刘彩峰
（本钢信息自动化公司 117000）
摘要：通过PLC系统对本钢五炉煤气清洗系统的控制，本文详细介绍了采用PID串级调节实现调节阀控制环缝洗涤塔上下段水位的。
关键词:煤气清洗 高炉顶压 旁通阀组 TRT
1、引言
本钢燃气厂对5炉煤气清洗控制系统进行改造并新建TRT发电系统，为高炉在炼铁过程中产生的煤气进行净化处理。该系统采用西门子S7-400冗余PLC控制系统。
2、控制流程
高炉冶炼的副产品高炉炉顶煤气经过除尘处理后进入环缝洗涤塔中洗涤，环缝洗涤塔分为上段和下段，煤气首先进入到上段进行洗涤，上段为预洗涤段，洗涤后的水比较脏，通过高架水槽回收到水厂进行再处理。其中的和液压阀以及PID调节阀均与预洗涤段的水位连锁控制，控制水位和水量。下段为洗涤段，洗涤后的水比较干净，可以由循环泵打到预洗涤段进行再次洗涤，循环使用。其中的液压阀以及PID调节阀与洗涤段的水位连锁控制，控制水位和水量。环缝洗涤塔净化处理后的煤气进入旋流脱水器进行脱水处理。然后煤气经过并联的旁通阀组和TRT、消音器、填料脱水器、电动插板阀、电动蝶阀，最后进入到净煤气主管提供给用户。
3、控制重点
本钢五号高炉采用环缝洗涤煤气净化设施，只有控制好环缝洗涤塔的上段和下段的水位，才能保证正常的生产。为此上、下段都采用两路PID调节阀和一组旁通阀。上段旁通阀在高高水位时候开阀，高水位时候关阀。上段两路PID调节阀回路中还分别串接一个切断阀，切断阀在低低水位时关阀，低水位时开阀，由PID调节阀根据水位设定值自动调节。下段两路PID调节阀回路中没有串接切断阀，但在去往高架水槽管路中有一个切断阀，这个切断阀在高高水位时开阀，高水位时关阀。旁通阀是在高水位时开阀，正常水位时关阀，由PID调节阀控制水位。由此看出，无论是上段还是下段，只要控制好PID调节阀，就能控制好水位。
4、控制难点
现在的PID调节阀，一般都是接收工业自动化控制系统的4-20mA信号来驱动阀门的，阀门里面都有控制器，控制器把PLC送出的电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，实现角行程或直行程。比如PLC的调节器送出12mA的信号，调节阀就开到50%，调节器送出20mA的信号调节阀就开到100%。5炉煤气清洗工程属于改造项目，调节阀是很早以前的设备，没有更换。它接收的是PLC控制系统的±10V信号来驱动阀门的，而且阀门里面没有控制器，不能把PLC控制系统的±10V信号转换为步进电机的角行程信号。这种调节阀在大于0V的时候调节阀一直开阀，小于0V的时候一直关阀，只有等于0V的时候调节阀才不会动作，停在当前的角度。而且电压值与0V值的偏差越大，调节阀开的速度越快。
5、功能实现
一般PID调节阀控制水位，通过PLC的调节器FB41，用给定单元提供设定控制目标，水位设定值由PID控制器模块的SP_INT端口输入，反馈信号由输入模块采集的水位信号由端口PV_INT输入，PID调节器通过比较给定与反馈信号的偏差进行PID运算（比例、积分、微分），最后由PLC控制器模块的LMN端口输出控制信号，输出与执行单元指用前面的控制信号转换为实际设备的物理量输出，测量单元检测物理量实际值，反馈单元将检测到的信号进行处理转换再反馈到调节单元，如此构成闭环自动调节控制系统。由于这个调节阀的特殊性，这样常用的做法满足不了要求。需要再串接一个PID调节器，形成一个串级调节系统。串级调节是一种由主、副两个调节器彼此串接的双回路调节系统。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆主调节器根据主参数与给定值的偏差输出信号,作为副调节器的给定值,副调节器同时接受副参数信号和给定值并控制调节机构。串级控制系统的计算机顺序是先主回路(PID1),后副回路(PID2)。在我们这里，副回路（PID2）调节器的设定值是主调节器根据主参数与给定值的偏差的输出信号，由PID控制器模块的SP_INT端口输入，反馈信号是输入模块采集的调节阀的阀位信号由端口PV_INT输入，PID调节器通过比较给定与反馈信号的偏差进行PID运算（比例、积分、微分），最后由PLC控制器模块的LMN端口输出控制信号。在主调节器中我们调节的是水位设定值和水位反馈信号，在副调节器中我们调节的是主调节器的偏差输出信号和阀位反馈信号。正是因为在副调节器中通过和阀位反馈信号的比较，才实现了这种调节阀在水位高时调节阀开阀，水位低时调节阀关阀，在水位设定值和水位达到一致的时候调节阀停止动作。
副回路是串级系统设计的关键。副回路设计的方式有很多种。串级控制系统的控制方式有两种：一种是异步采样控制，即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。这是因为一般串级控制系统中主控对象的响应速度慢、副控对象的响应速度快的缘故。另一种是同频采样控制，即主、副回路的采样控制周期相同。这时，应根据副回路选择采样周期，因为副回路的受控对象的响应速度较快。
串级调节系统有如下特点：
（1）串级调节系统可以等效为单回路调节系统，而串级调节系统的副回路成为等效调节对象的一部分，因此串级调节系统被看成是改善了调节对象动态特性的单回路调节系统；
（2）由于副回路的存在，调节系统的工作频率有了较大的提高。副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对被控制量的影响大为减弱；
（3）将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制，提高了对于进入副回路的干扰的抑制能力；
（4）由于副回路是一个快速随动系统，使串级调节系统一定的适应能力，副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系统的响应速度。
PID自动调节系统，一定要实现无扰切换。无扰切换就是在手动状态切换到自动状态的瞬间，或者自动切向手动的瞬间，要没有任何扰动。
（1） 手动情况下，调节器的输出跟踪执行机构的反馈。手动时候，调节器的运算不算数，它的输出始终等于执行器的反馈，这叫做跟踪。当自动投入的瞬间，调节器开始运算，这一瞬间开始运算的结果，叠加到这一瞬间跟踪反馈值上，以后每一时刻都是在上一时刻输出值的叠加。那么这就引出了下一个功能：
（2） 调节器的输入端应该有一个执行器的反馈值。这个反馈值没有太大的作用，他只是告诉调节器：执行器现在开度是多少。在自动状态下，这个值也没什么用处。只有在手-自动切换的瞬间，调节器要开始累加值了，调节器才要知道在什么基础上累加。仅此而已先说副调。手动情况下，输出等于执行机构位置反馈。设定值等于PID调节器的测量值。可是副调的设定值又等于主调的输出，所以主调的输出等于副调的测量。主调的设定等于主调的测量值。副调的调节器输入端，需要有执行机构的反馈值作为手自动切换时候的累加基础。主调的输入端也要有一个手自动切换时候的累加基础，而这个累加基础为副调的测量值，而非执行器反馈，因为此时需要累加的是执行机构的测量值。
（3） 由于PID模块的MAN端口的输入值是其LMN端口的自动控制期间最后的输出值，保证切换瞬间控制器的输出保持不变。实现了PID控制器自动到手动的无扰动切换。此时停止把数据复写到PID控制器的MAN端口，把手动控制权完全交给上位机。当手动切换到自动瞬间，PID控制器无调节作用，其输出端口LMN输出值保持手动调节时的最后的输出值不变， 实现了手动到自动的无扰动切换。这里需要说明的是，只有在手动情况下，上位机把PID控制器的LMN值写入PLC中，在自动情况下，上位机不把PID控制器的MAN值写入PLC中，但上位机周期性的读入PLC中的数据，这样保证自动切换到手动时，调节阀的阀位不会跳变。
6、 结束语
本文根据五炉煤气清洗的工艺要求，提出了双PID控制器控制一个水位调节阀的控制方法。通过编程实现了调节阀PID控制器的无扰动切换，使水位很稳定，控制方案实践证明非常成功。五炉煤气清洗工程是本钢重点的节能环保项目，目前该系统已经运行了很长时间，运行情况良好，性能稳定可靠，完全满足了生产工艺的要求，达到了先进的自动化程度，给高炉的生产提供了有力的保障。
论文作者:刘彩峰
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期
论文发表时间:2015/11/19
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