PID调节技术在高炉煤气稳流节能中的应用.pdf

使用与维护第4 2 卷2 0 2 4 年第1期（总第2 2 9 期）PID调节技术在高炉煤气稳流节能中的应用宋超，刘炯昊（1日照钢铁控股集团有限公司；2.宝得流体控制系统（江苏）有限公司，山东日照2 7 6 8 0 6）【摘要】本文分析了PID调节技术的原理及参数调试方法，探讨了基于PLC的煤气稳流PID控制方案，在实现了煤气流量稳定的同时，达到节能减排的目的。【关键词】PID控制；煤气稳流；节能减排Application of PID Regulation Technology in Steady Flowand Energy Saving of Blast Furnace GasSong Chao,Liu Jionghao?(1.Rizhao Steel Holding Group Co.,Ltd.;2.Burkert Fluid Control Systems(Suzhou)Co.,Ltd.Rizhao 276806,Shandong)【A b s t r a c t 】T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e p r i n c i p l e a n d p a r a me t e r d e b u g g i n g me t h o d o f PID R e g u l a t i o n T e c h n o l o g y,a n dexplores the PLC-based PID control scheme for gas steady flow,so as to achieve energy saving and emission reduction whilerealizing the stability of gas flow.Keywords PID control;gas steady flow;energy saving and emission reduction1前言高炉煤气是传统冶金行业用于热风炉、加热炉、石灰窑等主要燃料，一般通过电动调节阀进行煤气流量的调节。生产过程中电动调节阀一般固定在一定开度，根据生产对煤气的需要进行人工调节。高炉煤气压力不稳定且频繁波动，煤气流量随之波动，为生产过程带来了一系列问题。通过采用PLC煤气稳流PID调节技术，实现了煤气流量稳定，解决了煤气压力不稳带来的生产问题2传统人工调节存在的生产问题传统冶金生产中，通过中控人工操作电动调节阀控制煤气流量供生产使用。生产过程中来自炼铁高炉的煤气压力频繁波动，煤气流量随压力忽大忽小波动频繁，一般中控操作人员需关注及调控的工艺参数较多，并时常需要兼顾多条产线，造成在煤气压力波动时人工操作难以实时根据煤气流量变化及时调控。一般只能将电动调节阀保持较大开度，以保证在煤气压力较小时也能满足燃烧煤气供应，这就导致煤气压力变大时煤气过盈供应，造成煤气浪费。同时，煤气压力变大供应过盈时，燃烧不充分，产生CO，排放后造成环境污染。另外，煤气调节使用电动调节阀，调节精度差、响应速度慢，且电动调节阀作为执行部件频繁操作容易过热烧坏，存在大量的检维修问题，耗时并增加了维修成本。3PID控制的基本原理PID是Proportional（比例）、Integral（积分）Differential（微分）的缩写。PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是工业过程控制中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法。PID控制算式如下：u(t)=K,lee(t)+Ie(t)dt+T,de(t)Tdt式中：u（t）为PID控制器的输出信号；e（t）为PID控制器的输人，信号给定值与测量值之差；Kp为比例系数；T为积分时间，s；T a 为微分时间，S。比例系数K，越小，控制作用越小，系统响应越慢；K,越大，控制作用越强、响应越快。但是，Kp过大会使系统产生较大的超调和振荡，导致系统的稳定性能变差积分时间T越大，积分速度越慢，积分作用越弱；T越小，速度越快、作用越强。T越大也使用与维护第4 2 卷2 0 2 4 年第1期（总第2 2 9 期）会引起较大的超调和振荡，影响系统稳定性。微分时间T越大，微分作用越强，反之越弱。若T过大，会对偏差过分抑制，导致出现振荡，也会使系统出现不稳定。单纯的比例控制无法彻底消除偏差，存在静差；积分控制作用的引人虽然可以消除静差，但是降低了系统的响应速度；特别是对于具有较大惯性的被控对象，仅靠比例、积分控制很难得到很好的动态调节品质，系统会产生较大的超调和振荡，这时就需要引入微分控制。比例、积分与微分一般不单独使用，常用的形式有PI控制及PID控制。这样不仅克服了单纯的比例调节存在静差的缺点，又避免了单纯的积分调节响应慢、动态性能不好的弱点。由各个参数的控制规律可知，比例使反应变快，积分可以消除静差提高控制精度，微分使反应提前。在不出现振荡的情况下，Kp、T a 值越大、T值越小，调节的效果越好。PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中不可避免需要多次尝试。在调试中最关键的在于系统性能不能令人满意时，能够根据各参数对系统性能的影响规律确定调节哪个参数，应该增大还是减小，从而实现理想的调节目标。4基基于PLC的煤气稳流PID调节方案4.1煤气流量调节PID控制系统原理如图1所示，核心部分为在PLC中编程实现PID控制算法。控制原理为：中控操作人员根据产量及工况需求设定煤气流量r（t），通过人机操作界面写入到PLC的中央处理器CPU，系统自动对比检测的实际煤气流量值(t)计算出偏差e(t)。通过PID控制算法的计算结果u（t)，即气动执行器开度给定对气动执行器的实时调节，不断缩小实际煤气流量与目标煤气流量的偏差，最终使偏差值在可接受范围（死区）内，达到实际煤气流量接近目标煤气流量并稳定在目标煤气流量附近一定范围内围煤气压力PLC波动AO模块十CPU气动执行器煤气阀门AI模块煤气流量计图1煤气流量调节PID控制系统原理图4.2气动调节阀改为气动执行器因为煤气压力波动频繁，PID调节投用后为保证煤气流量的稳定驱动煤气阀门动作频繁，电动调节阀除响应速度慢、煤气流量调节效果不理想外，还容易发热烧毁。因此将电动调节阀换为了气动执行器。气动执行器以压缩气体为动力源、以气缸为执行部件，借助电磁阀、阀门定位器、转换器、气体过滤器等，实现气动执行器比例式调节。气动执行器的优点是响应快速、调节精度高，且以气缸为执行部件，不会因操作频繁发热烧坏。4.3PLC中PID控制器的参数设置PLC中有现成的PID算法块可调用，以西门子PLC编程软件Step7为例，PID算法模块为FB41，对参数进行设置后可直接调用。本案例中调试完毕投用后，PID控制器参数瞬时值见表114 。表1PID控制器参数瞬时值参数名称PLC参数名称参数值设定煤气流量r(t)/(mh)SP8000.0实际煤气流量y(t)/(mh)PV7994.8比例增益/%GAIN0.0005积分时间T/sTi15微分时间Ta/sTd0采样时间/sCYCLE3死区宽度/%DEADB50.0输出值上限/%LMN_HLM100.0输出值下限/%LMN_LLM0.0气动执行器开度给定u(t)/%LMN22.5下转第9 页使用与维护第4 2 卷2 0 2 4 年第1期（总第2 2 9 期）4结语通过对连续退火炉烧嘴燃烧系统的优化管理，实施烧嘴故障管理优化（故障处理标准步骤及方法）、烧嘴燃烧控制模式优化、烧嘴空燃比调整优化等，及时处理退火炉烧嘴故障，降低烧嘴燃烧系统氮氧化物污染物，提高燃料能源利用率，延长烧嘴设备使用寿命，保障生产热需求，降低设备备件费用成本。从冷轧厂退火炉烧嘴燃烧系统使用情况分析，不同的烧嘴类型、燃气类型、燃烧控制模式、产品类型对烧嘴燃烧系统细节上有更高的要求，提高烧嘴燃烧系统日常维护保养水平、管理水平及理念，建立特殊管理体系，避免烧嘴燃烧系统因管理不善而导致的设备故障、生产异常、废气排放环保、污染问题导致停产或限产，为上接第5页5改造效果生产实际需求煤气流量为7 50 0 m/h，改造前为防止煤气流量波谷时煤气供应不足影响燃烧温度及产品质量，手动调节阀门一般将阀门固定设置在偏大一些开度，如图2 所示。设定流量实际流量PID调节投用时间时间/图2PID调节投用前后煤气流量对比图PID投用前煤气流量波动较大，波动值在74008200m/h之间，平均7 7 0 0 mh。改造后PID调节煤气流量，流量曲线较平稳，波动值在74507550m/h之间，平均7 50 0 m/h。对比改造前，节省煤气2.6%左右。改造前年煤气用量约2.2 亿m，改造后预计年节约煤气57 2 万m，煤气价格0.1元/m，节能年效益约57 万元。改造后煤气流量供应平稳，有利于燃烧工况及产品质量公司创造经济效益并树立绿色环保的良好品牌形象；与此同时工作人员还应该对自身的专业化技能进行相应的提升，确保在实际生产过程中烧嘴燃烧系统质量和效率最大化的得到改善，为其更进一步的发展提供相应的支持和帮助，促使冷轧厂的发展能够很好的达到当前社会发展中的相关要求。参考文献：1】王溪刚，李虹.热镀锌机组退火炉温度控制浅析J.本钢技术，19 9 7，0 3(0 3)：38-39.2王立军。退火炉烧嘴燃烧自动控制系统J冶金动力，2 0 17，0 0 1(0 0 1)：7 5-7 8.（2 0 2 3-0 6-13收稿）的稳定。解决了煤气过盈供应、燃烧不充分可能导致的CO外排污染问题6结语PID调节技术在工业过程控制中应用广泛，尤其是在被控对象数学模型不是很清楚的情况下，使用PID调节技术具有比较大的优势。本项目设计以煤气流量作为调节对象，通过基于PLC的PID调节技术实现了煤气流量的自动调节，稳流及节能减排效果明显，为后续实现冶金企业无人化、数智化奠定了基础。参考文献：1】黄波.基于PID的恒流量控制系统的设计J.机电工程技术，2 0 15，4 4（9)：8 6-8 7.2张亮，袁君.PID调节器在石灰窑煤气流量控制中的应用J.现代冶金，2 0 15，4 3（6）：35-37.3何芝强.PID控制器参数整定方法及其应用研究D.杭州：浙江大学，2 0 0 5.4刘忠超，田金云.电气控制与西门子S7-300PLC编程技术M.机械工业出版社，2 0 17.（2 0 2 3-0 6-0 1收稿）