梅山某厂于2004年4月8日投产，同时向三座高炉喷煤，该控制系统由德国某公司设计，设计能力为:满足梅山三座高炉150～200kg/t，由于是一个喷吹罐同时对三座高炉喷吹，而且每座高炉需要的煤粉量是不同的，对每座高炉煤粉流量的准确计量、精确控制就尤为重要。煤流计量采用SWRengineeringDensFlow为核心元件的计量系统，PLC控制系统采用美国某公司的Rslogix5500系统，以陶瓷调节阀来调节煤粉瞬时流量，实现三座高炉煤粉流量的自动控制。下面主要针对整套煤粉计量控制系统的工作原理及其控制理论进行研究和分析。
1煤粉计量系统的组成及工作原理
1.1系统组成
煤流计量控制系统的组成主要有:PLC控制系统、SWRengineeringDensFlow(煤流计)、调节阀、喷吹罐静态电子秤。其中煤流计由以下单元组成:传感器(测量管)和中央处理单元组成。传感器DMS100安装在被测量的喷吹总管管道上，需按照直管道要求安装(如图1)，实时检测管道中煤流的速度和密度。中央处理单元DME100通过5芯屏蔽电缆连接到传感器上，对传感器检测到的煤流密度和速度信号进行滤波、放大、转换处理。中央处理单元经过计算将煤流速度、密度及瞬时流量以4～20mA标准信号直接送到PLC(可编程控制器)控制系统的模拟量输入模块，通过PLC对其进行数据采集、显示、计量。喷吹罐静态电子秤由称重传感器、称重变送器组成，通过变送器转换将罐重信号直接送到PLC控制系统，通过PLC完成对罐重信号数据的采集和检测。调节阀是根据煤流计检测的瞬时流量和设定值的偏差通过PID调节器来实现煤粉的流量控制。
1.2煤流计的工作原理
煤流计的工作原理是在测量管中，通过对一个高频、交流电磁场的特别连接，产生一个均匀的测量场。当气固两相介质通过此测量场时，将吸收此交流场的能量，由此产生出与测量管中被输送煤粉密度和速度成正比的电信号。利用在测量管中两个位置上的同样的传感技术，两个位置的交流场变化被测量到，由于两个传感器之间有一个已知的距离8或16mm(可切换)，中央处理单元内的相关器件探测出煤粉流动在两个传感器之间流动的时间，通过距离和时间，煤粉速度被测量出来(m/s)。从两个已知参数密度(ρ)和速度(v)，以及被测管截面积(A)，流量即可测量出来:q=ρ·v·A，并通过4～20mA信号输出。
2PID调节器
随着现代化大生产的发展，自动化水平要求越来越高，其生产过程控制系统也越来越复杂，但其基本的组成均为单回路控制系统，每一个单回路控制系统都是由控制对象、测量元件、调节器、调节阀所组成的闭环反馈控制系统。目前，生产过程控制系统中最基本的应用仍然是比例(P)、积分(I)、微分(D)三种规律，由这三种规律组合成P、PI、PID控制器。在自动控制系统中，由于系统存在干扰，控制对象动态性能比较复杂，为了提高控制系统的响应速度、控制精度及动态稳定性，实际应用大多是PID调节器，在系统中，比例P的作用是按控制偏差的大小迅速输出控制信号，偏差越大，调节作用越大，偏差越小，调节作用越小。积分I是根据偏差的大小逐渐地改变，偏差大则调节作用变化快，偏差小则调节作用变化慢，只有当偏差消除时才停止改变调节作用，偏差不消除，调节作用总是不断地改变，直到积分饱和。微分D的作用是只要偏差出现，马上快速地、大幅度地改变调节作用，然后使调节作用逐渐减小，即所谓的超调。
PID控制器的微分方程为:
式中:u(t)和e(t)分别为系统的控制信号和偏差信号，Kp、Ti、Td为比例参数、积分参数、微分参数。PID调节器的三个参数:比例参数Kp，积分参数Ti，微分参数Td决定了整个控制系统的性能指标，从而决定了控制系统的品质。所以选择最佳的PID控制器、整定合适的PID参数是提高过程控制系统品质的关键。
3喷煤流量控制系统的控制方式
高炉喷煤瞬时流量控制方式分为两种:自动控制和手动控制，以适应不同的生产方式需要。
3.1自动控制方式
图2为高炉喷煤流量闭环自动控制系统的控制框图，此系统为单回路调节控制系统，在自动状态下，由于干扰的作用，会使煤流量反馈值PV偏离给定值SP，即产生了偏差Δe，偏差量Δe作为输入量送入PID控制器。通过PID规律运算后，给出输出信号至执行机构使其动作，对喷煤瞬时流量进行连续地自动调节，以消除外界扰动的影响，使得煤流量回到给定值。
3.2手动控制方式
由于某种原因，当控制系统一些环节出现问题而不能实现PID自动调节时，为满足高炉喷煤的紧急需求，可人工将控制方式切换为手动控制，该控制方式是开环控制，即PID控制器在手动状态下，现场操作人员通过对执行机构阀门开度的手动操作来控制煤流量的大小。该操作为非正常操作模式，只在紧急情况下使用。
4PLC控制系统的自动调节原理
4.1SWR数据采集
SWR数据采集是通过煤流传感器中央转换单元共同完成的，在传感器测量管中，通过对一个高频、交流电磁场的特别连接，使其产生一个均匀的电磁场，当煤粉通过此测量场时，将吸收交流场的能量，由此产生一个与测量管中煤粉密度相关的电信号，同时在测量管两个固定位置上，利用相同的传感技术，检测两个位置的交流场变化量。这些信号送至中央转换单元，中央转换单元测出煤粉在两个传感器之间流动的时间，通过距离和时间，煤粉速度以及密度被测量出来，并在中央处理单元内量程化、标准化。从两个已知参数含量密度(ρ)和速度(v)，以及被测管截面积(A)，单位时间流量q即可测量出来:q=ρ·V·A，并通过4～20mA标准信号输出给PLC，用以显示和控制。
4.2Correctionfactor(修正因子)在SWR中的整定作用
由于SWR传感器工作原理所限，其对流过传感器的气固两相的水分含量及煤粉粒度有所要求，具体要求是:水分含量＜1.2%，粒度小于200μm煤粉量占80%。由于制粉工艺和原煤的变化，有时煤粉质量达不到检测要求，导致煤粉计量出现偏差，为消除测量值的偏差，控制系统利用修正因子，采用无限逼近法对其进行修正。修正因子的计算公式为:
式中:Ki为本罐修正因子;Wt1为喷吹开始时喷吹罐重量;Wt2为喷吹结束时喷吹罐重量;q1为1#高炉在t1～t2时间段所喷煤粉累计量;q2为2#高炉在t1～t2时间段所喷煤粉累计量;q3为3#高炉在t1～t2时间段所喷煤粉累计量;K为最近10次修正因子的平均值。利用喷吹罐静态电子秤的稳定性和高精度，每当一罐煤粉喷完后，计算一次修正因子，修正因子的保存采用先入先出的方法，始终保留最新的10个值，然后计算出修正因子的平均值K，利用K来修正反馈流量，实际流量的计算公式为:
qt=K·q
式中:q为SWR检测的流量值;qt为最终显示流量。qt作为反馈值参与PID的自动调节，为避免外部干扰而引起调节器的超调，在系统设计时，控制程序对过高和过低的修正系数进行了屏蔽，最高不允许超过1.3，最低不超过0.7。如果超过此范围，则纳入平均修正因子的计算，保持上一次的修正因子不变，并且报警提示，以提醒操作人员注意，检查制粉及喷吹的工艺和设备。同时为了加快流量修正速度，系统还设置了对修正因子计算时个数的选择，如技术人员发现某一阶段的数据过高或过低，为了满足高炉喷煤的需要，还可以对十个数据进行选择，比如由于外围的原因导致前五个数据都偏大，而经过处理后达到了预设的要求，为了不影响对以后的煤粉喷吹量的计量，可以选择用前五个数据进行平均修正因子的计算，只要把平均修正因子的设定值改为“5”即可，这样可以减少因为原料问题造成的修正时间相对较长的影响，提高控制系统的动态调节性能。
4.3PID参数的整定
大煤量的喷吹是现代大型高炉操作的需求，也是高炉降本增效的可靠手段，稳定的煤粉喷吹和精确计量显得尤为重要。现场复杂的环境条件使控制对象难以控制，为提高控制系统的响应速度、稳定性及控制精度，系统设计了两套PID参数。程序首先对偏差量进行计算:|Δe|=SP－PV，当|Δe|≥M时，程序采用第二套参数，加快控制器的响应速度，缩短动态调节过程;当|Δe|＜M时，程序采用第一套参数，提高稳态时的调节精度，两套参数自动切换。
5喷煤流量控制系统存在的问题及解决措施
5.1存在问题
新喷煤煤流喷吹控制系统目前已使用一年多时间，总体来说运行比较稳定可靠，只是偶尔单座高炉的煤流会产生振荡、波动，尤其是3#高炉输煤管线较长，波动频率稍高。另外，喷吹系统是一罐对三座高炉同时喷吹，由于每座高炉要求的喷煤量的差异及高炉工况的不同，每座高炉的实际喷吹量有时会出现偏差。
5.2解决措施
经过对煤流波动长期跟踪观察发现，煤粉的粒度和水分含量对煤流计量产生较大影响，所以提高了对制粉的要求。当每个喷吹罐煤粉喷完进行换罐喷吹时，有时也会产生波动。这是由于交换的两个喷吹罐压力不一致造成，所以要对均压管道上的三个喷吹罐的压力变送器进行定期校验，以消除其影响。另外三座高炉喷煤总量的多少对应所设定罐压高低是否合适也是造成煤流波动的因素，要控制罐压，减少波动。在实际的应用中要定期的对煤流计进行校验，检验装置是采用专用的橡胶棒作为量程的校验装置，目前点检标定的周期是8个月，也就是正常情况下，高炉两次定修做一次标定，通过一段时间的摸索，在标定时采用三点标定的方式，即零点(4mA)、50%量程点(12mA)、100%量程点(20mA)，尤其重要的是50%量程点校验可以有效保证煤流计的流量曲线的线性度，通过对这一点的校验可以有效提高计量的精度。
6结语
整套煤粉流量控制系统自喷煤系统投用以来，其计量准确、性能可靠及控制合理的优越性已充分显示，对单个高炉的喷吹量最高已达25t/h，对三座高炉同时可以达到75t/h，在煤粉的流量控制上能够实现与高炉理论温度计算吻合度非常高，已经完全达到了设计的要求，目前对于系统操作和检修都已经非常成熟，已经在实际应用中得到了充分的认可。

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