CN104776045B - 一种吸力调节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸力调节控制方法，步骤如下：一、吸力/压力检测装置检测尾气/混合物的吸力/压力检测值；二、吸力/压力检测装置将检测值经A/D转换后送入控制装置，与吸力/压力给定值比较，计算偏差值e(k)，如果│e(k)│在允许范围内，则直接进入步骤四将数据更新，如果│e(k)│不在允许范围内，则进入下一步骤；三、自整定计算，确定输出增量值；随后确定输出值u(k)＝u(k‑1)+△u(k)；四、将数据更新；五、控制装置将数据转换为风机速度输出给定值。本发明具有结构简单、工作可靠、成本较低、安全可靠、易于实现的特点，可以广泛应用于环保领域。

Description

一种吸力调节控制方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，特别是涉及一种吸力调节控制方法。

背景技术

化工、冶金、水泥、电力发电等行业生产中会产生大量的灰尘、气体等废弃物。出于环境保护、尾料尾气回收等目的的需要，大量使用大型鼓风机进行抽风，以便将前一工序产生的尾气或混合物抽出加以加工处理，而为了后续工序生产的稳定有序，经常需要对抽风吸力进行调节控制，通过调节风机转速或管道阀门开口度以达到吸力平衡。现有的大型风机调速控制方法一种是人工手动点动操作调控风机转速或管道阀门开口度，另外一种是自动调节，但是在自动调节的过程中限于控制方法或普通PID调节器功能，在干扰或压力波动大时自动调节时间会延长，甚至还需要辅以人工干预，这不仅给操作人员增加了劳动强度，也影响到生产效率。

具体而言，现有的自动控制系统，主要是在编程设计中选用PLC(ProgrammableLogic Controller，可编程逻辑控制器)系统/DCS(Distributed Controller System，分布式控制系统)系统自带的普通PID(proportion、integration、differentiation，比例—积分—微分控制)功能模块，通过PID运算，输出频率值给变频器再给变频电机调速，或者转化为模拟量输出给定值给液力耦合器以进行调速。由于PID调节器是自动控制系统中最主要的核心部件，调节器参数整定得合适与否与控制精度息息相关，同时对于编程及调试者均有较高的专业文化要求，所以如果操控者的能力有限，将会带来一系列的问题：

首先，调节器的P、I和D等参数要进行现场反复调整测试，才能获得较好的响应曲线及控制精度，即便调试好的PID调节器，在工况发生微小变动时，基本就需要重新整定。

其次，这种控制方法移植性较差，没有自适应功能，换一台设备可能又需要进行大量的整定新参数的工作。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种吸力调节控制方法，该控制方法可以根据工况自适应、自整定控制参数，并根据工艺要求调整匹配电动阀门开口度与鼓风机转速以实现稳定的压力输出，达到既提高响应速度、简化调试要求、节约调试投产时间、降低成本、提高生产效率，又降低操作人员劳动强度、不需专业人员即可进行调试的目的。

本发明提供的一种吸力调节控制方法，包括如下步骤：步骤一、吸力/压力检测装置检测处于气体收集管道内、由尾气/混合物产生设备排出尾气/混合物的吸力/压力检测值；步骤二、吸力/压力检测装置将检测值经A/D(模/数)转换后送入控制装置，与吸力/压力给定值比较，计算偏差值e(k)＝Pg-Pf，其中，Pg为吸力/压力给定值，Pf为吸力/压力检测值，如果│e(k)│在允许范围内，则直接进入步骤四将数据更新，使得e(k-1)＝e(k)，u(k-1)＝u(k)，如果│e(k)│不在允许范围内，则进入下一步骤；步骤三、自整定计算，确定输出增量值：△u(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)T，其中，kp为比例系数，ki为积分系数，T为采样周期时间；随后确定输出值u(k)＝u(k-1)+△u(k)；步骤四、将数据更新，使得e(k-1)＝e(k)，u(k-1)＝u(k)；步骤五、控制装置将数据转换为风机速度输出给定值。

在上述技术方案中，所述步骤三中，自整定计算之前，先开始如下操作：1)计算│e(k)/Pg│x100≥70，如果结果为是，则直接进行自整定计算；2)如果结果为否，则计算看是否同时满足u(k)≥2/3Umax，e(k)≥0，其中，Umax为输出值u(k)的最大值，如果结果为是，则看阀门开口度是否达到最大值，如果结果为是则直接进行自整定计算，如果结果为否，则先打开阀门再作自整定计算；3)如果不同时满足u(k)≥2/3Umax，e(k)≥0，则计算看是否同时满足u(k)≤1/3Umax，e(k)<0，如果结果为是，则将阀门关闭并进入自整定计算，如果结果为否，则保持阀门原有的开口度并进入自整定计算。

在上述技术方案中，所述阀门为气动阀、电动阀或手动阀。

在上述技术方案中，还包括步骤六、将尾气/混合物经由出口管道送入下一工序。

在上述技术方案中，所述控制装置为DCS或PLC。

在上述技术方案中，所述步骤五中，所述风机电动机为变频电机或非变频电机，调速采用变频器或液力耦合器，当风机电动机为变频电机时，DCS或PLC将输出值u(k)转换为频率系数输出给变频器，当风机电动机为非变频电机时，DCS或PLC将输出值u(k)进行量纲转换并进行D/A(数/模)转换为模拟量输出给液力耦合器。

在上述技术方案中，所述步骤三中，采样周期时间T为100ms。

本发明吸力调节控制方法，具有以下有益效果：本发明在不改变现有机械设备、控制系统硬件配置的情况下，通过自动控制程序来自动调节鼓风机吸力/压力，具有结构简单、工作可靠、成本较低、安全可靠、易于实现的特点，既降低了调试维护人员的调试检修工时，减少了操作人数，又降低了劳动强度，提高了工作效率。经过试生产验证，仅在焦化冷鼓风机吸力调节工段，操作人员可以每班减少1人，一共可减少4人，每次检修复产时间可缩短2小时，反应情况良好。同时，该方法也可适用于配料除尘、烧结除尘、电力发电等行业，具有较强的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明吸力调节控制方法所依赖的硬件环境结构示意图；

图2为本发明吸力调节控制方法所依赖的硬件工作流程示意图；

图3为本发明吸力调节控制方法中PI调节器的工作流程示意图；

图4为本发明吸力调节控制方法中PI调节器的FB100功能块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

吸力调节风机生产线的主要机械设备由以下几个部份构成：尾气/混合物产生设备(如高炉、转炉、焦炉、电炉、加热炉、烧结机、配料仓等)、气体收集管道、吸力/压力检测装置、气体冷却、除尘和净化装置(如焦化初冷器、除尘布袋等)、阀门、风机、出口管道，具体设备的布局参见图1，其中阀门根据用户实际情况及工艺要求又有气动阀、电动阀、手动阀等类型，根据风机电机类型分，风机电动机分为变频电机与非变频电机，调速采用变频器或液力耦合器调速。

所述吸力调节风机生产线系统控制原理如图2所示，在管道上取样检测的吸力/压力值(根据管道长度及控制精度要求，可设计多点取样，将多点取样值进行平均)，检测值经A/D转换后进入DCS或PLC，与给定值相比较，如果偏差超出允许范围，则通过专门设计的PI调节器进行快速调节计算，计算需要改变风机(或者风机电机)速度的增减量，进而控制管道内气体吸力，使吸力平衡稳定。在生产过程中发生干扰吸力的情况出现时(例如焦炉推焦出焦或高炉出铁水)，检测吸力平衡被破坏，导致偏差大增，通过自整定计算新的PI参数，闭环控制达到快速稳压。同时如果工况急剧变化时，可同时调节阀门开口度，使响应速度提高。当然，如果工艺未设计可控阀门或明确不要求阀门参与控制，则将这部分的控制取消空置。

随着计算机硬件设备的日新月异，CPU计算速度远超工程实际所需，存储器容量也越来越大，在现今工程编程设计人员基本不需要再受以往的这些瓶颈制约，一般的大型工程的PLC或DCS所有程序扫描周期基本小于80ms，为了简便，采样周期选用100ms，在这样小的采样周期中，由于吸力/压力变化的特点导致PID中的D环节(微分环节)基本无用，因此，本控制方法中直接设计专用PI调节器作为控制核心，下面结合PI调节器的工作流程示意图(图3)及后续的功能块管脚(表1)说明控制方法及控制原理：

参见图3，本发明吸力调节控制方法，包括如下步骤：

步骤一、吸力/压力检测装置检测处于气体收集管道内、由尾气/混合物产生设备排出尾气/混合物的吸力/压力检测值；

步骤二、吸力/压力检测装置将检测值经A/D转换后送入控制装置，在本实施例中，所述控制装置为DCS或PLC，与吸力/压力给定值比较，计算偏差值e(k)＝Pg-Pf，其中，Pg为吸力/压力给定值，Pf为吸力/压力检测值，如果│e(k)│在允许范围内，则直接进入步骤四将数据更新，使得e(k-1)＝e(k)，u(k-1)＝u(k)，如果│e(k)│不在允许范围内，则进入下一步骤；

步骤三、先开始如下操作：

1)计算│e(k)/Pg│x100≥70，如果结果为是，则直接进行自整定计算；

2)如果结果为否，则计算看是否同时满足u(k)≥2/3Umax，e(k)≥0，其中，Umax为输出值u(k)的最大值，如果结果为是，则看阀门开口度是否达到最大值，如果结果为是则直接进行自整定计算，如果结果为否，则先打开阀门再作自整定计算，所述阀门为气动阀、电动阀或手动阀；

3)如果不同时满足u(k)≥2/3Umax，e(k)≥0，则计算看是否同时满足u(k)≤1/3Umax，e(k)<0，如果结果为是，则将阀门关闭并进入自整定计算，如果结果为否，则保持阀门原有的开口度并进入自整定计算；

自整定计算，确定输出增量值：

△u(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)T，其中，kp为比例系数，ki为积分系数，T为采样周期时间，采样周期时间T为100ms；

随后确定输出值u(k)＝u(k-1)+△u(k)；

步骤四、将数据更新，使得e(k-1)＝e(k)，u(k-1)＝u(k)；

步骤五、控制装置将数据转换为风机速度输出给定值，所述风机电动机为变频电机或非变频电机，调速采用变频器或液力耦合器，当风机电动机为变频电机时，DCS或PLC将输出值u(k)转换为频率系数输出给变频器，当风机电动机为非变频电机时，DCS或PLC将输出值u(k)进行量纲转换并进行D/A转换为模拟量输出给液力耦合器；

步骤六、将尾气/混合物经由出口管道送入下一工序。

该控制方法原理如下：首先判断吸力/压力检测值与给定值偏差，如偏差在允许范围内，则只刷新输出数据U(k)及偏差值e(k)，同时，增量为0，输出HZ_OUT(频率给定输出给定)或AO_OUT(液力耦合器输出给定)保持不变，控制功能块输出保持信号(OUT_KEEP＝1)。根据PI调节控制器计算公式：

$U\left(k\right)=\mathrm{Kpxe}\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(i\right)T,$

及增量计算式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;u}\left(k\right)=u\left(k\right)-u(k-1)\\ =\mathrm{Kp}(e\left(k\right)-e(k-1))+\mathrm{KiTe}\left(k\right)\end{array},$

可知，确定偏差值e(k)、比例系数Kp和积分系数Ki就可以迅速进行调节了。但是，这只是普通PI调节器的设计方法，具备普通PI的诸如超调、振荡、响应慢等一系列缺点，不能直接应用或者说需对Kp和Ki参数反复试验才能勉强可用，而且还要牺牲一些调节特性。本发明运用最新的偏差积累优选参数自整定控制原理及最快响应无纹波数字控制系统原理，根据偏离程度大小(占给定值大小的百分比来判断)，自动计算出适用的基于偏差绝对值大小的不同的比例积分常数Kp和Ki，再根据增量型PI的计算公式，以增量输出作为调节液力耦合器或者变频器频率输出增量。例如：当检测值为给定值的0.1倍时，此时偏差很大，为了提高响应速度，此时Kp可以取值15，Ki取值2.5，此时计算出的Δu(k)很大，输出u(k)值会很大，鼓风机速度给定会大幅度变化，而当检测值升高接近给定值例如为给定值的0.8倍时，此时偏差不大，为了避免超调或振荡，此时Kp可以取值2.5，Ki取值1，此时计算出的Δu(k)不大，输出u(k)值波动不会很大，鼓风机速度给定会小幅度变化，当然，实际Kp和Ki是随偏差占给定值大小的百分比来计算的。在计算比例积分常数时，遵循以下原则：在新开机生产或遇到吸力波动大的干扰时，急剧提高比例系数，使得从零点或原点过渡到新的平衡点并即将出现超调的这段时间急剧缩短，随着接近平衡点，不断的降低比例系数，同时逐渐提高积分系数，使得系统响应快而静差小，从而完成参数自整定功能。在最后，根据输出控制对象是液力耦合器还是变频器，将输出量进行量纲转换并进行D/A转换为模拟量输出给液力耦合器或转换为频率系数输出给变频器。这样就实现了快速响应超调小的调节控制，同时还不需要人为的反复测试调整比例积分常数的繁重工作。

另外，当偏差大而且鼓风机转速又在高速或低速时，根据偏差的符号确定开闭阀门辅助调节，以达到进一步加快调节速度的目的。

本发明在不改变现有机械设备、控制系统硬件配置的情况下，通过自动控制程序来自动调节鼓风机吸力/压力，具有结构简单、工作可靠、成本较低、安全可靠、易于实现的特点，既降低了调试维护人员的调试检修工时，减少了操作人数，又降低了劳动强度，提高了工作效率。经过试生产验证，仅在焦化冷鼓风机吸力调节工段，操作人员可以每班减少1人，一共可减少4人，每次检修复产时间可缩短2小时。本发明已在国内某炼钢除尘站和某焦化厂冷凝鼓风机工段生产线进行了试生产，反应情况良好。同时，该方法也可以适用于配料除尘、烧结除尘、电力发电等行业，具有较强的推广应用价值。

本发明的硬件设备为西门子公司的PLC S7-400系列控制器。本控制方法集成功能块可以在任意允许运行PCS7 7.0的CPU上运行使用，在开发应用本控制方法的项目中使用的计算机配置为：P4 3.0GCPU,256M独立显卡，200G硬盘，2G内存，100兆网卡，键盘鼠标、19寸液晶显示器，PLC硬件配为SIEMENS 414CPU、软件编程平台为PCS7 v7.0。以上硬件、软件系统为现有技术。本发明包括以下步骤：

(1)工艺流程参照按照图1、图2的方式布置设备，输出执行设备为液力耦合器、变频器均可。

(2)根据控制器的程序执行周期，确定采样周期T＝0.1S。

(3)根据流程图3在PCS7 v7.0编程平台，用CFC编程语言编写控制程序,最终制作成可调用功能模块FB100。如果要调用本控制程序，打开PCS7 7.0或更高版本，新项目硬件组态完后，打开项目PRESS_CTRL_Prj，点击SIMATIC H Station(1)，点击CPU 414的下拉菜单hca中的Blocks，选中FB100功能块，点击鼠标右键——复制，在新项目中的Blocks粘贴，这样新项目就可以使用了。

(4)将程序编译下载到PLC控制器，并且运行系统。

其中，FB100功能块结构框图具体参见图4，其中，功能块左侧为输入点(含HMI(Human Machine Interface，人机界面)下载到PLC的命令)，右侧为输出(含PLC上传到HMI信息)。

管脚技术参数说明如下(参见表1)：

表1 管脚技术参数说明表

管脚名称	类型	管脚说明
			EN	BOOL	功能块使能端输入
SET_VAL	REAL	压力设定值
			TEST_VAL	AI	压力检测值
MAX_VAL	REAL	压力上限值
			MIN_VAL	REAL	压力下限值
SET_KP	REAL	手动KP设定值
			SET_KI	REAL	手动KI设定值
MAN_KP	BOOL	手动KP设定值接收
			MAN_KI	BOOL	手动KI设定值接收
PIPE_VMAX	BOOL	管道阀门打开极限
			PIPE_VMIN	BOOL	管道阀门关闭极限
PIPE_V_OK	BOOL	管道阀门打开状态
			PIPE_V_ON	BOOL	管道阀门关闭状态
BLOWER_OK	BOOL	鼓风机运行正常
			BLOWER_ON	BOOL	鼓风机投运
MAN_KEEP	BOOL	手动控制输出保持
ENO	BOOL	功能块使能端输出
			FAULT	BOOL	功能块故障
VAL_BIAS	REAL	设定值与检测值之差
			HZ_OUT	REAL	变频器频率输出
AO_OUT	AO	液力耦合器
			P_OUT	REAL	压力HMI输出
OFFSET	REAL	PI调节当次计算增量
			OUT_KEEP	BOOL	输出保持
PIPE_VOP	BOOL	管道阀门打开
			PIPE_VCL	BOOL	管道阀门关闭

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种吸力调节控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、吸力/压力检测装置检测处于气体收集管道内、由尾气/混合物产生设备排出尾气/混合物的吸力/压力检测值；

步骤二、吸力/压力检测装置将检测值经A/D转换后送入控制装置，与吸力/压力给定值比较，计算偏差值e(k)＝Pg-Pf，其中，Pg为吸力/压力给定值，Pf为吸力/压力检测值，如果│e(k)│在允许范围内，则直接进入步骤四将数据更新，使得e(k-1)＝e(k)，u(k-1)＝u(k)，如果│e(k)│不在允许范围内，则进入下一步骤；

步骤三、先开始如下操作：

1)计算│e(k)/Pg│x100≥70，如果结果为是，则直接进行自整定计算；

2)如果结果为否，则计算看是否同时满足u(k)≥2/3Umax，e(k)≥0，其中，Umax为输出值u(k)的最大值，如果结果为是，则看阀门开口度是否达到最大值，如果结果为是则直接进行自整定计算，如果结果为否，则先打开阀门再作自整定计算；

3)如果不同时满足u(k)≥2/3Umax，e(k)≥0，则计算看是否同时满足u(k)≤1/3Umax，e(k)<0，如果结果为是，则将阀门关闭并进入自整定计算，如果结果为否，则保持阀门原有的开口度并进入自整定计算；

自整定计算，确定输出增量值：

△u(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)T，其中，kp为比例系数，ki为积分系数，T为采样周期时间；

随后确定输出值u(k)＝u(k-1)+△u(k)；

步骤四、将数据更新，使得e(k-1)＝e(k)，u(k-1)＝u(k)；

步骤五、控制装置将数据转换为风机速度输出给定值。

2.根据权利要求1所述的吸力调节控制方法，其特征在于：所述阀门为气动阀、电动阀或手动阀。

3.根据权利要求2所述的吸力调节控制方法，其特征在于：还包括步骤六、将尾气/混合物经由出口管道送入下一工序。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的吸力调节控制方法，其特征在于：所述控制装置为DCS或PLC。

5.根据权利要求4所述的吸力调节控制方法，其特征在于：所述步骤五中，所述风机电动机为变频电机或非变频电机，调速采用变频器或液力耦合器，当风机电动机为变频电机时，DCS或PLC将输出值u(k)转换为频率系数输出给变频器，当风机电动机为非变频电机时，DCS或PLC将输出值u(k)进行量纲转换并进行D/A转换为模拟量输出给液力耦合器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的吸力调节控制方法，其特征在于：所述步骤三中，采样周期时间T为100ms。