付新安，曲徑幽，陳德磊，任樹茂

(首鋼京唐鋼鐵公司能源與環(huán)境部河北唐山063200)

無模型自適應(yīng)控制在煤氣混合站的應(yīng)用

付新安，曲徑幽，陳德磊，任樹茂

(首鋼京唐鋼鐵公司能源與環(huán)境部河北唐山063200)

以首鋼京唐鋼鐵公司熱軋煤氣混合站項(xiàng)目為背景，以其中一套為例，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套基于無模型自適應(yīng)的過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱軋煤氣混合站控制過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

煤氣混合;無模型自適應(yīng);過程控制

1 引言

鋼鐵廠熱軋工藝要求煤氣壓力、熱值保持穩(wěn)定。壓力過低，會(huì)導(dǎo)致加熱爐滅火，嚴(yán)重情況下會(huì)引發(fā)安全事故。熱值過高，會(huì)加速燃燒噴嘴損耗，影響加熱爐使用周期。熱值過低，會(huì)造成板坯加熱不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量，加重軋機(jī)及軋輥磨損?？梢哉f，煤氣混合控制系統(tǒng)的效果和精度直接關(guān)系到熱軋生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益

首鋼京唐鋼鐵公司熱軋煤氣混合站投產(chǎn)初期采用人工調(diào)節(jié)煤氣壓力和熱值，由于熱軋煤氣用量隨生產(chǎn)節(jié)奏變化比較大，人工操作無法將壓力和熱值控制在要求范圍內(nèi)，難以滿足熱軋的生產(chǎn)需求，給熱軋正常生產(chǎn)帶來困難。這就迫切要求對煤氣混合站實(shí)行自動(dòng)控制，來滿足生產(chǎn)用戶的需求。

2 工藝流程

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司建有高爐煤氣加壓站、焦?fàn)t煤氣加壓站、轉(zhuǎn)爐煤氣加壓站、合成煤氣混合站、熱軋煤氣混合站等設(shè)施。合成煤氣混合站將高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣混合為與轉(zhuǎn)爐煤氣熱值近似的合成煤氣，進(jìn)入轉(zhuǎn)爐煤氣柜，作為轉(zhuǎn)爐煤氣使用。高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣分別經(jīng)過各加壓站加壓后進(jìn)入熱軋煤氣混合站。熱軋煤氣混合站的作用是將三種氣源進(jìn)行混和、配比，達(dá)到一定的壓力和熱值后輸送到熱軋供其加熱爐使用，一步設(shè)計(jì)出口煤氣混合流量為251000 m3/h，混合后煤氣壓力16~22 kPa。二步設(shè)計(jì)出口煤氣混合流量為145000 m3/h，混合后煤氣壓力16~22 kPa。煤氣熱值要求為1900大卡~2300大卡。兩套熱軋煤氣混合站出口支管匯合到總管，供給2250和1580兩個(gè)熱軋廠使用。已一步熱軋混合站為例，見圖1熱軋混合站工藝流程，其中COG包括（焦氣）、BFG（高氣）、LDG（轉(zhuǎn)氣）、LNG（天燃?xì)狻⑽词褂茫?/p>

3 熱軋混合站控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制要求

（1）由于上游煤氣生產(chǎn)的影響，必須對煤氣混合的種類和用量做出及時(shí)調(diào)整。要求根據(jù)混合煤氣的種類和配氣原則進(jìn)行動(dòng)態(tài)比例的混合控制。熱軋混合站可分5種混氣方式：1)純焦氣；2)高焦二氣混合；3)高轉(zhuǎn)焦三氣混合；4)焦轉(zhuǎn)二氣混合；5)焦氣和高焦合成轉(zhuǎn)氣相混合。

（2）三種煤氣氣源壓力不一樣，其中高爐、焦?fàn)t煤氣壓力為12.5 kPa，轉(zhuǎn)爐煤氣壓力為18 kPa，既要保證混合煤氣壓力、熱值穩(wěn)定，又要保證混合煤氣流量隨熱軋使用量變化。

（3）從成本上考慮，多使用低價(jià)值煤氣（高爐煤氣），少使用高價(jià)值煤氣（焦?fàn)t煤氣）,實(shí)現(xiàn)混合煤氣自動(dòng)配比,在保證混合煤氣壓力、熱值穩(wěn)定前提下，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 熱軋混合站工藝流程

（4）克服煤氣混合過程中存在多種擾動(dòng)因素，如熱值測量滯后、各煤氣管網(wǎng)之間強(qiáng)耦合等。

3.2 控制系統(tǒng)選型配置

京唐公司熱軋煤氣混合站原PLC控制系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)功能，無法滿足如此復(fù)雜的煤氣配比自動(dòng)控制[1]，必須增加一套具有復(fù)雜算法功能的控制器。控制器采用美國博軟公司的無模型自適應(yīng)（Model-Free Adaptive，簡稱MFA）控制器。該控制器能夠通過復(fù)雜的邏輯判斷和計(jì)算，輔助PLC對熱軋煤氣混合站現(xiàn)有自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行整合控制進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的先進(jìn)控制系統(tǒng)。MFA與PLC系統(tǒng)配置如圖2所示。煤氣混合站PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換機(jī)通訊方式與MFA控制系統(tǒng)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊交換。MFA主要完成的任務(wù)是將混合站壓力、流量、熱值數(shù)據(jù)通過軟件邏輯功能塊分析計(jì)算判斷后發(fā)出信號(hào)給PLC，PLC再發(fā)出信號(hào)對混合站壓力、流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)煤氣的自動(dòng)混合、配比。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3.3 MFA控制原理

相對PID(比例-積分-微分)控制器而言，MFA控制技術(shù)可以有效地控制包括非線性、pH、多變量以及大滯后等更復(fù)雜的過程，且無需事先建立數(shù)學(xué)模型或模型訓(xùn)練，無須繁瑣的控制器參數(shù)整定，使用和維護(hù)簡便易行（見圖3 MFA控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖）。MFA控制器由一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)負(fù)反饋控制模塊組成。該模塊具有若干輸入和輸出，模塊的控制目標(biāo)是通過產(chǎn)生合理的輸出使設(shè)定值與過程變量（PV）之間的偏差變得越來越小[2]。如圖3所示。

圖3中描述了一個(gè)單輸入-單輸出MFA控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它采用了一個(gè)多層感知器（MLP）人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。該神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)含有一個(gè)輸入層、一個(gè)由N個(gè)神經(jīng)元組成的隱含層和一個(gè)單神經(jīng)元的輸出層。在這個(gè)動(dòng)態(tài)模塊的內(nèi)部有一群加權(quán)因子(Wij和hi)，它們被設(shè)計(jì)成可以根據(jù)需要自動(dòng)地修改模塊的非線性函數(shù)。學(xué)習(xí)算法以設(shè)定值與過程值之間偏差最小的原則不斷地刷新這些加權(quán)因子。這種作用與控制目標(biāo)一致。最終，加權(quán)因子自適應(yīng)調(diào)整的結(jié)果使控制器的偏差趨向于零。這種設(shè)計(jì)使MFA控制器有能力“記住”過程數(shù)據(jù)中包含的過程動(dòng)態(tài)信息[3]。相比之下，數(shù)字PID控制器只記住了當(dāng)前和前兩次采樣的過程信息。MFA更充分地利用了偏差中所含的過程信息。

3.4 MFA控制算法公式

3.4.1 熱值算法公式:

R×Q=RCOG×QCOG+RBFG×QBFG+RLDG×QLDG

圖3 單入單出MFA控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

R=混合煤氣熱值設(shè)定;Q=混合煤氣流量; RCOG=焦氣熱值;QCOG=焦氣流量;RBFG=高氣熱值; QBFG=高氣流量;RLDG=轉(zhuǎn)氣熱值;QLDG=轉(zhuǎn)氣流量

利用預(yù)估熱值與設(shè)定熱值偏差值大小控制混合站焦氣流量，MFA根據(jù)高、轉(zhuǎn)煤氣量變化預(yù)測并超前發(fā)出讓焦氣加壓機(jī)出口回流閥開關(guān)指令，快速彌補(bǔ)焦?fàn)t煤氣壓力和流量，達(dá)到穩(wěn)定熱值效果。計(jì)算出的預(yù)估熱值數(shù)據(jù)和混合煤氣實(shí)際測量熱值數(shù)據(jù)基本一致，如果預(yù)估熱值有誤差可以在混合站上位機(jī)上進(jìn)行修正。

3.4.2 出口壓力算法公式

P=PBFG-P設(shè)

P=混合煤氣出口壓力;PBFG=高氣壓力;P設(shè)=設(shè)定壓力

MFA根據(jù)此公式算出混合煤氣出口壓力，與設(shè)定壓力比較，根據(jù)其差值，自動(dòng)調(diào)節(jié)高爐煤氣加壓機(jī)回流閥，確保混合煤氣出口壓力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

3.5 MFA任意選擇5種混氣控制方式

在混合站使用純焦氣一種氣源的情況下，因焦氣沒有任何可配比的煤氣，對壓力和熱值起不到任何調(diào)節(jié)作用，MFA自動(dòng)調(diào)節(jié)焦氣沒有任何意義，采取手動(dòng)控制即可。高、轉(zhuǎn)、焦三種煤氣，MFA可任意選擇其中二種參與控制，或三種煤氣都參與控制，選擇哪種煤氣可根據(jù)氣源使用情況進(jìn)行靈活切換。采用這種靈活的方式解決了五種煤氣任意選擇、混合、配比的問題（注：選擇參與控制的氣源，MFA自動(dòng)控制其調(diào)節(jié)閥組；不參與控制的氣源，手動(dòng)控制其調(diào)節(jié)閥組）。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

在操作站增加PLC與MFA控制按鈕，操作人員在操作站上實(shí)現(xiàn)控制的投切和解列，全部調(diào)試過程（包括各環(huán)節(jié)控制和協(xié)調(diào)）都是在不影響正常生產(chǎn)過程中進(jìn)行的。下面選取2011年1月16日全天的歷史數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4 歷史趨勢

由圖4可以看到，當(dāng)混合煤氣用量在30000~ 95000 m3/h之間波動(dòng)時(shí)，通過該控制系統(tǒng)，在自動(dòng)控制狀態(tài)下，混合煤氣出口壓力波動(dòng)不超過1 kPa，熱值在不反吹的情況下，波動(dòng)基本控制在100大卡以內(nèi)。手動(dòng)操作無法達(dá)到該控制精度。

5 結(jié)束語

首鋼京唐公司熱軋煤氣混合站自動(dòng)控制項(xiàng)目解決了“先加壓后混合”模式混氣站的多種控制難點(diǎn)和問題，在煤氣混合站整體上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，根據(jù)用戶使用量自動(dòng)調(diào)節(jié)流量、壓力、和熱值，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少能源浪費(fèi)。并且通用煤氣混合加壓站先進(jìn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)首鋼京唐能源部燃?xì)夥謴S的建設(shè)和運(yùn)行特點(diǎn)，從控制方案到控制方法都進(jìn)行了全新的改進(jìn)和調(diào)整，在全行業(yè)范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)和閥組的協(xié)調(diào)控制，為其他企業(yè)做出了表率。

[1]趙嵐,賀連云.PLC控制系統(tǒng)在煤氣混合控制領(lǐng)域中應(yīng)用介紹[J].節(jié)能.2007(10)

[2]楊燦,李大中.無模型控制方法下的跟蹤問題分析[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量.2006(01)

[3]曹衛(wèi)華,吳敏,侯少云.煤氣混合加壓過程的智能解耦控制方法與應(yīng)用[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006(04)

App lication of M odel-free Adaptive Control in Gas M ixing Station

FU Xinan,QU Jingyou,CHEN Delei,REN Shumao
(TheEnergyandEnvironmentDepartmentofShougangJingtangSteelCompany,Tangshan,Hebei063200,China)

A model-free adaptive process control system was designed and developed for the gas mixing station of hot-rolling mill at Shougang Jingtang Steel,achieving real-time process monitoring and control of the gas mixing station for hot-rolling mill.

gas mixing;model-free adaptive;process control

TP27

B

1006-6764（2014）02-0064-04

2013-08-15

付新安（1955-）,男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)從事自動(dòng)化控制方面技術(shù)工作。