（控制理论与控制工程专业论文）球团厂煤粉制备系统的多变量解耦pid控制.pdf

鞍山 科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着国际、国内市场的不断发展，对产品质量的要求越来越高。因此 追求高质量的产品、低成本的消耗成为企业能否在激烈的市场竞争中立于 不败之地的最首要的保证。 本论文通过详细分析球团厂煤粉制备系统的现场工艺、控制要求和过 程特点，在数据处理、模型建立和控制方法上，进行了深入的研究，完成 了球团厂煤粉制备控制系统的设计，并采用先进的自动控制技术，达到对 过程变量的实时检测，工艺流程的实时监控，过程参数的实时控制，使球 团厂煤粉制备系统脱离手动控制，基本实现自动控制。 首先论文对球团厂煤粉制备系统的工艺流程进行了简要介绍，论述了 煤粉制备过程控制系统的总体结构和实现方法。然后在详细研究煤粉制备 系统的工艺流程的基础上，根据现场具体的控制要求，决定采用一台工控 机( i p c ) 和一台可编程控制器( p l c ) 的两极控制结构，结合接口技术、数据 通信技术等，组合成分级的检测、显示、决策、控制的系统。控制系统的 软件设计采用模块化的设计思想，上位机采用组态软件w i n c c 6 . 0 进行软 件集成， 用于提供直观友好的人机界面: 下位机 p l c负责现场数据的采集、 滤波和反馈控制，采用s t e p 7 进行编程。 最后论文针对煤粉制备系统中的关键工艺步骤煤粉的磨制和干燥进 行了深入研究。煤粉制备系统从燃烧、经济的观点把煤粉制成具有一定粒 度大小的煤粉;按燃烧和输送的要求，可使最后磨成的合格煤粉的水分控 制在一定的范围内。本文采用多变量智能控制的思想对以立磨机、圆盘给 料机和沸腾炉为主要设备构成的被控对象进行实时多变量解祸控制，可使 整个系统在安全可靠的条件下运行，最终使煤粉制备系统运行在最佳的经 济工况。 关键词:煤粉制备系统，可编程控制器，w i n c c ，多变量解藕， p i d控制 鞍山科技大学硕士学位论文a b s t r a c t mu l t i v a r i a b l e d e c o p l i n g p i d c o n t r o l l e r o f c o a l mi l l i n g s y s t e m i n p e l l e t i z i n g p l a n t s a b s t r a c t w i t h c o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t o f i n t e r n a t i o n a l a n d h o m e m a r k e t s , t h e d e m a n d s o n p r o d u c t q u a l i t y b e c o m e h i g h e r a n d h i g h e r . s o p u r s u i n g h i g h - q u a l i t y p r o d u c t s a n d l o w - c o s t c o n s u m e s i s t h e f i r s t 一 l i n e g u a r a n t e e f o r c o r p o r a t i o n t o b e i n c i n c i b l e p o s i t i o n i n f u r i o u s m a r k e t c o m p e t i t i o n . t h e p a p e r d e t a i l e d l y a n a l y s i s t h e l o c a l e c r a f t w o r k , c o n t r o l r e q u i r e m e n t s a n d p r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c o f c o a l m i l l i n g s y s t e m o f p e l l e t i z i n g p l a n t s . t h e p a p e r c a r r y o u t i n - d e p t h r e s e a r c h o n d a t a p r e 一 t r e a t m e n t , m o d e l e s t a b l i s h i n g a n d c o n t r o l m e t h o d . t h e d e s i g n s c h e m e o f c o a l m i l l i n g s y s t e m a d o p t s a d v a n c e d a u t o m a t i o n c o n t r o l t e c h n i q u e i n o r d e r t o a c h i e v e r e a l 一 t i m e m e a s u r e m e n t t o p r o c e s s v a r i a b l e s , r e a l - t i m e s u p e r v i s e o n c r a f t w o r k f l o w a n d r e a l - t i m e c o n t r o l o n p r o c e s s p a r a m e t e r s . t n e n d w e m a k e t h e c o a l - m i l l i n g s y s t e m e s c a p e o f h a n d c o n t r o l a n d b a s i c a l l y r e a c h a t a u t o m a t i c c o n t r o l f i r s t l y t h e p a p e r c a r r i e s o u t b r i e f i n t r o d u c t i o n o n c r a f t w o r k f l o w o f c o a l m i l l i n g s y s t e m i n p e l l e t i z i n g p l a n t s , p r e s e n t s t h e g l o b a l s t r u c t u r e a n d r e a l i z a t i o n m e t h o d o f c o a l m i l l i n g c o n t r o l s y s t e m . s e c o n d l y b a s e d o n t h e i n - d e t a i l r e s e a r c h o n t h e c r a f t w o r k f l o w o f m i l l i n g s y s t e m a n d t h e d e t a i l e d c o n t r o l r e q u i r e m e n t o f p e l l e t i z i n g p l a n t s , t h e p a p e r d e c i d e s t o a d o p t t w o - p o l e c o n t r o l s t r u c t u r e o f a n i n d u s t r i a l p r o g r a m m i n g c o m p u t e r ( i p c ) a n d a p r o g r a m m i n g l o g i c a l c o n t r o l l e r ( p l c ) . t h e s y s t e m c o m b i n e s i n t e r f a c e t e c h n o l o g y a n d d a t a c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e t o m a k e u p l a y e r e d m e a s u r i n g , d i s p l a y i n g , d e c i s i o n - m a k i n g a n d c o n t r o l s y s t e m . t h e i f 鞍山 科技大学硕士学位论文a b s t r a c t s o f t w a r e d e s i g n o f c o n t r o l s y s t e m u s e s m o d u l a r i z a t i o n f r a m e i d e o l o g y . t h e u p p e r c o m p u t e r a d o p t s c o n f i g u r a t o n s o f t w a r e w i n c c 6 . 0 t o c a r r y o u t s o f t w a r e i n t e g r a t i o n i n o r d e r t o p r o v i d e i n t u i t i o n i s t i c a n d f r i e n d l y h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e . t h e l o w e r c o m p u t e r u s e s s o f t w a r e s t e p 7 t o p r o g r a m p l c i n o r d e r t o c o l l e c t t h e l o c a l e d a t a , f i l t e r n o i s e a n d f e e d b a c k c o n t r o l . f i n a l l y , t h e p a p e r a i m s a t t h e k e y c r a f t w o r k s t e p o f c o a l m i l l i n g s y s t e m , m i l l i n g a n d d r y n e s s o f c o a l , t o c a r r y o u t d e e p r e s e a r c h . t h e s y s t e m i n t r o d u c e s m u l t i v a r i a b l e d e c o p l i n g i n t e l l i g e n t c o n t r o l f o r t h e c o n t r o l l e d o b j e c t m a i n l y c o n s t i t u t e d b y c o a l m i l l i n g m a c h i n e , d i s c p r e s e n t i n g m a t e r i a l m a c h i n e a n d b o i l i n g f u r n a c e s o a s t o m a k e t h e s y s t e m r u n n i n g o n t h e s a f e s i d e t a k i n g b u r n i n g a n d e c o n o m i c s t a n d , t h e c o a l m i l l i n g s y s t e m i s t o c r a n k o u t c o a l i n t o c o a l p o w d e r h a v i n g c e r t a i n g r a n u l a r i t y . t a k i n g b u r n i n g a n d t r a n s p o r t a t i o n s t a n d , t h e c o a l m i l l i n g s y s t e m i s t o c o n t r o l t h e m o i s t u r e o f e l i g i b i l i t y c o a l p o w d e r u n d e r c e r t a i n s c o p e . i n e n d , t h e d e s i g n p r o j e c t m a k e s c o a l 一m i l l i n g s y s t e m r u n n i n g u n d e r o p t i m a l e c o n o m i c w o r k i n g s t a t e . k e y w o r d s : m i l l i n g s y s t e m , p l c , w i n c c , m u l t i v a r i a b l e d e c o p l i n g , p i d c o n t r o l m 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题来源 随着国际、国内市场的不断发展，对产品质量的要求越来越高。因此 追求高质量的产品、低成本的消耗成为企业能否在激烈的市场竞争中立于 不败之地的最首要的保证 。 我国钢铁企业的劣势之一是铁矿资源品质差， 铁精矿质量低，成本高。经济合理地提高铁精矿质量是我国钢铁行业应对 严峻挑战的有效措施之一。企业在面对入世后钢材市场激烈竞争的局面， 要求生存，求发展，在市场竞争中立于不败之地，必须提高产品质量，降 低生产成本，才能与国际市场接轨。 钢铁工业是以大量铁矿石为原料，经过长时间的开采，日前天然富矿 越来越少，不得不使用大量贫矿，但贫矿直接入炉，在经济上和操作上都 不适宜，因此铁矿石必须经过选矿加工。但贫矿富选后得到的精矿粉以及 富矿加工过程中产生的富矿粉还不能直接入炉冶炼，需要将其造成块状。 烧结的任务是将粉状物料( 如矿粉和精矿) 进行高温加热，在不完全熔化的 前提下烧结成块的方法。选矿选出的矿粉烧结成球后作为高炉炼铁的主要 原料。对焙烧炉焙烧过程的控制是一项较为复杂的工作，其控制质量的好 坏是球团质量和生产效益的关键，直接影响着下游产品的产量和质量。 我国炼铁界将高炉精料的要求概括为 “ 高、熟、净、匀、小、稳”六 个字，其含义是:铁矿石入炉品位高，使用烧结矿或球团矿等熟料，尽可 能筛除小于 5 m m的粉，粒度小而均匀、化学成分稳定。在我国，高炉入炉 炉料的 9 0 % 以上是靠烧结法提供的。可以说我国的铁工业的发展在很大程 度上与烧结矿的用量和质量密切相关，要保证在高炉用料中有足够的烧结 矿用量 ，以及 良好的烧结给矿质量。在对铁矿粉烧结工艺不断发展完善的 同时， 对另一种为高炉提供 “ 精料”的造块方法一球团法也 日益引起重视。 球团方法是将细磨精矿制成满足冶炼要求的块状物料的一个加工过 程。其过程为:将准备好的原料 ( 细磨精矿或其他细磨粉状物料、添加剂 或粘合剂等)按一定的比例经过配料混匀，在造球机上经滚动而制成的一 定尺寸的生球，然后采取干燥或焙烧或其他方法使其发生一系列物理化学 变化而硬化固结，这一过程叫球团过程，这种方法称为球团法。 在链蓖机一回转窑球团过程的生产工艺中，煤粉制备系统是一个十分 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪论 重要的生产工序，它涉及到温度、压力、重量等大量物理参数，从控制的 角度来看，煤粉制备系统是具有多变量、分布参数、大滞后、非线形的复 杂被控对象。根据工艺要求，煤粉的制备和准确的秤量直接影响回转窑的 窑头温度，这对球的合格率产生重要的间接作用，因此煤粉制备系统控制 对保证正常生产有重要意义。 在弓矿公司一期球团配煤系统中，配煤系统均由操作工人手工控制设 备操作完成，这样人为的因素往往导致生产的不稳定，影响工艺处理而降 低球的合格率，造成人力、设备、能源的无端浪费。针对弓矿公司一期球 团配煤系统出现的问题，弓矿公司及二期球团厂的有关领导提出，要采用 先进的控制技术提高二期球团厂配煤系统的自 动化程度，以便提高产品质 量，降低生产成本。 近年来 p l c 控制技术在控制领域的发展速度及普及程度又为我们提 高冶金工业的自动化水平提供了条件 2 。 由于p l c 控制技术适应了工业控制 系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，所以我们选择该技术作为弓 矿公司二期球团配煤控制系统的解决方案。 1 . 2煤粉制备系统的工艺流程 在球团生产的过程中，生球的干燥、预热、焙烧过程是在链算机和回 转窑中完成的，这些过程所需的热量都是由煤粉燃烧来提供的，而煤粉来 自于球团厂煤粉制备系统。 球团厂煤粉制备系统主要有以下部件:传送皮带、破碎机、原煤仓、 圆盘给料机、电子皮带秤、立磨机、主收尘器、螺旋给料机、煤粉仓、申 克秤、罗茨风机、鼓风机等。 球团厂煤粉制备系统首先将来自煤场的煤块磨制成满足一定粒度和 干燥度的煤粉，然后由定量给料设备将煤粉采用气力输送方式输送至回转 窑的喷吹系统。在配煤系统中，圆盘给料机和申克秤等设备用来控制和测 量配煤量，电子皮带秤、带天平的料仓等设备用来测量配煤系统过程中不 同点的煤量。配煤控制系统通过配煤系统过程中不同点测得的配煤量反馈 来调节给料设备的给料量，最终达到比较理想的配煤量。从功能上煤粉制 备系统可分为原煤破碎、 煤粉制备和煤粉输送三部分， 下面进行分别论述。 鞍山 科技大学硕士学 位论文第一章绪论 1 . 2 . 1原煤破碎及输送 其工艺流程如下图所示: 图 1 . 1原煤破碎及输送系统工艺流程图 烟煤采用火车运输入厂，人工卸至贮煤场，当煤粉制备系统开始运行 时，由运输车辆将原煤装入原煤料斗;原煤分别经过箱式给料机、0 2皮带 运输机和 0 3皮带运输机送入细颖破碎机，烟煤入厂粒度为 8 0 m m 以上， 入窑前将其粗破碎至 2 5 m m以下; 0 6收尘器对细颗破碎机进行粉尘收集和 排放;细领破碎机的输出和 0 6 收尘器经由收尘器卸灰阀的输出经过 0 7 皮 带运输机和 0 9皮带运输机送入原煤仓; 1 0收尘器对 0 7 皮带运输机的煤粉 进行粉尘收集和排放;0 6收尘器经由收尘器卸灰阀的输出也经过 0 9皮带 运输机送入原煤仓;1 8 收尘器对原煤仓的煤粉进行粉尘收集。 1 . 2 . 2煤粉制备 煤粉制备具体又可细分为立磨工艺过程、主收尘工艺过程、申克秤工 艺过程。从圆盘给料机到立磨机属于立磨工艺过程，从六联主收尘箱到螺 旋输送机属于主收尘工艺过程，从煤粉仓到申克秤属于申克秤工艺过程。 原煤仓的原煤经过原盘给料机和电子皮带秤进入立磨机，将原煤磨至 -2 0 0目 8 0 %; 沸腾炉对含水分较大的煤粉进行干燥; 立磨机输出的煤粉 经过电动蝶阀送入主收尘器进行粉尘收集和排放; 由1 # -4 # 电动平板阀控 制的 1 # 和 2 # 螺旋输送机将煤粉送入煤粉仓;2 1 收尘器对煤粉仓的煤粉进 行粉尘收集和排放;1 # 和 2 # 申克秤对煤粉进行定量控制:1 4 和 2 # 罗茨风 鞍山科技大学硕士学位论又第一章绪论 机给煤粉输送提供风力动力。 煤粉制备阶段的工艺流程如下图所示: 图 1 . 2 煤粉制备系统工艺流程图 1 . 2 . 3煤粉输送 煤粉输送阶段的工艺流程如下图所示: 图 1 . 3 煤粉输送系统工艺流程图 当煤粉制备系统开始工作时，先由 1 # - 2 # 三螺杆泵控制从油罐流出的 油量，点燃燃油，当温度达到一定程度时，申克秤输出的煤粉由 1 # - 2 # 执 行器控制的 1 # - 2 # 鼓风机吹入窑内，点燃煤粉。 1 . 3煤粉制备控制系统概述 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 回转窑中煤粉的燃烧是在悬浮状态下进行燃烧的，要获得良好的燃烧 效果，提供合格的煤粉是至关重要的。对于固体燃料，它要求把煤粉制成 极细微的煤粉。因此，煤粉制备系统的基本任务在于:1 )从燃烧、经济 的观点把煤粉制成具有一定粒度大小的煤粉;2 )按燃烧和输送的要求， 原煤受热干燥，蒸发水分，最后磨成的合格煤粉的水分控制在一定的范围 内;3 )实现各通风机和鼓风机与煤粉量的匹配和协调 a - 5 煤粉制备系统从燃烧、经济的观点说是把煤粉制成具有一定粒度大小 的煤粉;按燃烧和输送的要求，使最后磨成的合格煤粉的水分控制在一定 的范围内。本文采用多变量解祸控制的思想对以立磨机、圆盘给料机、电 子皮带秤和沸腾炉为主要设备构成的被控对象进行实时控制，使整个系统 在安全可靠的条件下运行。 圆盘给料机是球团厂常用给料设备。它给料均匀，容易操作，运转 平稳可靠。整个设备由传动机构、圆盘、套筒和调节排料量的阀门或刮刀 组成。圆盘给料机的主要工作部件是固定在竖轴上的水平回转的圆盘，圆 盘及竖轴均靠底座支撑。竖轴有电动机经联轴节，通过减速机及一对伞齿 来带动圆盘。圆盘转动时。料仓内的物料在压力的作用下，随着圆盘一齐 转动，并向物料出口的方向移动，经阀门或刮刀排出物料。排料量的大小 可用阀门或刮刀装置来调节。 电子皮带秤是一种称量设备，能够测量、指示物料的瞬时输送量，并 能进行累积显示物料量。 沸腾炉则为立磨机提供热风，用来干燥煤粉。 本系统采用 m p f 型立磨机，它是具有三个固定磨辊的外加力型辊盘式 磨机。三个辊子在一个旋转磨盘上作滚压运行，由电子皮带秤输送来的原 煤与热风一起从磨机的中心落煤管落到磨盘上。旋转磨盘借助于离心力将 物料运动至碾磨辊道上，通过磨辊进行碾磨。三个磨辊圆周方向均布于磨 盘辊道上， 磨辊施加的碾磨力由液压缸产生。 物料的碾磨和干燥同时进行。 由沸腾炉供给的热风由热风门控制，冷风门在正常运行时是关闭的，只在 停机冷却磨煤机时使用;由排粉机出口至立磨机入口的再循环风量由再循 环风门控制;将经碾磨的物料烘干并输入至立磨机上部的分离器。 由立磨机出口流出的风粉混合物进入粗粉分离器，经粗粉分离器分离 后，较粗的煤粉通过回粉管流回落煤管中，合格的煤粉悬浮在气流中流向 细粉分离器，这部分煤粉就是制成的煤粉。在分离器中，粗细物料分开， 细粉排出立磨机，粗粉由再循环风重新返回磨盘碾磨。难以破碎的杂务热 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 气流不能吹走，它们通过喷嘴环落入磨机下部的热空气室中，经刮板至废 料箱中排除。清除废料的过程在磨机运行期间也能进行。 分离器为旋转式分离器。安装在立磨机上部，与立磨机形成一体。从 碾磨腔排出的气粉混合物通过切向叶片进入分离器静态叶片进行粗分离 后，进入分离器动态叶片进行细分，不合适的粗粉被分离出来，经分离器 下部的内锥体重新进入磨碾磨制。合适的细粉被热风输送到煤粉仓。磨机 运行过程中，动态分离器由变频电机调节，可改变分离器的分离特性。因 此，分离器在热风和物料流量一定的情况下，碾磨细度可作一定的调整。 在立磨机运行期间，如果机内气体 o z 的体积含量 1 4 % ，则应通入足够 的惰性气体。当立磨机内含氧量高时，高温会引起煤粉自燃或突燃，因此 需要通入惰性气体。煤粉的挥发性、细度、含粉气体浓度、干燥度和温度 的增加会加大煤粉自燃的可能性。 煤粉制备系统正常工作时， 干燥剂 ( 热空气或空气与烟气的混合气体) 与原煤由立磨机筒内的一端进入立磨机内，原煤在筒内一面被破碎，一面 被干燥剂的热量加热、 干燥。 被磨细的煤粉随着干燥剂一块从另一端带出。 干燥剂的温度和风量，必须从煤粉的干燥和输送两方面来确定。 衡量煤粉制备系统的经济效率主要取决于立磨机的出力，立磨机的出 力有磨煤出力和干燥出力两种。前者是指在保证达到所要求的煤粉细度 下，根据所消耗的能量，在单位时间里能够磨制的煤粉量。而干燥出力则 指在磨制煤粉过程中，单位时间里把燃料从原有水分干燥到最终的煤粉水 分的煤粉量。立磨机运行中的实际煤粉量既受磨煤条件的限制，也受干燥 条件的限制。影响立磨机的出力因素很多，其中最重要的有三:( 1 )立磨 机的结构特性;( 2 )立磨机的运行特性参数:如实际转速以及立磨机的通 风量等;( 3 )被磨制原煤的特性:最主要的特性指标是可磨性系数和原煤 的水分等 6 - 7 。 由于影响因素和关系很复杂，目前还不可能用一个公式把各 种因素的影响都准确地考虑到，因此磨煤出力的实际计算还属于经验性 的 。 1 . 4煤粉制备控制系统的现状分析 二十世纪六十 年代末，国外大都采用模拟仪表进行磨煤机控制而我国 一直采用手动控制方式，到七十年代初期，我国开始设计了以给煤量控制 压差，以热风量控制温度，以再循环风量控制负压的自动控制系统，以及 鞍山 科技大学硕士学位论文第一牵绪论 另一种用给煤量控制温度，用热风控制负压的方法。它们共同的问题是以 单回路调节器为基础，对立磨机如此复杂的系统显然达不到控制要求，若 强行将其间的相互联系割裂开来， 只能顾此失彼， 达不到理想的控制结果， 三变量之间的严重祸合，加之系统的非线性和时变性问题，这个时期的自 动控制系统均不能投入运行，直到八十年代初期，国内开始有人研究磨煤 机制粉系统的动态特性和数学模型，并把多变量解藕控制方法应用于制粉 系统的分析;进入九十年代，人们在消化引进国外磨制煤粉系统控制技术 的同时，开始探索用新的方法来检测磨煤机内的存煤量，而且控制方法也 有了较大的进步。 随着先进控制理论和检测手段以及计算机技术的发展 fl - 1 11 ，制粉系统 球磨机这一较难控制的系统开始受到重视，并取得了一些理论和应用方面 的研究成果。一批以多变量控制理论、模糊控制理论及自适应优化理论为 基础，在充分考虑了制粉系统特点的基础上，针对不同被控过程的具体特 性，基于不同控制理论的实用控制策略已被提出，如解祸控制、自寻优控 制、 模糊控制、 预测控制等先进控制方法在这一系统中的研究和应用 1 1 - 2 4 因此，球团厂煤粉制备系统立磨机自动控制的目标应该是，充分考虑 立磨机系统的非线性特性、强藕合特性以及大迟延大惯性，以非线性智能 控制理论为基础，并着力解决系统的祸合问题，提高系统在大范围内的可 控性和适用性，应用领域知识优化系统的运行状态，不仅使单耗最低，更 要使制粉系统的总体效率最佳，达到整体上的优化，并且保证系统安全运 行 。 1 . 5煤粉制备系统的控制要求 将煤粉制备系统整个过程看成一个系统，不仅需要考虑立磨机的出 力，还要考虑煤粉制备系统的电耗、安全等其它因素，也就是要求在安全 可靠的条件下，用最小的电耗使立磨机产生最大的出力，即煤粉制备系统 运行在最佳的经济工况。 立磨机的功耗包括三部分:( l )直接消耗在磨制燃料上，它取决于立 磨机的结构参数和被磨制燃料的性质;( 2 )空载功率消耗;( 3 )对大功率 立磨机在电机冷却及励磁的附加功率。 由于空载功率占总功率的 9 0 % 以上， 所以立磨机特别不适宜于低负荷下运行。从功耗来看，立磨机应尽可能多 的装煤;但过多的装煤量，会降低立磨机的出力和运行的安全可靠。 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪论 在煤粉燃烧和煤粉运输方面，需要煤粉具有一定的干燥度，一方面干 燥赋予煤粉具有很强的空气吸附能力，通过煤粉颗粒表面极薄空气的减阻 作用，使其具有 良好的流动性，易于实现煤粉与空气混合并通过管道完成 气力输送过程;另一方面，如煤粉干燥过度则意味着通入热风过量，气粉 混合物温度过高，其后果是引起自热分解的加剧，导致自燃爆炸。 综上所述， 煤粉制备系统工作在最佳经济工况， 有以下三个控制要求: ( 1 ) 保证磨煤机内的煤量接近最佳存煤量。理论分析和实践经验表明，磨 煤机的能耗与产粉量的多少基本无关，因此保证磨煤机内的存煤量尽 可能接近最佳存煤量，以便制成尽可能多的煤粉是提高制粉系统经济 性的关键。磨煤机的存煤量一般主要是通过调整给煤量来控制的; ( 2 ) 为了提高立磨机的千燥出力，应尽可能提高干燥剂的温度，但为了防 止立磨机送出的煤粉爆燃，又保证立磨机出口的温度不超过规定值， 因此，要对立磨机的出口温度进行控制，一般主要通过调整热风门的 开度来进行控制。 ( 3 ) 为了保证立磨机的最佳通风量，使磨制好的煤粉随通风输送到煤粉仓， 并防止煤粉泄漏，需要控制立磨机入口负压，这一般主要是由再循环 风门的开度控制的。 然而，并非通过三个单回路就能达到以上控制 目的，因为该系统控制 的难度在于: ( 1 ) 立磨机内的存煤量是一个难以直接测量的量，其测量方法是多年来人 们一直在努力的方向，却又一直未能较好地解决，直到目前，绝大多 数系统均是用立磨机入出口压差代表存煤量，其但入出口压差受热风 和再循环风的影响很大，从而最佳存煤量也就难 以保证; ( 2 ) 该系统是一强祸合大惯性大滞后的三输入三输出多变量系统，三个单 回路的调节方式显然不能满足生产实际的需要，手动调节难以兼顾。 ( 3 ) 该系统具有严重的非线性特性，如当给煤量超过一定限值后，将出现 堵煤和煤粉泄露现象，影响安全生产和环境卫生。 弓矿公司一期球团厂煤粉制备系统的现场运行情况表明，制粉系统长 期手动控制磨煤机运行不仅容易造成其超温、空载和跑粉事故，而且也不 能使磨煤机长期保持在最大出力下运行，致使单位磨煤电耗增加。目前， 国内电厂制粉系统大多数采用分设的单回路控制系统，而且依据古典控制 理论进行设计和整定的，未考虑制粉对象是一个具有大滞后的多变量祸合 系统，这是制粉系统不能入 自动运行的主要原因。 鞍山 科技大学硕士学位论文 第一章绪论 上述情况决定了开发煤粉制备生产过程自动化控制系统是一个从简 单任务到复杂任务逐步改善系统的组织和表示的过程，根据其特点及现场 生产的实际情况，将复杂的大系统分解为具有不同功能的子系统。煤粉制 备系统的多变量智能控制系统的开发步骤如下图所示: 认识阶段 概念化阶段 形式化阶段 实现阶段 钡 组 试阶段认 图 1 . 4 煤粉制备控制系统的开发步骤 1 . 6研究课题的目的和意义 球团厂煤粉制备系统是典型的连续生产过程，其生产过程的正常、平 稳运行直接牵涉到回转窑窑头温度的稳定，这对稳定球团生产，提高球团 矿的经济技术指标有至关重要的作用。 在基于经典和现代控制理论的控制系统的分析和设计中，一个重要前 提是必须建立一个描述系统运动状态的数学模型。但煤粉制备系统的生产 过程比较复杂，难以得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程， 近似 建立的数学模型不可能与实际系统完全吻合， 而如果简单的使用p i d 控制 器，其结果有时是不能令人满意的。在弓矿公司一期球团中，系统由操作 工人手工控制设备操作完成，这样人为的因素往往导致控制精度不高，一 旦操作不当就很难保证系统的稳定性，达不到工艺要求而降低球的合格 率，造成人力、设备、能源的无端浪费。 弓长岭矿二期球团厂配备了集散控制系统，具备了基本检测和基础控 制功能，为进一步实现自动控制和智能控制提供了可能。本课题主要对球 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 团厂煤粉制备系统提出总体设计方案，采用智能解祸控制技术对煤粉磨制 系统进行控制，对保证整个生产过程的有效控制、实现生产优化以及获得 最大生产利润奠定非常坚实的基础。 1 . 7本文的主要研究内容 本课题主要研究球团厂煤粉制备系统的立磨机控制技术，并建立高效 的智能解祸控制系统， 实现生产优化以获得最大生产利润， 具体任务包括; ( 1 ) 利用 s 工 m a t 工 c s 7 - 3 0 0 实现现场仪表输出的模拟量采集和控制设备和阀 门的自动控制: ( 2 ) 利用 w 工 n c c 6 . 。实现现场过程参数的实时监控、实时报警。使用清晰 准确的画面描述工业控制现场、记录现场数据、显示实时趋势曲线及历史 趋势曲线; ( 3 ) 应用智能多变量解藕控制方法对以立磨机为主要被控对象的系统建立 控制方案。 本文的章节安排如下: 第一章是绪论部分，阐述了本课题的选题来源，对球团厂煤粉制备系 统的工艺流程进行了概述，阐述了本课题的研究意义和目的。 第二章主要介绍了煤粉制备系统的硬件设计; 第二章主要介绍了煤粉制备系统的软件设计; 第四章主要研究了应用智能多变量解藕控制方法对以立磨机为主要 被控对象的系统建立控制方案; 论文的第五章是结论与展望。 鞍山科技大学硕士学位论文 第二章 煤粉制备控制系统硬件设计 第二章煤粉制备控制系统硬件设计 控制系统的发展可以分为两个方向:一是传统的控制系统，分为过程 控制和逻辑控制;二是计算机控制系统，从大型的电子计算机开始，发展 成以后的中型计算机和微机控制系统，再逐步发展成为两个分支，即 p l c 控制系统和 d c s控制系统。 传统的控制方式以继电器逻辑控制和电子线路的模拟控制为特征。继 电器逻辑电路可以实现复杂的工艺连锁控制功能，但随着工业自动化程度 的提高、控制系统的复杂，单纯由继电器控制来满足生产工艺的要求己是 不可能。对于复杂的生产工艺，为了实现逻辑连锁要求，将要使用成百上 千个继电器，伴之而来的是复杂的电器线路连接，给工程设计、施工及生 产维护带来困难。适应性差、体积大、功能简单、成本高、可靠性差等缺 点制约了继电器控制系统进一步的发展和应用。 在各种智能测量、控制仪表和高可靠性可编程控制器( p l c ) 出现以后， 当今的过程控制系统设计人员已可根据具体控制要求，选择合适的仪表和 控制单元进行系统集成。 这样系统的设计开发周期短、可靠性高、 成本低。 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ) ，简称 p l c ，早 期主要应用于开关量的逻辑控制，现代的可编程控制器是以微处理器为基 础的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相 结 合 的 产 品 czs 2 . 1现代 p l c的发展状况 2 . 1 . 1 p l c 的特点与应用 本世纪六十年代，人们开始研制生产 p l c ，并用以取代继电器控制。 1 9 6 9年，美国数字设备公司 ( d e c )根据通用汽车公司的要求，研制出世 界第一台p l c ，并运用在该公司生产线上获得成功。 从组成结构形式上 p l c分为两类，一类是一体化整体式 p l c ，另一类 是模块式结构化的 p l c . o m r o n公司的 c 2 0 f , c 4 0 p , c 6 0 p 5 ，三菱公司的 f 1系列，东芝公司的 e x 2 0 / 4 0系列等都属前者，其特点是电源、c p u中 央处理系统、 1 / 0接口都集成在一个机壳内。 o m r o n 公司的c 2 0 0 h , c 1 0 0 0 h , c 2 0 0 0 h ，西门子公司的 s 5 -1 1 5 u , s 7 -3 0 0 , s 7 -4 0 0系列等则属后者。 鞍山 科技大学 硕士学位论文 第二章 煤粉制备控制系统硬件设计 它们的电源模块、c p u 模块、开关量 i / 0 模块、模拟量 i / 0 模块等在结 构上是相互独立的，可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装在固 定的机架或导轨上，构成一个完整的 p l c 应用系统。 随着 电子技术 以及控制理论的发展，可编程序控制器功能己远远超过 了逻辑或电气控制的范畴。 模拟量的处理、 远程通信等能力使 p l c 集电气、 仪表、计算机控制于一身，它具有更为复杂、综合的控制能力，p l c广泛 吸收了现代先进的控制技术，极大地满足了工业自动化的要求。现在可编 程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算 机。可编程控制器的主要特点如下: ( 1 ) 通用性强、适应面广:与继电器控制相比，p l c 几乎已经不再受继电器 数量及所带辅助触点的限制。单处理器所能处理的信号 ( i / 0 )点数从 几十个到几万个，面队信号连锁关系的实现仅受处理器内存的限制。 这主要收益于处理器内部软继电器的设计，以软继电器取代硬接点的 技术是p l c 控制系统取代继电器控制系统的关键所在。 ( 2 ) 设计、安装容易，调试周期短，维护简单。p l c己实现产品的系列化、 标准化，设计者可在规格繁多、品种齐全的 p l c产品中选用高性能价 比的产品。p l c 用软件功能取代了继电器控制系统大量的中间继电器、 时间继电器、计数器等器件，从而使控制柜的设计、安装接线工作量 大为减少。 用户程序大部分可以在实验室模拟进行， 调试好后再将 p l c 控制系统放到生产现场联机调试，这样既快速又安全方便，从而就大 大缩短设计和调试周期。在维修方面，由于 p l c本身故障率极低，而 且各种模块上均有运行和故障显示，便于用户了解运行情况和查找故 障。又由于大部分 p l c采用模块化设计，一旦某模块发生故障，用户 可通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 ( 3 ) 系统开发简单，投入周期短:p l c 厂家提供了指令丰富、功能强大的开 发环境，使得系统设计容易实现，且有各种调试手段用于满足生产的 需要。 p l c的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言， 直观易 懂，深受现场电气技术人员的欢迎。 ( ) 处理器功能强大、 通用性强: p l c 不但能处理大量逻辑运算、 连锁控制， 而且还有计数器、计时器可供使用;对算术运算、关系运算能力也很 强， 此外， p l c 还能对字、 文件进行操作， 使得编程人员更加得心应手。 ( 5 ) 回路调节能力强，使用灵活:p l c控制系统可完成对现场模拟量信号 a / d . d / a转换， 加上高性能处理器芯片的处理能力， 可用软件实现 p i d 鞍山 科技大学硕士学位论文第二章 煤粉制备控制系统硬件设计 回路调节，并可方便地自动实现无扰动切换及信号跟踪，这为 p l c在 复杂的工业系统中的广泛应用提供了强有力的支持。 ( 6 ) 具有网络通信功能:不论小到车间级控制，大到厂级的 c i m s 系统，信 息准确传输到是至关重要的， p l c不但提供了可靠的工业控制网， 而且 能够利用通用商务网络准确无误地将有关信息送往中央处理器或厂长 办公室。 ( 7 ) 体积小、能耗低、性能价格比高:p l c 控制系统最大程度地减少了组成 系统的元器件，节约了占地面积，缩短了调试、检修、维护时间。低 投入、高性能是 p l c技术发展的动力。 ( 8 ) 可靠性高、抗干扰能力强。可靠性是用户的首要要求，因而 p l c的生 产厂家都致力于提高可靠性的指标。目前各生产厂家生产的 p l c其平 均无故障时间都大大超过 i e c 仃n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 规定的 1 0万小时。而且规模较大、要求较高的系统还可 以采用多机冗余系统或表决系统，进一步提高系统的可靠性。p l c的 工 / 0 接口电路均采用光电隔离，有效地抑制干扰。 由于 p l c 具有上述功能特点，目前已广泛应用于冶金、能源、化工、 轻工、 机械、 汽车、电力、 建材、 运输、 环保和文化娱乐等领域。 随着p l c 性价比的不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类: ( 1 ) 开关量的逻辑控制:这是 p l c的最基本、最广泛的应用领域，它取代 传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、 多机群控、自动化生产线的控制。 ( 2 ) 位置控制:大多数 p l c制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机 的单轴或多轴位置控制模块。这一切都可广泛用于各种机械，如金属 切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。 ( 3 ) 过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的 闭环控制。 ( 4 ) 数据处理:现代 p l c具有数学运算、数据传递、转换、排序和查找、 位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。这些数据可通过 通信接口传到其它智能设备。 ( 5 ) 通信联网:p l c的通信包括 p l c相互之间，p l c与上位计算机，p l c与 其它智能设备间的通信。 p l c 系统与通用计算机可相连构成网络，以实 现信息交换，并可构成分布式控制系统，满足工厂自动化发展的需要。 鞍山科技大学硕士学位论文 第二章煤粉制备控制系统硬件设计 2 . 1 . 2 p l c 的发展趋势 随着技术的发展和市场需求的增加，p l c的结构和功能不断改进，生 产厂家不断推出功能更强的新产品。现代 p l c的发展有两个主要趋势:其 一是向体积小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型 p l c方面发展; 其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性、多功能方面发展。 ( 1 ) 大型网络化:今后 p l c 将具有 d c s ( 计算机集散控制系统) 。网络化和强 化通信能力是 p l c的一个重要发展趋势。 p l c 构成的网络将有多个 p l c , 多个 i / 0模块相连，并可与 i p c ( 工业计算机) 、e p c ( 嵌入式计算机) 、 以太网等相连构成整个工厂的自动控制系统。现场总线技术 ( 如 p r o f i b u s ) 在工业控制中将会得到越来越广泛地应用。 ( 2 ) 多功能:为了适应各种特殊功能的需要，各个公司陆续推出了各种智 能模块。 智能模块是以微处理器为基础的功能部件。 它们的c p u 与p l c 的 c p u并行工作，占用主机的 c p u时间很少，有利于提高 p l c扫描速 度和完成特殊 的控制要求。 ( 3 ) 高可靠性:一些特定的环境和条件要求自动化系统有很高的可靠性 因而 自诊断技术、冗余技术、容错技术在 p l c中得到广泛的应用。 ( 4 ) 编程语言向高层次发展。 p l c编程语言在原有梯形图语言、 顺序功能图 语言和指令表语言的，不断丰富和向高层次发展 s i m a t 工 c m 7 可以使用c / c + + 等高级语言进行编程 。如 s i e m e n s公司的 ( 5 ) 良好的兼容性: p l c 产品的优劣除了要看其内在技术优良外， 还需要考 察其满足国际标