关键词：大时滞，大惯性，时变快，优化串级控制
YUAN Qi, PAN Lian
Abstract: By the analysis of the great nonlinear, inertia and quick-vary typical in the burning process of the coke oven two of a steel works Coking and Chemistry Plant. Introduce a question of how to optimize the control of heating course, reduce the energy consumption of coking, guarantee the coke is even and steady and ripe, lengthen service life of coke oven. It applied that computer contro1 technology into the actua1 production, realized the surveillance of important influencing factors and the control of accuracy and more efficiency in coking production. Eventually, it realizes automatic control in coking production. It also provides the enterprise with reliable and scientific policy-making basis.
Key Words: great nonlinear, great inertia, great quick-vary, optimizing cascaded control
0 前言
焦炉是冶金工业的一个重要的热工设备，它有两个产品:煤气和焦炭。焦炉为高炉炼铁炼钢提供焦炭，也为工业炉窑和民用提供燃气。焦炭是冶金和化工等行业的重要原料，它的质量和产量直接关系到后续工业生产的稳定性，同时焦炉是钢铁企业中的耗能大户，如何节约能耗、提高焦炭的产量和质量是焦炉控制和管理的核心问题[1]。
焦炉是结构独特的工业炉窑，在炼焦厂的总能耗中，焦炉加热用的煤气量约占总能耗的70%[2]。因此，实现焦炉加热过程的最优控制，对于降低焦炉燃耗、提高焦炭产量和质量、延长焦炉寿命、减少环境污染和改善劳动条件都具有非常重要的意义。
1 控制原理
串级控制方案，分别以火道温度和煤气压力、副回路的被控参数为主，引入副回路的目的是为了克服高炉煤气总管压力的频繁波动，内环控制回路主要是焦炉煤气和高炉煤气阀门开度的反馈控制，以及机侧烟道和焦侧烟道挡板开度的反馈控制，它通过调节焦炉煤气和高炉煤气的阀门开度，控制煤气主管的压力，使煤气主管压力稳定在一个合适的值，以控制进入到各个燃烧室的煤气流量，同时调节机侧烟道和焦侧烟道的挡板开度，使烟道吸力稳定在一个合适的值，以保证进入到各个燃烧室的煤气能充分燃烧[3,4]。它的控制规律一般为PI调节，采样控制周期为15s。主回路采用多模式模糊控制，主要是保证立火道温度稳定在给定的目标值上，同时对煤气压力的波动起到了一定的稳定作用。构成了一个基于压力的温度反馈的自动控制系统，实现了焦炉燃烧过程温度的优化控制。
串级控制系统方框图见图1[2]，它采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
图1 串级控制系统方框图
（Fig. 1 Optimizing Cascaded Control system Pane）
本系统所采用的串级控制方案，分别以火道温度和混合煤气压力为主、副回路的被控参数，引入副回路的目的是为了克服混合煤气总管压力的频繁波动，它的控制规律为一般为PI调节，采用控制周期为15s。主回路采用多模式模糊控制。通过副回路稳定煤气压力，以保证煤气流量的相对稳定，并间隔一定时间根据火道温度的高低调整煤气压力控制系统的设定值。火道温度用蓄热室顶部温度拟合后得到模拟火道温度代替。
系统中不可避免的存在大量的扰动因素，根据扰动因素的位置不同，可分为如下几种情况：
（1）扰动作用在副回路;
若焦炉煤气合高炉煤气的流量（压力）发生变化时，它首先影响到全炉的火道温度，此时蓄热室顶部温度也发生变化，副调节器此时产生自动作用，改变煤气流量以稳定火道温度，若扰动量较小，副回路一般可以及时进行控制，不会影响到主回路火道温度，若扰动较大时，经过副回路，大部分可以被克服，余下小部分则被主回路消除。因此，若扰动存在于副回路，则火道温度可以及时恢复到设定值。
（2）扰动作用在主回路;
当入炉煤参数发生变化影响到火道温度时，此时主控制器发生作用，通过改变混合煤气主管流量（压力）的设定值。副回路的存在也改善了控制特性，因而可以使火道温度及时回到设定值上。
（3）扰动同时作用在主回路和副回路;
若扰动同时使主、副变量按同一方向变化，即主、副变量同时升高或者降低，此时两个调节器对执行器的控制方向是一致的，加强了控制作用，提高了控制质量，若主、副变量变化方向相反，则两个调节器对执行器的控制方向相反，对阀门的开度做小小的变化就可以达到控制的要求，也可以提高控制的质量，如入炉煤水分降低会使火道温度升高，此时可以降低混合煤气的压力（流量），就可以使火道温度降低，从而达到维持火道温度稳定的目的[3,4]。
2 系统设计
2.1 系统结构
采用的焦炉加热优化串级控制系统框图见图2[3]。它包含以下几个方面：
（1）稳定结焦时间方案
该方案是以二前馈二反馈一监控相结合的优化串级调控，分别为：
二前馈：供热量前馈、分烟道吸力前馈控制，即根据装炉煤参数、焦饼终了温度和结焦时间确定供热量，再根据加热煤气参数和焦炉作业率确定前馈输入煤气流量和压力;根据煤气流量、热值和目标火道温度、空气系数确定前馈输入分烟道吸力。
图2 焦炉加热优化串级控制系统
（Fig.2 Coke Oven Heating Optimizing Cascaded Control system）
二反馈：目标火道温度反馈和炉温反馈控制，即通过蓄顶温度与火道温度的相关性间接
得到火道温度的实测值，由设定值与实测值的偏差反馈调节供热量;由测得粗煤气温度后求取结焦指数，再与设定值的偏差进行炉温反馈调节。
一监测：分烟道含氧量监测（或α反馈），即由实测废气含氧量计算得到的空气系数与其设定值的偏差值，对烟道吸力的设定值作反馈调节。炉温控制采用串级控制、吸力控制采用设定值随动控制方案。
（2）结焦时间变动时的控制方案
该方案是以优化串级控制与专家系统相结合的方案。只在结焦时间变动时运行，运行中按结焦时间变化幅度分步实施。具有操作简单、稳定可靠的特点，当达到规定的结焦时间和炉温后即进入稳定结焦时间。
（3）温度检测系统
采集蓄热室顶部空间温度或跨越孔温度对火道温度，利用立火道软测量模型，根据蓄顶温度或跨越孔温度得到整个焦炉的平均炉温。
（4）建立相关的数学模型，并采用模型自学习系统对模型进行自动修正。控制数学模型主要包括前馈供热量数学模型、目标火道温度计算模型、分烟道吸力前馈控制模型、结焦终了时间判断模型。
2.2 目标火道温度的优化控制模型
目标火道温度是机、焦侧火道温度平均值的目标值，它是在规定的结焦时间内保证焦饼成熟的一个主要工艺指标，合理确定目标火道温度不仅影响焦炭质量，而且对节能降耗至关重要[5,6]。目标值定得过高，单位产品的能耗迅速上升，并且容易造成“扒焦”现象，费时费力。若定得过低，焦炭不能成熟。根据统计分析发现，火道温度每升高10℃，炼焦耗热量就增加95kJ/kg，因此，目标火道温度的确定是焦炉节能降耗的一个重要环节，影响目标火道温度的因素主要有结焦时间和焦饼中心温度，以及装炉煤的堆密度、含水量、炭化室宽度、炉墙厚度等，对传热方程进行数值求解可以得到目标立火道温度实用模型。数学模型主要包括以下几个：
（1）前馈供热量模型
国外在焦炉控制中采用最多的是此类模型。前馈供热量控制模型的关键是确定炼焦耗热量。根据焦炉热平衡Q入=Q出理论，可对炉墙与煤料的传热方程归纳为;
（2） 目标火道温度模型
对于刚投产的焦炉从开工到达生产，结焦时间需要逐渐缩短，该过程最短需要1-2个月，通过测定不同结焦时间的焦饼中心温度，为今后生产建立一套合理的加热制度是十分重要的，根据对不同结焦时间的焦饼中心温度的实测数据和理论数据进行的回归分析，可以得到焦饼中心温度模型和目标火道温度数学模型如下：
机侧焦饼中心温度模型：
（3） 分烟道吸力控制模型
吸力控制能够保证加热煤气的合理燃烧，因为燃烧状态的好坏取决于空气和煤气的混合比例，称之为空气过剩系数（α）[6]。煤气量由反馈控制回路调节后设定，空气量由蓄顶吸力和风门开度决定，在风门不变的情况上，可由吸力控制空气量。煤气量与控制的混合比（α）一般采用设定值随动控制方案使α不变。
由于采用煤气加热时，炉温的变化比较缓慢，每调节一次流量（压力），大约4h后才会比较明显地反映出温度的变化，因此，煤气和分烟道吸力的调节幅度每次不宜太大。通过对现场数据的分析，可以找出在最佳燃烧状态下的煤气压力与分烟道吸力之间的关系模型，直接根据煤气压力的波动调整分烟道的吸力。使烟道吸力与煤气压力相适应，测量分烟道中废气的含氧量并加以校正，以保持一定的空气过剩系数，使燃烧处于最佳状态。
在具体的实施过程中，由于采用混合煤气加热时，机、焦侧的流量（压力）差别很大
系统可通过判断实际净结焦时间和目标净结焦时间的偏差，来修正预定的炉温特性曲线。在水钢实际的操作中，由于受一些条件的限制，无法根据模型来判断，而是一般根据结焦终了时刻前后粗煤气的两个特征来判断结焦终了时间。第一就是根据粗煤气的颜色由黄色变为蓝白色;第二就是根据粗煤气温度在火落前一定的时间内明显地上升后几句下降来判断。
综上所述，为使焦炉加热最佳化，控制系统中需包括前馈供热量模型、目标火道温度模型、分烟道吸力控制模型、结焦终了时间判断模型等计算单元即控制模型，控制模型的获取有多种途径，目前主要是通过现场测试和收集大量生产数据进行统计处理或回归求得。
2.3 实时趋势画面
在系统投运前，立火道温度波动较大，波动范围基本稳定在±25℃，投运后整体上温度比较平稳，波动大部分稳定在±10℃之间，最大波动为±15℃，故火道温度得到了很好的控制效果。
同时实现了机焦侧混合煤气压力以及分烟道吸力的自动控制。 机焦侧混合煤气压力控制偏差大部分在±50Pa。与此同时，机焦侧烟道吸力控制偏差大部分也在±5Pa。
主要包括12个主要参数的实时趋势画面，具体如下所示
图3 实时趋势画面
（Fig.3 Real Time Tendency Picture）
3 结论
某钢厂新2#焦炉是一个典型的大惯性非线性时变的复杂的系统，干扰因素很多，它的过渡过程时间长达6～10h，并且过程特性参数受装煤量、煤的性质、含水量等影响较大。采用传统的控制方法难以获得好的控制效果。因此采用了焦炉加热优化串级控制系统，即OCC（Optimizing Cascaded Control）系统， 它采用了复杂控制系统中的串级控制和前反馈相结合的控制方法,在实际生产中得到了很好的运用。
本控制方案经实际生产实践检验表明是一套合适焦炉控制的系统，它不仅能够及时调节焦炉供热量的大小，且具有较强的抗干扰能力。当然，它不仅仅在理论上是可行的，在实际系统中的运行效果也比较不错，一般都是通过在投用一段时间都焦炉操作制度改善程度和节能情况，通过比较串级控制投用前后的煤气用量、均匀系数、火道温度变化等来分析其投运效果。
（1）标准火道温度的优化，降低了焦饼中心温度5℃，不仅可以节约加热煤气用量，而且根据炼焦过程NOx生成情况表明，降低焦饼中心温度可以大大减少NOx的排放。
（2）采用OCC工艺后改善了焦炉操作环境，减轻了工人的劳动强度
（3）由于炼焦能耗降低，CO2排放量降低，有利于环境保护。
参考文献
[1] 姚昭章. 炼焦学（修订版）[M]. 北京:冶金工业出版社,1995.
[2] 郑东明; 严文福. 焦炉加热自动控制系统评述与应用[J]. 华东冶金学院学报,第16卷,第3期,1999.7.
[3] 严文福;郑明东等.焦炉加热优化串级调控数学模型研究与应用.安徽工业大学学报. 299～302卷,2003.4.
[4] 尔联洁. 自动控制系统仁[M]. 北京:航空工业出版社,1994.
[5] 王彦超;田慧. 可靠实时工业控制网络的优化设计. 微计算机信息,2008年第3-2期.
[6] 鲍立威;何敏;申志强. 大型焦炉计算机优化系统.冶金自动化,第18卷,第1期,1994.1.
