1.引言
焦炭是冶金、机械、化工行业的主要原料和燃料，同时我国也是目前世界上的焦炭生产和出口国。焦炉是热工炉窑中为复杂的热工设备，具有大时滞、大惯性、强非线性、多因素耦合、变参数等特点。焦炉直行温度的稳定性对于降低焦炉燃耗、提高焦炭质量、延长炉体的寿命、减少环境污染和改善劳动条件都有非常重要的意义。本文提出了一种基于DCS系统内的、应用西门子PCS系统自带的控制器构成的以反馈为主辅之以前馈来对焦炉火道温度进行控制的方案。
图1 焦炉机侧实物图
2 火道温度在焦炉生产中的作用
焦炉火道温度系在下降气流底部火嘴和鼻梁砖间的大砖温度，鉴于目前温度检测仪器上的原因以及火道温度点的特殊位置，实际的焦炉火道温度一般难以准确测量。目前国内焦化厂均采用火道直行温度来反映焦炉温度。焦炉全炉温度用机、焦侧侧温火道平均温度来代表，全炉总供热的调节（以加减煤气和空气的方式进行调节）应当使机、焦侧测温火道平均温度符合工艺所规定的标准温度，并保持稳定。作为衡量全炉温度的稳定性重要指标，反映焦炉稳定稳定性的指标一般用直行温度的安定系数Kc来衡量，Kc能否接近1并保持稳定，对焦炭质量的提高、降低耗热量以及延长焦炉炉龄至关重要。
3 控制原理
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需的系统模型等先决条件，因而成为应用为广泛的控制器。
我们在以往简单控制系统的基础上采用了复杂控制系统中的串级控制方式进行炉温的调节。串级控制方案中分别以火道温度和煤气流量（或者煤气管道上的压力）为主、副回路的被控参数。采用这种控制方式就可以在测温工将直行火道温度测量并计算出平均值后转换为对应的流量值（或者压力值）输入进PID控制器上的设定值内，由控制器根据现场情况整定好的比例、积分或微分方式进行较为准确的调节，从而避免人为加减煤气流量而导致温度大起大落的现象。由于焦炉火道温度经常会随一系列因素（比如装煤量和装煤水分、加热煤气热值、空气过剩系数、检修时间等等）的变化而波动，因此，在串级控制基础上，如果现场具备煤气热值仪和煤水分在线检查仪表装置情况，还可以将煤气热值和煤水分参数引入控制系统中作为系统的前馈参数进行控制，效果会更好。控制原理图见图2所示。
图2 控制原理图
4 控制策略
SIMATIC PCS7是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和 S5、S7系列可编程控制器的基础上，结合先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、冗余技术、现场总线技术、计算机技术以及先进自动化控制技术开发的面向工业工艺过程控制应用场合的新一代过程控制系统。作为一个真正意义上的DCS系统，PCS7系统在连续过程变量的处理和实现上体现出了其强大的功能，尤其是在处理连续过程变量控制以及进行复杂控制方面表现出了较大的优势。
根据焦炉生产中直行火道温度与流量（或者压力）之间的关系，焦炉火道温度控制系统也就完全可以用PCS7系统中集成的PID控制器来实现其控制要求。从系统原理分析中可以知道，炉温控制原理从结构上看其实就是一个串级调节系统，而串级系统其实就是一个双回路闭环系统，实质上是把两个PID调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为生产工艺要求的给定值。通常情况下串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率也低。基于此，为了提高系统的控制性能合品质，主副环的工作频率应错开在相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象而破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，可以起到改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程，避免扰动的产生。
PCS7环境下的串级控制回路由两个PID（FB61）控制器构成如图4所示，其中主回路控制器接收焦炉直行火道温度（由于在技术上火道温度难以在线检测，根据焦炉蓄热室顶部温度与火道温度存在着一定的数学关系，所以可以用蓄热室顶部温度通过拟合后得到的模拟火道温度进行替代，这样就使难以在线测量的火道温度模拟为连续变化的过程参数参与到串级控制系统中），其输出值送入副回路的外部给定设置点作为副回路的给定值；副回路接受加热煤气流量（或者压力）和主回路的外部设定值，其输出值送入串级控制器的执行机构，通过调节煤气管道上孔板的开度来达到调节火道温度的目的。主副调节控制器连接见图4.
图4 CFC串级连接图
在编程过程中主、副控制器具体管脚连接关系说明如下：
（1）主回路的PID的输入过程信号端PV_IN接收直行火道温度的变送器信号；
（2）主回路的PID的输入过程跟踪端LMN_TRK接收副回路PID的输出给定信号SP端信号；
（3）主回路的PID的输出操纵量LMN送入副回路PID的输入外部设定点SP_EXT;
（4）副回路的PID的输入过程信号端PV_IN接收来自开方后的标准状态下的流量信号；
（5）副回路的PID的输出操纵量LMN送入到串级回路的执行机构以控制阀门的开度达到调节目的；
（6）副回路的PID输出端的串级回路切除开关QCAS_CUT送入主回路PID输入端的外部跟踪设定开关LMN_SEL;
（7）副回路PID控制器中的DISV管脚接受煤气热值和煤水分在线参数进行前馈调节，为了更好的整定前馈系数，将煤气热值和煤水分参数在进入前馈前进行线性转换，也就是将有量纲的参数转换为无量纲的百分数后再进入DISV管脚。
经过编译上传到上位机后的PID控制器操作标准面板如图5所示：
图5 串级调节操作界面
5 投运步骤
先确定主调节器的控制目标设定值，然后手动调节副控制器的手动值，使阀门开度在适当的位置，将副调节器投入自动下，根据现场情况整定PID参数，使副调节器达到一个相对稳定的状态，将副调节器切换到外部给定下，将主调节器切换到自动控制并根据现场情况整定PID参数。如果有前馈控制的话，则还需要将前馈系数整定对话框设置在上位机画面上，以方便操作人员根据现场情况进行系数整定。
6 实施效果
应用西门子PCS7的CFC连续功能图实现焦炉火道温度的复杂调节，达到了对焦炉火道温度的比较的控制，保证了焦炉生产的需要，下表就是实施复杂控制系统前后某厂2#焦炉直行温度的安定系数Kc的对比表，从表中我们可以发现，应用西门子PCS7系统内的控制器构成的复杂控制系统实施后，Kc系数提高了30%左右。同时，实施复杂控制后也大大减少了由于焦炉温度波动大和频繁造成的环境污染，而且由于炉温实现了较为准确的调节调节，相比于单回路调节下使焦炉在接近极限温度下操作，大大缩短了结焦时间、提高了焦炉生产能力，从而有效的降低了焦炉耗热量。
