿策略，增加系统安全性和可靠性，并且提升整个烘烤装置的节能性。关键词鱼雷罐温度控制优化改进型双交叉限幅空燃比偏差补偿TheApplicationOfDomesticDCSSystemtoTorpedoTankBakingDeviceAnGang1,JiangYangping2(1.ZhejiangSUPCONTechnologyCo.,LTD,Hangzhou,310053,China2.HangzhouHuaShunFurnaceCo.,LTD,Hangzhou,310008,China)AbstractBasedontheprojectofasteel’storpedotankbakingdevice’scontrolsystem,Realizetheautomaticcontroloftorpedotanker'soverhaulandmid-repairbakedbyusingtheGCS-G5systemresearchedanddevelopedbyZhejiangSUPCONTechnologyCo.,LTDondependence.Firstintroducetheprojectoftorpedotankbakingdevice,thecraft,DCS'sconfigurationandfunction,designandimplementationofprimarycontrolloop.Focusesontheoptimizeddesignofbakingdevice'stemperaturecontrol.AdoptthecontrolstrategyofImprovedDoubleCrossLimitandAir-fuelRatioOffsetCompensation.Increasesystem'ssecurityandreliability.Enhancetheenergyefficiencyofthebakingdeviceatthesametime.KeywordsTorpedoTank,TemperatureControlOptimization,ImprovedDoubleCrossLimit,Air-fuelRatioOffsetCompensation1前言目前在当年世界的各大钢铁厂中，鱼雷罐式混铁炉是作为最常用和重要的高炉和转国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第2页共10页炉之间的炼钢辅助设备之一，用来预处理铁水，均匀铁水成分和温度，保证及时向炼钢炉供应铁水。如图1所示。图1鱼雷罐混铁车修砌鱼雷罐车所用耐火材料主要为粘土砖、镁砖及绝热材料等。鱼雷罐车为保证良好的保温效果，必须保证衬里的耐火砖材料按照烘烤工艺温度模型进行修补【2】。混铁炉的工作寿命与衬里耐火砖的使用寿命关系很大，对每次的中修和大修的烘烤温度控制效果有着极为密切的关系。目前国内大都采用DCS系统对鱼雷罐车装置的大修和中修进行温度进行优化控制和连锁设计，合理设计自控系统能够有效的提高鱼雷罐车装置的可靠性，温控精度性和自动化水平。2工程概况和工艺介绍该钢厂一期投入使用2台容量为1300吨的鱼雷罐炉车来满足铁水预处理的效率，进而满足转炉生产的需要。该鱼雷罐车的焦炉煤气输送管路分为2个支路，其中小分支管路为DN50，用于0到350度低温段的煤气小流量控制，而另一个分支管路为DN80，用于350到1000高温的煤气大流量控制。空气管路和煤气管路共同混合后进入混铁炉炉内。经过烧嘴的旋流片后的火焰喷向鱼雷罐的两侧，以加热衬里的耐火砖。该罐车在反复承装铁水后，炉内耐火材料被铁水和炉渣不断侵蚀，根据衬里耐火砖的热损坏程度进行中修和大修，严格按照工艺修补曲线模型，对衬里材料进行修补【6】。升温曲线以大修为例，如图2所示。国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第3页共10页图2大修升温曲线图其中的温度优化控制能否保证高精度和安全并能否节省煤气，成为鱼雷罐车烘烤装置自动化控制的重中之重。3DCS网络配置鱼雷罐车的DCS控制系统采用浙江中控技术股份有限公司WebFieldGCS-G5控制系统，该系统具有全系统冗余结构，高可靠性的系统设计，高性能热备解决方案，完善的在线下载机制、诊断机制以及设备管理功能。除具有强大的模拟量回路控制能力还具有大容量的高速逻辑控制能力，并且具有强大的第三方通讯能力，可连接符合EPA、PROFIBUS、MODBUS和HART等国际标准的各种智能设备和仪表【3】。该系统采用1个工程师站，1个操作站，2个HMI操作站，2个控制站和1套过程控制网组成,2个HMI操作站也可以分别独立操作A和B两个台位鱼雷罐车。其中GCS-G5控制系统采用冗余系统，HMI操作站采用西门子触摸屏TP270与G5系统进行通讯，来保证整个系统的操作的可靠性。工程师站采用SUPVIEW4.0软件组态，通过OPC与该钢厂内L2上层生产管理系统进行数据通讯互联，实现对该罐车的生产任务下达和指标预定。该系统网络配置如图3所示。国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第4页共10页图3网络配置图4控制方案4.1常规控制G5控制系统完成的主要常规控制有：炉温回路控制、炉温升降模型输出、助燃风回路流量测量及控制、天然气回路流量测量及控制、天然气燃烧安全保护回路控制、天然气流量显示和流量累积；风机远程启动停止、燃烧火焰检测（着火显示、熄火报警）、风机压力欠压报警、氮气压力欠压报警、炉温温差报警、炉况状态显示和报警等功能。4.2连锁方案由于鱼雷罐车只有一处敞口，密闭性较好，虽然对温度控制比较有利，但是对于安全控制提出了相当高的要求。一旦出现安全连锁和报警动作，GCS-G5控制系统必须在第一时间内切断煤气阀门，以保证罐车和人身安全，GCS-G5系统以其20ms的扫描周期确保了安全联锁的需要。无论是在开炉点火还是熄火后重新进行点火，都必须要遵循相应顺序的安全操作步骤进行操作，尤其炉内温度处于300度到400度时熄火，否则很容易引起罐车爆炸。下面介绍一下必须引起煤气开关阀切断的连锁条件：1)火焰反馈延时设定时间后无2)风机反馈无国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第5页共10页3)温度偏差大于设定值4)温度变化率大于设定值5)仪表空气气源压力低6)空气管路压力低7)焦炉煤气管路压力低当然以上条件可根据实际烘炉情况设立投切开关进行选择。4.3温度控制优化方案该罐车的炉温控制无疑是本套DCS控制的重点和难点，如何在保证安全的情况下实现温度的精度控制并且实现节能燃烧也是本文章重点进行介绍的关键环节。为了保证燃气与空气有一定的配比关系，最常用的方案之一是常规比值串级调节系统，该方法在国内众多小型工业窑炉的温度控制当中仍然在使用【1】。但是这样对于厂内煤气压力不稳定，热值变化大的窑炉不能取得比较好的控制效果。如图4所示。图4常规比例串级调节系统对于该钢厂内的鱼雷罐混铁炉的温度控制来讲，有以下不利于温度控制因素需要在制定自动控制策略时着重考虑：1)煤气压力变化较大，而且焦炉煤气的热值也会发生较大变化。2）炉内的烧嘴在时间较长后，也发生变形，温度控制会很难。3）设定温度跨度大，分段多，需历经5次升温和5次保温阶段，恒定的PID数值很难取得良好的温度控制效果。4）控制精度要求高，升温需要控制在±4℃，保温控制在±2℃。5）空燃比在温度控制过程中一直需要变化，才能保证火焰硬度。既要防止空气过量火焰被吹灭，还要防止煤气不充分燃烧，冒出黑烟。6）火焰硬度需要通过观察孔进行观测和记录。为实现良好的温控目标，消除以上不利因素，该项目采取变化PID规则库、基于空燃比国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第6页共10页偏差为副回路前馈补偿、温度偏差和温度变化率为主回路前馈补偿、空燃比曲线规则库这4种控制策略对常规的双交叉限幅控制策略进行改进，取得了非常的控温效果和节能效果。常规的双交叉限幅策略常规的双交叉限幅燃烧控制采用煤气流量和空气流量的实测值来分别对副回路控制器的空气流量和煤气流量的设定值进行限幅，通过相互制约来防止负荷变化很快时出现燃料或空气的过度过剩【6】。如图5所示。图5常规双交叉限幅原理图K1-负荷增大时的冒黑烟极限设定值；K2-负荷减小时的冒黑烟极限设定值；K3-负荷减小时空气过剩极限设定值；K4-负荷增大时空气过剩极限设定值。系统中设置的四个变量+K1、-K2、-K3、+K4和的作用如下：1）在动态变化过程中，当升负荷时，实现“先增加空气后增加煤气”可以通过选择K4K1，当降负荷时，实现“先减少煤气后减少空气”；选择K3K2。这样不仅可以使煤气流量可空气流量的变化速度相协调，而且可以解决因煤气流量调节阀的动作快，往往空气流量调节阀来不及动作引起冒黑烟的问题。2）系统中四个变量的取值与负荷响应性能和节能效果有很大关系。从节能的观点看，K1和K3的值越小越好，但是太小会直接影响系统负荷响应的性能。为了防止空气和煤气流量国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第7页共10页的随机变化由此引起的高、低选择器不必要的频繁切换给系统带来的波动，因此DCS控制系统必须对K1，K2，K3，K4变量设置死区区间。考虑到空气流量需要有一定的过剩率，通常K1和K2取值2～5%，K3和K4取值4～10%【7】。4.3.1PID规则库策略大修和中修的温度控制设定曲线都为5段，均是从室温缓慢升至1000℃左右。仅凭借一组恒定的PID数值是无法完成的。需要根据每个升温段和每个保温段的温度范围队外环温度回路，内环煤气回路以及内环空气回路的比例P、积分I、微分D的3个数值进行分别设定，这样得到P、I、D三组数据的最佳组合，可以保证控温的精度。对于外界的干扰和压力波动等情况，此方案增强了系统控制的鲁棒性。PID参数设定如图6所示。B台位参数温度PID设置煤气PID设置空气PID设置温度范围℃比例(P)积分I(分)微分D(秒)比例(P)积分I(分)比例(P)积分I(分)0--250404.0100600.71301.2250--352323.0601200.81501.5352--502302.0402001.81651.7502--800201.0302201.81801.8800--1050150.8201601.63001.8图6PID参数随温度变化设定图4.3.2空燃比偏差补偿策略在温度控制的动态过程中，空燃比会出现短暂的波动。在炉温――燃烧串级控制系统中，来自空气和煤气流量的波动和干扰应该尽量抑制在副回路内，使其不对温度外环主回路产生影响。因此，本项目采用了基于空燃比偏差反馈的补偿策略。其主要思想是：通过检测当前空气和煤气的实际流量获得实时的空燃比r，与空燃比设定值rs进行比较得到空燃比偏差Δr，以该值作为空气和煤气内环回路的前馈作为指导，调整空气流量和煤气流量调节阀的输出值。在补偿时按照以下的原则：如果空燃比偏差Δr0，那么空气流量ΔfA0，煤气流量ΔfF0；如果空燃比偏差Δr0，那么空气流量ΔfA0，煤气流量ΔfF0。经过对空气回路和煤气内环回路的补偿，空燃比r的波动被抑制在了较小的范围内，并且可以很快恢复到设定值rs，而且对于煤气压力波动造成的流量变化，也可以很快的得到国产DCS系统在钢厂鱼雷罐车烘烤装置上的应用第8页共10页纠正，大大提高了系统的控制及时性。4.3.3温度前馈改进型策略为保证温度控制的安