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基于DCS的加熱爐溫度專家控制的實現(xiàn)

時間:2008-08-06 11:49:00來源:ronggang

導(dǎo)語:?針對以重油為燃料的三段式連續(xù)加熱爐,在實施計算機DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,運用專家控制實現(xiàn)了加熱爐溫度的自動調(diào)節(jié)。實際運行結(jié)果表明,控制效果很好
摘 要:針對以重油為燃料的三段式連續(xù)加熱爐,在實施計算機DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,運用專家控制實現(xiàn)了加熱爐溫度的自動調(diào)節(jié)。實際運行結(jié)果表明,控制效果很好。 關(guān)鍵詞:加熱爐 溫度 DCS 專家控制 1 引言   某軋鋼廠加熱爐,為三段式連續(xù)加熱爐,以重油作為燃料,每段的上下均設(shè)有一排燒嘴,但二加熱段上面的燒嘴沒使用??紤]影響加熱爐溫度的因素很多,不確定的干擾也很多,如待加熱的鋼坯是冷坯還是熱坯、燃油的質(zhì)量如何、出鋼的速度快慢、爐壓的大小、空燃比的大小等等。為保證加熱質(zhì)量,提高產(chǎn)量,降低能耗,提高控制性能,有效抑制各種擾動,首先利用DCS系統(tǒng)對電控部分進行了改造,取代了原來的分散手操控制,并運用專家控制實現(xiàn)了加熱爐溫度的自動調(diào)節(jié)。 2 系統(tǒng)硬件配置   計算機集散控制系統(tǒng)(即計算機DCS系統(tǒng))由上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)組成。上位系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機,用Siemens組態(tài)軟件WinCC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、報警處理、打印及控制參數(shù)設(shè)定。下位系統(tǒng)由Siemens PLC構(gòu)成,與現(xiàn)場設(shè)備相連。上位系統(tǒng)和下位系統(tǒng)之間的通訊采用Profibus方式,其最高傳輸速率可達1.5Mbit/s,完全滿足對數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的要求。DCS系統(tǒng)組成如圖1所示。
3 專家控制器及軟件組態(tài)   3.1 專家控制器   此加熱爐原來是手操控制,由于手操控制調(diào)節(jié)不及時,而且對操作工的經(jīng)驗有依賴性,一直能耗降不下來。采用常規(guī)的PID自動控制,特別是在燃油的粘稠度、熱值有很大差異,現(xiàn)場設(shè)備老化的情況下,顯得適應(yīng)性不夠,控制效果也不好。因此,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,我們采用了專家控制的思想,設(shè)計了加熱爐溫度的專家控制器。   專家控制器由知識庫、控制規(guī)則集、推理機構(gòu)及信息獲取與處理四個部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 專家控制器結(jié)構(gòu)圖[/align]   3.1.1 知識庫   由事實集和經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫、經(jīng)驗公式等組成。事實集主要包括被控對象(加熱爐)的有關(guān)知識,如該加熱爐為三段式(二加熱段、一加熱段和均熱段)推鋼連續(xù)加熱爐,每段分為東、西兩側(cè)溫度檢測點,是通過控制電動執(zhí)行閥的開度,調(diào)節(jié)燃油和空氣的流量來控制加熱爐各段溫度的。經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括加熱爐的參數(shù)變化范圍,控制參數(shù)的調(diào)整范圍及其限幅,傳感器的靜、動態(tài)特性、參數(shù)及閾值,控制系統(tǒng)的性能指標以及由專家總結(jié)的經(jīng)驗公式等。   3.1.2 控制規(guī)則集   根據(jù)專家(或熟練操作工)對被控對象的特點及其操作控制的經(jīng)驗,可采用產(chǎn)生式規(guī)則、模糊關(guān)系及解析形式等多種方法來描述被控對象的特征,這樣可以處理各種定性的、模糊的、定量的、精確的信息。   我們通過在現(xiàn)場的一段時間調(diào)研,觀察總結(jié)三個班次的熟練操作工的操作控制經(jīng)驗,結(jié)合書本上的理論知識,采用產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成控制規(guī)則集。在調(diào)試過程中,一開始發(fā)現(xiàn)響應(yīng)慢,調(diào)節(jié)時間比較長,于是在規(guī)則中考慮了一個回調(diào)量,但是后來又發(fā)現(xiàn)最大偏差值增大(即超調(diào)量增大),于是決定在偏差大時不加回調(diào),當偏差小于某一個值時,再加回調(diào),使系統(tǒng)盡快達到穩(wěn)態(tài)。這里,把輸入量1(溫度偏差)根據(jù)其大小范圍分為九個等級;把輸入量2(溫度偏差的變化量)按其大小分為七個等級。把控制量(電動執(zhí)行閥的開度)的輸出(增量式)分為13個等級。其中要加限幅條件。最后,總結(jié)出了55條控制規(guī)則,即形成本專家控制器的控制規(guī)則集。   3.1.3 推理機構(gòu)   由于本專家控制器的知識庫及控制規(guī)則集的規(guī)模較小,因此,推理機構(gòu)的搜索空間有限,采用的是前向推理機制。對于控制規(guī)則由前向后逐條匹配,直至匹配成功(當然,編寫控制規(guī)則時要考慮不能出現(xiàn)失控現(xiàn)象)。   3.1.4 信息獲取與處理   信息獲取主要是通過閉環(huán)控制的反饋信息及系統(tǒng)的輸入信息而得到,通過對信息的處理得到控制系統(tǒng)的誤差及其誤差的變化量等對控制有用的信息。本加熱爐是用熱電偶來檢測各段爐溫,然后與各段爐溫設(shè)定值比較得到其偏差量,并通過計算得到偏差的變化量。分段實施控制。另外,信息的處理還包括必要的數(shù)據(jù)濾波措施。本系統(tǒng)采用算術(shù)平均濾波。   3.2 軟件組態(tài)   3.2.1 監(jiān)控界面組態(tài)   在上位機上,對采集的數(shù)據(jù)實時顯示,使操作員能及時了解加熱爐的工作狀態(tài),對主要數(shù)據(jù)可存儲達一年之久,可方便地查詢和打印,并可完成控制參數(shù)的設(shè)定、報警參數(shù)的設(shè)定。用WinCC組態(tài)的主監(jiān)控界面如圖3所示。 [align=center] 圖3 主監(jiān)控界面[/align]   另外,根據(jù)現(xiàn)場需要,還組態(tài)了包括汽包畫面、控制參數(shù)設(shè)置界面、歷史趨勢曲線界面、壓力水位界面、報警界面及報表打印界面等。它們都與實測數(shù)據(jù)相鏈接,并在界面上動態(tài)地顯示出來。同時,在此界面上還可以進行手、自動的無擾切換。   3.2.2 控制算法的實現(xiàn)   專家控制的控制算法在下位系統(tǒng)(PLC)上實現(xiàn),用Step 7編程??紤]到加熱爐的生產(chǎn)過程是一個慢變化過程,具有時間延遲,控制信號的輸出不能過于頻繁,否則會產(chǎn)生振蕩。所以,每經(jīng)過5個采樣周期輸出一次控制信號。其軟件流程如圖4所示。 [align=center] 圖4 軟件流程圖[/align]   3.3 應(yīng)用效果   采用DCS系統(tǒng)及專家控制以后,首先使操作工操作方便,使用鼠標點擊即可,整個加熱爐的運行狀況在計算機屏幕上一目了然。從控制性能看,調(diào)節(jié)比較及時,超調(diào)不大,穩(wěn)定運行時,上下波動在±5℃以內(nèi)。從節(jié)能降耗看,每天節(jié)省重油約3噸,按每噸1100元人民幣計算,每月節(jié)省約10萬,每年獲利潤約120萬人民幣。給企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益。 4 結(jié)束語   本系統(tǒng)投運以來,一直穩(wěn)定運行。其專家控制算法簡單實用,控制效果好,對于中小型軋鋼加熱爐值得推廣。 參考文獻   1 李士勇,模糊控制•神經(jīng)控制和智能控制論,哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1996:244~246   2 孫增圻,智能控制理論與技術(shù),北京:清華大學(xué)出版社,1997:264~270

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