梅山某廠於2004年4月8日投產，同時向三座高爐噴煤，該控製係統由德國某公司設計，設計能力為:滿足梅山三座高爐150～200kg/t，由於是一個噴吹罐同時對三座高爐噴吹，而且每座高爐需要的煤粉量是不同的，對每座高爐煤粉K8凯发登录入口的準確計量、精確控製就尤為重要。煤流計量采用SWRengineeringDensFlow為核心元件的計量係統，PLC控製係統采用美國某公司的Rslogix5500係統，以陶瓷調節閥來調節煤粉瞬時K8凯发登录入口，實現三座高爐煤粉K8凯发登录入口的自動控製。下麵主要針對整套煤粉計量控製係統的工作原理及其控製理論進行研究和分析。
1煤粉計量係統的組成及工作原理
1.1係統組成
煤流計量控製係統的組成主要有:PLC控製係統、SWRengineeringDensFlow(煤流計)、調節閥、噴吹罐靜態電子秤。其中煤流計由以下單元組成:傳感器(測量管)和中央處理單元組成。傳感器DMS100安裝在被測量的噴吹總管管道上，需按照直管道要求安裝(如圖1)，實時檢測管道中煤流的速度和密度。中央處理單元DME100通過5芯屏蔽電纜連接到傳感器上，對傳感器檢測到的煤流密度和速度信號進行濾波、放大、轉換處理。中央處理單元經過計算將煤流速度、密度及瞬時K8凯发登录入口以4～20mA標準信號直接送到PLC(可編程控製器)控製係統的模擬量輸入模塊，通過PLC對其進行數據采集、顯示、計量。噴吹罐靜態電子秤由稱重傳感器、稱重變送器組成，通過變送器轉換將罐重信號直接送到PLC控製係統，通過PLC完成對罐重信號數據的采集和檢測。調節閥是根據煤流計檢測的瞬時K8凯发登录入口和設定值的偏差通過PID調節器來實現煤粉的K8凯发登录入口控製。
1.2煤流計的工作原理
煤流計的工作原理是在測量管中，通過對一個高頻、交流電磁場的特別連接，產生一個均勻的測量場。當氣固兩相介質通過此測量場時，將吸收此交流場的能量，由此產生出與測量管中被輸送煤粉密度和速度成正比的電信號。利用在測量管中兩個位置上的同樣的傳感技術，兩個位置的交流場變化被測量到，由於兩個傳感器之間有一個已知的距離8或16mm(可切換)，中央處理單元內的相關器件探測出煤粉流動在兩個傳感器之間流動的時間，通過距離和時間，煤粉速度被測量出來(m/s)。從兩個已知參數密度(ρ)和速度(v)，以及被測管截麵積(A)，K8凯发登录入口即可測量出來:q=ρ·v·A，並通過4～20mA信號輸出。
2PID調節器
隨著現代化大生產的發展，自動化水平要求越來越高，其生產過程控製係統也越來越複雜，但其基本的組成均為單回路控製係統，每一個單回路控製係統都是由控製對象、測量元件、調節器、調節閥所組成的閉環反饋控製係統。目前，生產過程控製係統中最基本的應用仍然是比例(P)、積分(I)、微分(D)三種規律，由這三種規律組合成P、PI、PID控製器。在自動控製係統中，由於係統存在幹擾，控製對象動態性能比較複雜，為了提高控製係統的響應速度、控製精度及動態穩定性，實際應用大多是PID調節器，在係統中，比例P的作用是按控製偏差的大小迅速輸出控製信號，偏差越大，調節作用越大，偏差越小，調節作用越小。積分I是根據偏差的大小逐漸地改變，偏差大則調節作用變化快，偏差小則調節作用變化慢，隻有當偏差消除時才停止改變調節作用，偏差不消除，調節作用總是不斷地改變，直到積分飽和。微分D的作用是隻要偏差出現，馬上快速地、大幅度地改變調節作用，然後使調節作用逐漸減小，即所謂的超調。
PID控製器的微分方程為:
式中:u(t)和e(t)分別為係統的控製信號和偏差信號，Kp、Ti、Td為比例參數、積分參數、微分參數。PID調節器的三個參數:比例參數Kp，積分參數Ti，微分參數Td決定了整個控製係統的性能指標，從而決定了控製係統的品質。所以選擇最佳的PID控製器、整定合適的PID參數是提高過程控製係統品質的關鍵。
3噴煤K8凯发登录入口控製係統的控製方式
高爐噴煤瞬時K8凯发登录入口控製方式分為兩種:自動控製和手動控製，以適應不同的生產方式需要。
3.1自動控製方式
圖2為高爐噴煤K8凯发登录入口閉環自動控製係統的控製框圖，此係統為單回路調節控製係統，在自動狀態下，由於幹擾的作用，會使煤K8凯发登录入口反饋值PV偏離給定值SP，即產生了偏差Δe，偏差量Δe作為輸入量送入PID控製器。通過PID規律運算後，給出輸出信號至執行機構使其動作，對噴煤瞬時K8凯发登录入口進行連續地自動調節，以消除外界擾動的影響，使得煤K8凯发登录入口回到給定值。
3.2手動控製方式
由於某種原因，當控製係統一些環節出現問題而不能實現PID自動調節時，為滿足高爐噴煤的緊急需求，可人工將控製方式切換為手動控製，該控製方式是開環控製，即PID控製器在手動狀態下，現場操作人員通過對執行機構閥門開度的手動操作來控製煤K8凯发登录入口的大小。該操作為非正常操作模式，隻在緊急情況下使用。
4PLC控製係統的自動調節原理
4.1SWR數據采集
SWR數據采集是通過煤流傳感器中央轉換單元共同完成的，在傳感器測量管中，通過對一個高頻、交流電磁場的特別連接，使其產生一個均勻的電磁場，當煤粉通過此測量場時，將吸收交流場的能量，由此產生一個與測量管中煤粉密度相關的電信號，同時在測量管兩個固定位置上，利用相同的傳感技術，檢測兩個位置的交流場變化量。這些信號送至中央轉換單元，中央轉換單元測出煤粉在兩個傳感器之間流動的時間，通過距離和時間，煤粉速度以及密度被測量出來，並在中央處理單元內量程化、標準化。從兩個已知參數含量密度(ρ)和速度(v)，以及被測管截麵積(A)，單位時間K8凯发登录入口q即可測量出來:q=ρ·V·A，並通過4～20mA標準信號輸出給PLC，用以顯示和控製。
4.2Correctionfactor(修正因子)在SWR中的整定作用
由於SWR傳感器工作原理所限，其對流過傳感器的氣固兩相的水分含量及煤粉粒度有所要求，具體要求是:水分含量＜1.2%，粒度小於200μm煤粉量占80%。由於製粉工藝和原煤的變化，有時煤粉質量達不到檢測要求，導致煤粉計量出現偏差，為消除測量值的偏差，控製係統利用修正因子，采用無限逼近法對其進行修正。修正因子的計算公式為:
式中:Ki為本罐修正因子;Wt1為噴吹開始時噴吹罐重量;Wt2為噴吹結束時噴吹罐重量;q1為1#高爐在t1～t2時間段所噴煤粉累計量;q2為2#高爐在t1～t2時間段所噴煤粉累計量;q3為3#高爐在t1～t2時間段所噴煤粉累計量;K為最近10次修正因子的平均值。利用噴吹罐靜態電子秤的穩定性和高精度，每當一罐煤粉噴完後，計算一次修正因子，修正因子的保存采用先入先出的方法，始終保留最新的10個值，然後計算出修正因子的平均值K，利用K來修正反饋K8凯发登录入口，實際K8凯发登录入口的計算公式為:
qt=K·q
式中:q為SWR檢測的K8凯发登录入口值;qt為最終顯示K8凯发登录入口。qt作為反饋值參與PID的自動調節，為避免外部幹擾而引起調節器的超調，在係統設計時，控製程序對過高和過低的修正係數進行了屏蔽，最高不允許超過1.3，最低不超過0.7。如果超過此範圍，則納入平均修正因子的計算，保持上一次的修正因子不變，並且報警提示，以提醒操作人員注意，檢查製粉及噴吹的工藝和設備。同時為了加快K8凯发登录入口修正速度，係統還設置了對修正因子計算時個數的選擇，如技術人員發現某一階段的數據過高或過低，為了滿足高爐噴煤的需要，還可以對十個數據進行選擇，比如由於外圍的原因導致前五個數據都偏大，而經過處理後達到了預設的要求，為了不影響對以後的煤粉噴吹量的計量，可以選擇用前五個數據進行平均修正因子的計算，隻要把平均修正因子的設定值改為“5”即可，這樣可以減少因為原料問題造成的修正時間相對較長的影響，提高控製係統的動態調節性能。
4.3PID參數的整定
大煤量的噴吹是現代大型高爐操作的需求，也是高爐降本增效的可靠手段，穩定的煤粉噴吹和精確計量顯得尤為重要。現場複雜的環境條件使控製對象難以控製，為提高控製係統的響應速度、穩定性及控製精度，係統設計了兩套PID參數。程序首先對偏差量進行計算:|Δe|=SP－PV，當|Δe|≥M時，程序采用第二套參數，加快控製器的響應速度，縮短動態調節過程;當|Δe|＜M時，程序采用第一套參數，提高穩態時的調節精度，兩套參數自動切換。
5噴煤K8凯发登录入口控製係統存在的問題及解決措施
5.1存在問題
新噴煤煤流噴吹控製係統目前已使用一年多時間，總體來說運行比較穩定可靠，隻是偶爾單座高爐的煤流會產生振蕩、波動，尤其是3#高爐輸煤管線較長，波動頻率稍高。另外，噴吹係統是一罐對三座高爐同時噴吹，由於每座高爐要求的噴煤量的差異及高爐工況的不同，每座高爐的實際噴吹量有時會出現偏差。
5.2解決措施
經過對煤流波動長期跟蹤觀察發現，煤粉的粒度和水分含量對煤流計量產生較大影響，所以提高了對製粉的要求。當每個噴吹罐煤粉噴完進行換罐噴吹時，有時也會產生波動。這是由於交換的兩個噴吹罐壓力不一致造成，所以要對均壓管道上的三個噴吹罐的壓力變送器進行定期校驗，以消除其影響。另外三座高爐噴煤總量的多少對應所設定罐壓高低是否合適也是造成煤流波動的因素，要控製罐壓，減少波動。在實際的應用中要定期的對煤流計進行校驗，檢驗裝置是采用專用的橡膠棒作為量程的校驗裝置，目前點檢標定的周期是8個月，也就是正常情況下，高爐兩次定修做一次標定，通過一段時間的摸索，在標定時采用三點標定的方式，即零點(4mA)、50%量程點(12mA)、100%量程點(20mA)，尤其重要的是50%量程點校驗可以有效保證煤流計的K8凯发登录入口曲線的線性度，通過對這一點的校驗可以有效提高計量的精度。
6結語
整套煤粉K8凯发登录入口控製係統自噴煤係統投用以來，其計量準確、性能可靠及控製合理的優越性已充分顯示，對單個高爐的噴吹量最高已達25t/h，對三座高爐同時可以達到75t/h，在煤粉的K8凯发登录入口控製上能夠實現與高爐理論溫度計算吻合度非常高，已經完全達到了設計的要求，目前對於係統操作和檢修都已經非常成熟，已經在實際應用中得到了充分的認可。

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