基于Step7和WinCC的焦炉集气管压力分级控制系统

文章编号 ：（）中图分类号 ：文献标识码 ：基于和 的焦炉集气管压力分级控制系统麦雪凤，宁甲宇（广西科技大学 电气与信息工程学院，广西 柳州 ； 广西柳州欧亚自动化设备有限公司 ，广西 柳州 ）摘要： 针对采用常规控制方法对焦炉集 气管压力控制效果差、 无法满足要求的现状， 运用模糊控制和解耦控制原理以及 和 软件， 在已有焦炉集气管压力控制系统基础上提出一种基于模糊解耦控制的分级控制系统； 介绍系统控制策略、 程序 开发、 监控 界面设计及系统运行调试等； 运行表明： 该系统控制效果良好， 其控制精度、 抗干扰能力等技术指标优于原指标。关键词： 集气管压力； 模糊解耦控制； 分级控制； ，（，；，）：， ， ，：， ：；动，且各控制系统各自独立，缺乏协调，不能解决系统之间的耦合性等问题，实际运行时集气管压力在 的 大 范引言焦炉集气管压力是钢铁企业炼焦生产中最重要的指标 之 一，其控制效果对焦炉 的 炉 体 寿 命、 焦炭质量等有重 大 影 响， 在这个生产装置中，往往需要设置若干控制回路来稳定各个被 控变量。在这种情况下，几个回路之间就可能相互关联、 相互围波动（而工艺要求控制 在 ）， 压 力 过 高， 形 成 炉门冒烟冒火，严重影响焦炉生产的环境；压力过低，会缩短炉体寿命、降低煤气质量、减少焦炭产量。 为此， 针对其数学 模型及传递函数难以获得的问题，采用模糊解耦控制算法， 在 已有常规焦炉集气管压力控制系统基础上进行创新，开发出基 于工业编程软件 和 的模糊解耦分级控制系统。耦合、相互影响，构成多输入 多输出的关联（耦 合） 控制系统，使 系统难 于 用 常 规 进 行 控 制。 因 此， 研 究 开 发 出一个有效、可靠、稳定、快速的集气管压力控制系统是当前的 迫切需求，这对提高焦化厂经济效益、改善环境、延长设备使 用寿命、提高产品质量等方面具有重大的意义与必要性。系统结构及原理图 为某钢铁公 司 焦 化 厂 、 焦炉的工艺流程， 两 座焦炉共 条集气管相连通，各集气管汇集到初冷器前的集气 总管，流经气液分离器、初冷器、鼓风机，再由鼓风机送往净 化回收工序 ，经脱硫、硫铵、终冷洗苯等几道工序后 ， 分 两路送出：一路煤气外送；另一路煤气回炉，供焦炉炼焦。 原有 集气管压力控制系统采用 “集气管压力蝶阀调节的单回路控 制初冷器前吸力大回流调节的单回路控制” 方案。在出焦、 装 煤以及换向加热操作等均会使集气管压力不断变化、 大 幅 波、 分别为 焦炉集气管 段和 段 、 焦炉集气管 段和 段压力变送器； 为初冷器前吸力变送器；、 分别为 焦炉集气管 段和 段 、 焦炉集气管 段和 段压 力调节蝶阀； 为初冷器前吸力调节大回流蝶阀；、 、 为控制器 （由 实现）收稿日期 ：； 修回日期 ：。作者简介 ：麦 雪凤（），女 ，广 西 柳 州 人 ，副 教 授 ，主 要 从 事 过 程 控制 、智能控制教学及科研工作 。图 焦炉压力控制系统流程图 计算机测量与控制 第 卷图 集气管压力模糊解耦控制系统结构 采用二级串联的模糊解耦分级控制系统如图所示，第一级采用模糊 双模控制实现集气管压力单系统的控制；第二级 采用模糊解耦控制方法分别实现炉内、炉间压力的解耦控制。（量 化 ），、和 的变化范围分别 取，、， 和 ， ， 它们的论域均 取 为， ， 取区间内的整数值和 ， 则尺度变换因子 分 别 为 ， ， 控制原理及应用程序开发该系统所有硬件设备均已具备，重点是根据模糊控制和解 耦控制原理及控制系统结构图，用 软件编写控制程序 。 压力单系统模糊 双模控制由简单的双输入模糊控制器和 控制器组成压力单系 统模糊 双模控 制。 当 偏 差 （取 为 边 界值） 时，利用模糊控制器对系统实现非线性的智能控制， 快 速抑制超调量；当偏差 时 ，利用 控制器克服 模糊控制器可能产生的震荡及稳态误差。） 计算 （）和 （）。比较压力测量值 （）与设定值 （）得到偏差 （），经过计算得到偏差变化率 （），求取（）和 （）值的程序如图所示，程序运行的结果是 （）， （），“ ” （）。 尺度变换 公 式 是（）（ ）、（ ） （）； 再对 、 值分别采用均匀量化处理将其 变换到对应的离散论域值 、 ，。 然 后 将 、 信 号作为离线模糊计算 （控 制 表 ） 的 输 入， 完 成 模 糊 推理， 通过模糊判决可得输出模糊值 ， 最后经解模糊化得到 输出控制值 。为此创建个自定义功能块 、和 并 编写相应 的程序，其中 是实现模糊化的功能块 ，完成对、的 模 糊化；用来存放控制表并实现模糊推理的 功能； 是实现解模糊化 的 功 能 块； 主程序块通过调用 、 和 实现模糊控制算法 。控制表需根据输入量化值的不同， 预 先离线计 算 好 控 制 量， 并 存 入 ， 以 便 实 时 控 制， 在 线 查 询，节省计算时间。模糊控制表的离线计算。离线模糊计算包括模糊化、知识库、模糊推理和清晰化 部分。模糊化是将已经变换到论域范 围的输入量 、 进行 模 糊 处 理， 使 之 变 成 模糊量并用相应 的模糊集合来表示，以便进行模糊系统的推理。本设计模糊化 运算采用单点模糊集合，则相应的输入量模糊集 合 和 分， （ ， （ 别为 ：（），（）。图 求取 （） 和 （） 的逻辑程序知识库由数据库和模糊控制规则库组成。数据库包括尺度变换参数、模糊空间分割和隶属度函数选择。 将、 和 的 语言变 量 、 和 均 分 割 为 个 模 糊 语 言， 分 别 为 负 大） 模 糊 控 制 功 能 切 换。 首 先 编 制 时线 圈接通的程序， 然后再加上 的程序段， 在 块的 端串联一个 常闭触点 （图 ）； 当 时常闭触点 断 开， 不 运 行， 转 到 模 糊 控 制； 当 时 常 闭 触 点 是 闭 合 的， 模 块 运 行 进 行 控制， 控制直 接 调 用 中 的 连 续 控 制 功 能 块来实现。（）、负 中 （）、 负 小（）、 零 （）、 正 小 （）、 正中（）、正 大 （）， 每 个 模 糊 语言名称对应一个模糊集 合，模糊集合的隶属度函数用数值进行描述， 语言变量 、 的隶属度函数如表 所示。模糊推理和清晰化。模糊推理是模糊控制器的核心，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 规 则是根据人工控制经验和直觉推理，利用模糊集合理论和语言 变量概念归纳提炼而成的。总结工艺对该压力控制的手 动操 作经验，如：当压力值过高，且压力值有进一步快速上升的趋图 模 糊 控制功能切换程序 ） 模糊控制程序编制。 这 是 模 糊 控 制 程 序 的 关 键， 其编程思路 是 ： 和 首先进行尺度变换和论域变换 势时，应增 大 其 蝶 阀 开 度， 可 用 模 糊 语 句（： ）实 现 这 条 规 则， 依 据 这 些 语 句可以将推理的判断过程转化为对隶属度的合成及演算过程。 本设计采用的模糊控制规则如表 所示。第 期麦雪凤， 等： 基于 和 的焦炉集气管压力分级控制系统 表 语言变量 的隶属度函数离散论域值 、 得 输 出 模 糊 值 ， 再经解模糊化得 （用线性变换 ）。表 模糊控制查询表 表 模糊控制规则表 炉内和炉间模糊解耦控制 在初冷器前吸力不变的情况下，任一焦炉压力的波动， 都 会影响其它压力的稳 定， 即压力之间存在相互耦合影响关系， 为了保证集气管压力稳定，必须进行解耦。由于模糊解耦具有 不需要精确数学模型等特点，采用模糊解耦控制算法来对压力 进行解耦。通过对焦炉生产采集的集气管压力数据进行耦合度分 析， 为了降低模糊控制器的输入个数和简化运算，炉内和炉间模糊 解耦控制器均采用 输入 输出的模糊控制器。将每座焦炉作 为个炉内耦合组，构成 个炉内模糊解耦控制器；将 座焦 炉之间作为炉间耦合组，构成 个炉间模糊解耦控制器。 如图 所示 ， 个 压 力 单 系 统 模 糊 双模控制的输出分别为 、，其 中、 作 为 炉 内 模 糊 解 耦 控 制 器 的 输入，其输出是控制 增 量 的 修 正 量 、。、 作 为 炉 内 模糊 解 耦 控 制 器 的 输 入， 其 输 出 是 、。 再 取 （ ）、（）作 为炉间模糊解耦控制器的输入， 输 出 是控制增量的修 正 量 、。 下面以炉内模糊解耦控制器 为例介绍其实现方法。炉内模糊解耦控制器的模糊关系根据其耦合性较强的 特 点 ，、的 论域均取为 ， ， 取区间内的整数值和 。、的语言变量均分割为 个模糊语言，分别为 、由于 、 的模糊分 割 数 均 为 ， 则规则语句最多可 为 条 ，依次 为 “ ： 如 果 是 是 ， 则 是； ； ：如果 是 是 ， 则 是 。 对 于第条规则“如 果 是 是，则 是”（、 和 分别是语言变量、 和 在 其 论 域 、 上 的 语 言 变量值） 的模糊蕴含关系 ， 定义为： （） ， ， ，则 所 有 规 则 的 总 模糊蕴含关系为 。 根据模糊推理的 方 法 与 性 质 ，用 求 交 法 ，用 求 并 法 ， 合 成 用 最 大 最 小 法 ， 模糊蕴含用求交 法 ， 可以求得输出量的模糊集合 为 ： （） （） （）（） （ ） （ ）（， ，）， 其含义分别为负大 （）、 负 中（）、 负 小 （）、 零 （ ）、 正 小 （）、 正 中（ ）、 正 大据此计算出 、 为某个输入组合时 ， 分别在 不 同 规 则下的 、 、，进 而 得 出 模 糊 集 合 ， 再 用 最 大 隶属度法进行清晰化计算 ， 将模糊推理得到的模糊控制量变换 为清晰量 。 按 照 同 样 的 步 骤 ， 可 以 计 算 出 当 、 为 其他组合时的输出量 ， 最后列出如表 所示的实际查询的控 制表。在线查询。 将 表 中 的 模 糊 论 域 元 素 ， 转 换 为， 以便于寻址查询，然后采用基址变址的寻址方式将 的 个 控制 结 果 按 从 左 至 右、 从上到下的顺序逐个填入 的数据寄存区 中 ，控制量的基址为 ， 其 偏移地址为 ， 这样通过在线查询即 可 由（）。、分 别是 论 域、 上 的 模 糊 集， 其 隶 属 度 函数均选取三角形函数。根据焦炉集气管压力炉内耦合关系，运用相关性分析法确 定其模糊解 耦 控 制 规 则， 采 用 的 形 式。 如： 当 段集气管压力较大 ， 段集气管压力较小时 ， 段 集 气 管 煤 气 会流向 段集气管，导致 段集气管压力下降 ， 段 集 气 管 压力上升，所以 段集气管的蝶阀开度要相应减小 ， 段 集 气 管 的蝶阀开度要相应增加。 即 在 的基础上加上一个小于零的 修正量，在的 基础上加上一个大于零的修 正 量 。 表 为其控制规则表。模糊 集合隶属度计算机测量与控制 第 卷表 炉内模糊解耦控制规则表 根据控制策略 组 态 的 需 要 在 新驱动程序连接 “”中定义与 相连的变量名及类型，如 焦炉段集气管压 力测量值在 中定义的变量名为 ，数 据类型为位 浮点数，地址为 ， 其它的变量包括： 另 外 个 压 力 测量值 ，个 压 力 设 定 值， 初冷器前吸力的测量值 和 设 定 值， 压力偏差与偏差变化率，蝶阀控制信号及阀位反馈值等参数的 显示，模糊 控制状态监控等都要一一建立链接关系。根据工艺过程设计操作监控界面， 界 面 包 括： 工 艺 流 程、 趋势曲线、 回路调节面板、参数显示等。 系统运行后可完 成各种参数的显示，控制回路的调节，压力和吸力给定值的设 定， 参数的整定等。则输入变量到 控制输出的 模糊关系 为： 根 据 同 样 方 法 可 求 出 模糊解耦控制器中的 、；然 后根据下面 个公式分别求出、：珟珟 珟珟炉间模糊解耦控制器的模糊关系根据其耦合较弱的特点，系统运行调试系统设计完成后 下 载 程 序 至 运 行， 在 监控界面记录系统运 行 曲 线。 开 始 投 运 很大采用模糊控制， 当系统趋于稳定并使 时 进 入 控 制， 再 经 过 模糊解耦控制后典型的运行曲线如图 和图 所示 。 焦炉段 集 气管压力的变化曲线如图 所 示， 压 力 设 定 值 为，当 调节器参数约设为 、 、时，可获得较满意的控制效果，运行过程大约有 的采样 点压力在 范 围内 。 焦炉 段集气管压力的变化 曲线如图所示，压力设定值也为，当 调节器参数 约设为 、 、 时， 可获得较 满 意 的 控 制 效果，运行过程大约有 采样点压力在范 围内。其输入论域选取为梯形函数。， ， 隶属度函数选取精度较 低 的为此创建 个自定义功能块 、 并编写相应的程 序，其中 是 实 现 炉 内模糊解耦控制的功能块， 是 实 现炉间模糊解耦控制的功能块。经修正后 个集气管压力的实 际控制输出分别为：、， 最终输出需用运算块转换 为的 数字量，再经限幅处理后，由 的 模块转换 为 信 号 送 至 蝶 阀， 进而控制集气管压力。 在 此，通过采用炉 内、 炉间模糊解耦控制器使修正量 、 、随 着耦合程度变 化 不 断 修 正， 较好解除了集气管压力 的耦合关系，保证了集气管压力的稳定。为了保证蝶阀开 度 处 于 之 间， 防 止 碟 阀 可 能 运行在全开或接近全开的非线性饱和工作状态，使系统暂时失 控；或系统运行中阀门经常处于小开度的工作状态，使调节不 灵敏，在编程时设计如下限幅处理规则 ： 阀位反馈值 ，且控制量 （约 开度对应的数字量），则 取 ； 阀位反馈值 ，且控制量 （约 开 度对应的数字量），则 取 。监控界面通信设置在监控界面的设计中， 使 用 工 业图 焦炉 段压力运行曲线 以太网，通 过 安 装 在 机 上 的 通 讯 卡 与 进行通讯，使用的通讯协议为 传 输 层 协 议。 通 信 设置如下：） 在西门子 软 件中进行硬件 组 态， 插 入 站 ，然后在 站 下 的 中 按 已 有 硬 件完成 硬件组 态， 其 中 属 性 “ ” 中， “” 用 地 址； 在 总 线 上 插入从站 并设置地址，完成后存盘编译。） 设置 通讯接 口， 在 工 具 栏 下 拉 菜 单 选 择 ， 在其中选择西门子工业以太网 。） 在 安 装 网 卡 的 机 上，在 的 下添加驱动程序，在通图 焦炉 段压力运行曲线 道单元 （工业以 太网）的快捷菜单中选择 “新驱动程序的连接”，设名称为“”、并设置“连接属性”等。图 控制 焦炉 段压力运行曲线 （下 转第 页）界面建立 变量与 变量之间的数据交换链接。 即计算机测量与控制 第 卷为了分析 比 较， 对建立的控制 系统模型分别用 、 神经网络 、共 轭 斜 量 法 改 进 的 神 经 网 络 进 行 模拟仿真，观 察 系 统 响 应， 比 较 控 制 效 果。 从 图 可 以 看 出 控制器超 调 量 为 左 右， 调 节 时 间 为 ， 有 很 小 的 一点稳态误差。从图 看出 神经网络 超调量为 左 右，调节时间 。 从 图 看 出 改 进 的 神 经 网 络 控制器超调约为 ，调 节时间为 。图 改进的 神经网络 控制仿真运用到地源热泵冷冻水控制回路中。仿真结果表明，该改进的 神经网络的 控制器与 神经网络 控制和 控制器相比，有较小的振荡幅度和更短的调节时间。 将其应用 于地缘热泵冷冻水循环泵系统中会有更好的控制效果，大大改 善其稳态和动态的性能，达到了节能的效果。参考文献：黄 金燕， 葛化敏， 唐明军 基于 神经网络的 控制方法的研图 控制仿真图究 微计算机信息 ， （）：史 春 朝， 张 国 山 基 于 改 进 神 经 网 络 的 控 制 方 法 研 究 计算机仿真 ， （）：赵 亚梅， 杨建国， 李蓓智基于神经网络预测模型输入参数配置方 法的实现计算机测量与控制 ， （）：肖 向阳 地源热泵中央空调节能控制系统研究 长 沙： 湖 南师范大学 ，赵 卫华 基于神经网络参数优化的 控制器的研究 太原： 中北大学 ，蔡 正国， 屈梁生 共 轭 梯 度神经网络的研究 西 安 交 通 大 学 学报 ， （）：图 神经网络 控制仿真罗坚 地源热泵中央空调运行优化控制系 统 设 计 长 沙：湖南大学 ，结语本文通过对 算 法 的进一步深入研究， 用 共 轭 斜 量 法对 算法进行优化，并将这种改进算法的神经网络控制器 刘 钢， 焦阳， 贾 书 洪 模 糊 控制在中央空调变流 量 节 能中的应用 电力电子技术 ， （）：张 德丰 神 经网络仿真与应用 北 京： 电 子 工 业版社 ，檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳（上 接第 页）优于常规 控 制。 该控制系统保证了生产的顺利进行， 达到了提高效率、稳定炉况、节能减排的目的，具有推广价值。参考文献：俞 金寿， 蒋慰孙 过程控制 过 程 （第 三 版） 北 京： 电 子 工 业出版社 ，何 成 燕， 等 集气管压力自适应模 糊解偶控制 系统的 设计 计算机测量与控制 ， （）： 刘 宝 坤 计算机过程控制系统 北 京： 机 械 工 业 出 版 社 ，刘 金琨 智能控制 北京： 电子工业出版社 ，图 控制 焦炉 段压力运行曲线 吴敏， 等 多座 不 对 称 焦炉集气管压力模糊解耦控制 广州： 控制理论与应用 ， （）：邵 裕 森， 戴 先 中 过 程 控 制 工 程 北 京： 机 械 工 业 出 版 社 ，西门子自动化与驱 动集团 深入 浅 出 西 门 子 （第 二 版） 北京： 北京航空航天大学出版社 ，而原有采用常 规 对 上 述 两 个压力进行控制时的曲线 如图 和图，集 气管压力在范 围波动，不能满足 工艺要求的 范 围。通过比较可 见， 该控制系统有效解决了 集气管压力多扰 动、强耦合的非线性问题，在控制精度、抗干扰能力等方面均