基于plc控制的冷轧煤气混合加压系统设计(编辑修改稿)

基于plc控制的冷轧煤气混合加压系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

证加压机设备安全、用户正常生产的两道防线。 加压机后压力（变频）调节 回路如图 所示 图 加压机后压力（变频）调节 回路 （泄放）调节 这是加压机后压力调节的另一手段。 本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为 14kPa，当加压机后出口压力升高／降低时，增大／减小泄压阀的开度，以 “泄 ”求 “稳 ”。 加压机后压力（泄放）调节 回路如图 所示 图 加压机后压力（泄放）调节 回路图 通常，泄放调节器的设定值高于变频调节器的设定值，一般情况下，变频器负责系统全部的调节，而泄放阀处于关闭的 “休闲 ”状态。 当用户突然大减量，造成出口压骤然升高，变频的调节速度不足以使出口压迅速降下来时（即出口压超过 14kPa），泄放回路立即参与调节。 泄放回路比例带、积分时间都设得很小，因而，动作 很快，与变频 “双管齐下 ”，可使压力迅速降下来，保证了用户气源压力稳定，避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能，保障了设备安全。 在调节过程中，绝不会出现既保持加压机转速较高，又使泄放开启一定高度的 “稳定平衡 ”状态。 设定值 —— 压力变送器器 变频器 压力变送器 油压油量 控制器 —— 混合 气调节器 压力 调节器 泄放阀 压力变送器 煤气量 本科生毕业设计（论文） 7 混合加压站系统设计 根据资料得高炉煤气进站压力为 13~15 kPa，焦炉煤气压力进站压力为 36 kPa 的煤气压力供应特点，并结合煤气用户现场布置的实际情况。 最后方案确定为单加压焦炉煤气。 加压后的压力为 14 kPa。 然后与高炉煤气或转炉煤气混合。 合站供气能力的确定 煤气混合加压站中混合站共有三个。 1混合站为高炉煤气与焦炉煤气混合。 主要供 1 150 t 转炉、炉卷轧机加热炉用气。 根据用户用量，即平均量 12 万 3/mh，最大量 14． 4 万 3/mh。 最小量6 万 3/mh，混合煤气管道直径设计为 DNl 800。 高焦炉煤气管道分别为 DNl 600和 DNl 000。 混合比例为 ： ，混合煤气热值 7 674177。 209 3/kJ m ，压力大于 10 kPa，该混合煤气管道与公司 2。 加压站具备联网供气的条件。 2混合站为高炉煤气与焦炉煤气混合。 主要供中板机组、 2 150 t 转炉及1780 常规热连轧机 3 座加热炉用气，根据其用气量，即平均量 12 万 3/mh。 最大量 17 万 3/mh，最小量 6 万 3/mh，混合管道直径设计为 DN2 200，高炉煤气管道和焦炉煤气管道分别为 DNl 800 和 DNl 200。 高炉煤气与焦炉煤气的混合比例为 0． 67： 0． 33。 混合煤气热值 7 674177。 209 3/kJ m。 压力大于 10 kPa。 3混合站为高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气混合的三混煤气．主要供一轧厂3 个机组、动力 1 ~ 3 锅炉。 即平均量 7． 2 万 3/mh，最大量 8． 6 万 3/mh，最小量 3． 6 万 3/mh，混合管道直径设计为 DN2 000，高、焦、转炉煤气管道分别为 DNl 000、 DN800 和 DNl 600。 转炉煤气供应量为 6 万 3/mh，其余高炉煤气与焦炉煤气的混合比例为 :。 3 混合站的混合煤气热值根据煤气使用情况调整 ，高炉煤气和焦炉煤气使用四个蝶阀调节，转炉煤气只有一个蝶阀控制。 平时不参与调节。 考虑到用户对煤气热值的要求较严格且煤气用量大。 单一的流量调节蝶阀的调节范围具有一定的限制。 考虑将 1 混合站及 2 混合站的高炉煤气与焦炉煤气的二道流量调节蝶阀改用调节阀组形式，调节阀组设计为三个调节蝶阀，流量分配 本科生毕业设计（论文） 8 比例为 ::，则两混合站的二道流量调节阀组设计形式。 混合加压站工艺如图 所示 图 混合加压站工艺流程图 混合加压站的控制系统设计 在一个生产装置中，往往需要设置若干个控制回路，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，相互耦合，相互影响，构成多输入 多输出的相关控制系统。 这种系统叫做耦合控制系统。 DN2200混合煤气 DN2200混合煤气 DN1000 DN800 DN1800 DN1200 DN1500 焦 炉煤 气 DN1000 DN1500转炉煤气 DN2200高炉煤气 DN1500焦炉煤气 DN1800混合煤气 1 混合站 1 加压机 2 加压机 3加压机 4加压机 DN1600 高炉煤 气 2 混合站 3混合站 本科生毕业设计（论文） 9 解耦控制设计的主要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合。 在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则 越能达到精确控制的目的。 然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。 换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。 因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。 由于混合煤气加压过程复杂，气源压力的的波动、加压机转速的改变、蝶阀开度的调节、后续单位生产调整等因素都会影响混合煤气压力的稳定。 而目前为了控制好混合煤气机后压力，国内采用最多的 PID控制和模糊控制 ，形成一个闭环的反馈控制回路，一般没有考虑加压机前压力的变化，控制效果很差。 在自动控制设计过程中，目标值跟踪特性和外扰抑制特性是设计者关注的两个主要问题。 加压前压力的变化先于机后压力的变化，也是加压机后压力波动原因。 设计一种更完善的压力控制方案是实际生产需求之一。 在煤气混合过程中，其输入量为高炉煤气和焦炉煤气，输出量为混合煤气压力和热值，输入煤气的改变影响混合煤气压力，又影响混合煤气热值。 因此，该被控对象是一个耦合严重的双输入、双输出多变量系统，必须设计一个解耦控制器对其进行控制，本方法选用的解耦器结构如 图。 图 解耦原理图 在深入进行煤气混合加压过程机理分析的基础上，利用模糊控制、解耦控制、专家控制、集成优化建模等技术，建立了煤气混合解耦控制模型，提出了二自由度专家控制方法，保证混合煤气热值压力的稳定。 煤气混合解耦控制模型由高炉煤气模糊控制器、焦炉煤气模糊控制器、专家控制器、模糊解耦控制器组成，基于过程的特点和操作人员经验知识，通过融合2y 1y 22v 21v 12v 11v 2r 1r 热值设定 混压设定 + + — — 模糊 解耦 控制 器 煤气混合过程 本科生毕业设计（论文） 10 模糊控制、专家控制、模糊解耦等技术进行设计，实现了高炉煤气与焦炉煤气的混合配比控制，从而稳定了混合 煤气的热值。 混合煤气加压的二自由度专家控制方法包含一个前馈专家控制器和一个反馈专家控制器，分别把加压机前后的混合煤气压力引进了专家控制器，实现对混合煤气压力的二自由度专家控制。 模糊解耦控制器中解耦规则是系统设计的核心，其品质、以及具体参数设置，直接关系整个系统控制效果好坏。 本方法解耦规则的确立依据来自两个方面：双蝶阀并联状态增益矩阵和专家经验。 双蝶阀并联结构如图 ，图中 Ql为焦炉煤气流量， Q2为高炉煤气流量，U1,U2分别为 1蝶阀和 2蝶阀的开度， H为混合管道煤气总流量， A为混合煤气热值。 图 热值压力解耦控制方框图 双蝶阀并联结构如图 ，图中 Ql为焦炉煤气流量， Q2为高炉煤气流量，U1,U2分别为 1蝶阀和 2蝶阀的开度， H为混合管道煤气总流量， A为混合煤气热值。 设高炉、焦炉煤气热值分别为  、  ，由 图 为： 2Z 2Z 1Z 1Z 1U 1U 2U 2U 22v 21v 12v 11v 1y 2y 2r 1r 热值设定 混压设定 + + — — 专家 控制 器 混压模糊控制器 热值模糊控制器 模糊 解耦 控制 器 焦阀 控制 器 高阀 控制 器 12v 专家 控制 器 煤 气 混 合 过 程 本科生毕业设计（论文） 11 121212AQ Q Q 设操作量 1 1 2 2,u Q u Q 被调量 12,y A y Q 图 焦炉 高炉煤气混合过程图 根据相对增益的定义，先求取“ 1u 到 1y 通道的第一和第二放大系数 21 2 1111 1 2 2()uy u yp u u u y       211112yyq uy  因此可求得 11 11111pyq   同理可求得 12 、 21 、 22 ， 结合相对增益矩阵的性质可求得相对增益矩阵为 1 1 1 2 1 12 1 2 2 1 11 yyyy                   在实际生产中，焦炉煤气热值  =17000，高炉煤气热值  =3000，混合煤气热值 A在 300017000之间变化。 假设此时混合煤气热值偏低， A=4000，由 上面 公式可得到此时的系统相对增益矩阵为 13 11 1 1314   此时热值偏低，有两种调节方法：开大焦阀或关小高阀。 根据增益矩阵，若 本科生毕业设计（论文） 12 开大焦阀，调节热值的同时对流量影响很小，因为  矩阵的第 一列 两个值分别为13和 1，可以计算出 113Au   11Qu   前一个 式 子 说明此时开大焦阀调节热值很有效，只需改变焦阀很小开度就能实现热值调节目 标； 后一个 式 子 说明改变焦阀开度对压力影响很小，这种调节解除了耦合，系统是趋向稳定的。 在本系统中使用了四蝶阀组调节热值，当控制器计算出焦炉和高炉阀门组控制值后，由蝶阀组控制策略决定到底如何调节相应阀门组的两个阀门。 控制设计推导如下。 以焦炉蝶阀组为例。 焦炉煤气压力一流量管道系统如图。 图 焦炉煤气压力 流量过程图 在图 ， 0P 为 1蝶阀前焦炉煤气压力， 1P 为 2蝶阀前焦炉煤气压力， 2P为 2蝶阀后焦炉煤气压力 ， 1U 、 2U 分别为 1蝶阀 和 2蝶阀的开度， H为焦炉管道煤气流量。 根据公式，压力 流量过程可以描述为 1 2 0 11 0 1 2 1 212()( ) ( ) U U P PH U P P U P P UU       两个回路都处于开环下，被 调 流 H对 1U 的增量即第一放大系数是  222 011 1 2UUH PPU U U  压力回。