摘   要

主要介紹LN2000 DCS在粉煤熱解提質(zhì)過程中集中化自動控制應(yīng)用，LN2000 DCS可靠、安全，功能強(qiáng)大操作組態(tài)簡單，在轉(zhuǎn)窯熱解體制系統(tǒng)中應(yīng)用表現(xiàn)特別優(yōu)異，著重介紹回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料溫度控制的多耦合和多要求情況下應(yīng)用，程序編制清晰，簡單明了，運(yùn)行穩(wěn)定。

 

關(guān)鍵詞： DCS  轉(zhuǎn)窯熱解 窯上測溫

一、背景意義

煤炭在我國是能源主體和重要戰(zhàn)略資源，煤炭資源的開發(fā)效率關(guān)系到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。粉煤熱解是一種有效的煤炭分質(zhì)技術(shù)，其中熱解產(chǎn)物的粉焦產(chǎn)率約70%，所蘊(yùn)含的能量雖然約占80%^[1]。

近幾年國內(nèi)煤熱解新工藝不斷開發(fā)改進(jìn)，也給煤熱解的規(guī)?；咝Щ?，環(huán)?；峁┝思夹g(shù)上的支持，出現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯煤熱解技術(shù)?；剞D(zhuǎn)窯的控制系統(tǒng)是整個熱解工藝中的控制樞紐，如何提高和完善回轉(zhuǎn)窯的電氣控制直接影響煤熱解的產(chǎn)能，效率和安全。煤熱解過程中，回轉(zhuǎn)窯屬于大型熱工設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)一直處于動態(tài)變化過程中，隨著外部配料，風(fēng)機(jī)等客觀因素影響，窯內(nèi)溫度時刻處于變化中，窯內(nèi)熱工狀況的波動，會產(chǎn)生低溫跑料，高溫?zé)└G皮，窯內(nèi)物料堆積的可能，這些都不利于窯體長期安全運(yùn)行，影響熱解產(chǎn)能效率。為了更好控制生產(chǎn)工藝，提高熱解效率，需要將工藝過程中的測量儀表、信號系統(tǒng)、自動執(zhí)行裝置和保護(hù)裝置等通過現(xiàn)代通信技術(shù)集成為一體，整個體系要以轉(zhuǎn)窯熱解為核心協(xié)調(diào)全局。這就要求系統(tǒng)可靠性要好，穩(wěn)定性要好，集成運(yùn)行過程追溯要豐富，編程環(huán)境分析要高效一目了然，系統(tǒng)集成性要好意外應(yīng)對能力要好。依上情況，選用DCS系統(tǒng)最能更好的適應(yīng)工藝系統(tǒng)最實際要求?？刂茻峤庀嚓P(guān)部分主要的控制分塊有輸給料、送能風(fēng)、固熱回收、高溫除塵、煤氣引風(fēng)、反應(yīng)轉(zhuǎn)窯6部分，其中轉(zhuǎn)窯內(nèi)反應(yīng)溫度和壓力控制控制是整個工藝運(yùn)行的靈魂線，特別重要，也具有很大的控制難度需要切實解決。

魯能控制DCS經(jīng)過多年的應(yīng)用，通過自身實踐，取得了成熟的經(jīng)驗，逐步深入和擴(kuò)大了功能和應(yīng)用范圍。LN2000 DCS 具有安全控制器（公布的世界僅此一家）。雙控制器同時啟動IO數(shù)據(jù)不清零、數(shù)據(jù)庫強(qiáng)制信息不清零、SAMA組態(tài)強(qiáng)制信息不清零、SAMA算法塊及數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控畫面的所有數(shù)據(jù)不清零。是系統(tǒng)更有可靠性的運(yùn)行，容錯、容忍意外能力更高。

本文主要介紹LN2000 DCS系統(tǒng)煤熱解系統(tǒng)組成和控制應(yīng)用，著重介紹回轉(zhuǎn)窯熱解窯料溫的控制應(yīng)用。

二、DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DCS從橫向分層看，輸給料控制、送能風(fēng)控制、固熱回收控制、高溫除塵控制、煤氣引風(fēng)控制、反應(yīng)轉(zhuǎn)窯控制6部分，每個控制部分都設(shè)置一個AS站。每個AS站控制一個獨立的的控制部分，彼此之間通過通信交流信息，成為一個有機(jī)的整體。AS、OS、ES站都通過以太網(wǎng)連接在一起，彼此之間即分割獨立能各自運(yùn)行，又聯(lián)系緊密成為一體可進(jìn)行集中管理。

輸給料控制的功能為轉(zhuǎn)窯反應(yīng)裝置提供顆粒原料，原料通過皮帶運(yùn)輸至轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器上方上料倉，提供足夠的生產(chǎn)需求原料。送能風(fēng)控制的功能是按要求提供一定質(zhì)量和數(shù)量的熱能氣體，為反應(yīng)提供主要外部能源。固熱回收控制主要是控制好熱回收鍋爐和熱料的降溫，降速，確保安全和運(yùn)行協(xié)調(diào)。高溫除塵控制，控制好安全運(yùn)行和功能邏輯，使設(shè)備在高溫下安全過濾、反吹、切換。煤氣引風(fēng)控制與提質(zhì)段緊密相連，為反應(yīng)產(chǎn)生的的煤氣輸出提供動力，與反應(yīng)轉(zhuǎn)窯壓控制緊密相連。反應(yīng)轉(zhuǎn)窯是核心裝置，所有提質(zhì)段其他功能都是以轉(zhuǎn)窯溫度壓力為中心協(xié)調(diào)控制。

 煤熱解生產(chǎn)DCS系統(tǒng)不僅包括過去DCS中所包含的內(nèi)容，還向下深入到現(xiàn)場的每臺測量設(shè)備、執(zhí)行器，向上發(fā)展到了生產(chǎn)治理，企業(yè)經(jīng)營的方方面面。大型煤化工企業(yè)對自控系統(tǒng)可靠性要求非 常嚴(yán)格，DCS從縱向分層看，有現(xiàn)場層，過程管理層，生產(chǎn)管理層。

1現(xiàn)場層，即儀表、閥門、電機(jī)等構(gòu)成。2過程管理層，即過程控制站，以高性能微處理器為核心，能進(jìn)行多種過程控制運(yùn)算，并通過I/O模塊完成模擬量控制、邏輯控制等功能的計算機(jī)，簡稱PU。過程控制站是過程控制柜內(nèi)的最重要的部件，由下列部分組成：系統(tǒng)母板、CPU主板、雙CAN接口卡、電源、外殼及指示燈等。過程控制站是冗余配置的，通過其內(nèi)置的兩個互為冗余的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信和站間的冗余。PU上的兩個CAN網(wǎng)絡(luò)控制器，采用主從方式與I/O智能模塊通信，具有完整的冗余能力，完成對I/O模塊的管理。過程站備份采用雙網(wǎng)冗余進(jìn)行，避免了通過第三網(wǎng)絡(luò)或平行電纜單一備份的弊端，提高可靠性。過程控制站能夠在線或離線組態(tài)及組態(tài)后在線下裝。3生產(chǎn)管理層，即中控上位系統(tǒng)，完成生產(chǎn)的系統(tǒng)操作管理。上位系統(tǒng)主要功能包括若干套服務(wù)器、若干套操作員站，若干套工程師站。此外，還包括光電混合口工業(yè)交換機(jī)、記錄打印機(jī)、報表打印機(jī)、UPS電源、操作臺等。操作員站通過服務(wù)器讀寫工藝過程數(shù)據(jù)，操作員站可靈活擴(kuò)展。

現(xiàn)場層到過程控制層采用硬接線，將儀表、電動執(zhí)行器連接到DCS智能模塊。過程控制站和智能模塊通過CAN協(xié)議的現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，又稱為I/O通信總線、I/O通信網(wǎng)絡(luò)，采用了雙網(wǎng)冗余方式。中控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接各主站DCS過程控制器，通過以太網(wǎng)、通信光纖和交換機(jī)與各主站DCS與中控室行成環(huán)網(wǎng)連接。DCS通訊系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場總線層用于連接現(xiàn)場智能儀表，遠(yuǎn)程總線則用于連接遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜，控制網(wǎng)絡(luò)層主要用于各控制器和過程數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的通訊，操作管理網(wǎng)絡(luò)層用于操作員站、工程師站和過程數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的通訊。

三、控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

DCS控制系統(tǒng)功能主要靠一系列軟件實現(xiàn)，這些軟件都集成在DCS總開發(fā)環(huán)境下，其中包括：系統(tǒng)管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)、SAMA圖組態(tài)、圖形界面組態(tài)、監(jiān)控畫面運(yùn)行、趨勢曲線、報警管理、歷史數(shù)據(jù)記錄、系統(tǒng)自診斷、統(tǒng)計報表、時間列表。 SAMA圖組態(tài)：以算法塊為基礎(chǔ)，通過圖形組態(tài)方式，完成對系統(tǒng)中過程控制站的模擬量控制功能和邏輯控制功能組態(tài)及相關(guān)的修改，還具有在線調(diào)試功能。主要通過SAMA圖做運(yùn)行程序邏輯。自診斷: 自診斷軟件用來監(jiān)視整個DCS系統(tǒng)中從上位操作員站，工程師站到下位過程站，CAN網(wǎng)，模塊，數(shù)據(jù)通道的所有狀態(tài)。為用戶了解DCS系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)提供充足的信息。事件列表：這個軟件一般在歷史記錄站運(yùn)行，包括操作記錄報表和SOE事件報表兩個部分，操作記錄包括所有操作員的操作記錄，SOE記錄分辨率為1ms。

工程中，定義好AS、OS、ES站點的規(guī)模，具體對應(yīng)到功能控制端，通過ES對AS和OS進(jìn)行功能程序編制和功能組態(tài)。AS裝載有整個控制功能區(qū)域的對應(yīng)工藝邏輯，雙PU互為冗余同步運(yùn)行，OS提供人機(jī)界面輸入輸出接口，相應(yīng)OS站主要提供相應(yīng)的工段控制工藝狀況畫面。ES根據(jù)實際開發(fā)維護(hù)的規(guī)模和人員多少安排數(shù)量，做好程序組態(tài)開發(fā)和檢修維護(hù)。項目配備控制站及IO模塊如下表1所示：

                   表1 控制器和模塊配置表

序號	名稱	規(guī)格	單位	數(shù)量
1	過程控制站 （LN-PU)	每套包括：	臺	18
		CPU主板、雙CAN接口、雙100M以太網(wǎng)
		電源(220VAC,0.5A)
		256M電子盤（DOM）、128M內(nèi)存
2	I/O模塊	LN-01B   8路隔離型模擬量輸入模塊	塊	136
		LN-02B   8路隔離型熱電偶輸入模塊	塊	58
		LN-03B   8路隔離型熱電阻輸入模塊	塊	43
		LN-05B   4路隔離型模擬量輸出模塊	塊	101
		LN-06B   12路隔離型數(shù)字量輸入模塊	塊	192
		LN-07B   16路隔離型數(shù)字量輸出模塊	塊	135
		LN-COM    隔離型通訊模塊	塊	17

 

反應(yīng)轉(zhuǎn)窯控制在正常運(yùn)行過程中，確保轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料溫度穩(wěn)定是確保生產(chǎn)穩(wěn)定的基本前提和最重要控制參數(shù)。穩(wěn)定運(yùn)行時加熱煙氣溫度越高氣量越大轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料溫度越高。轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度測量使用中聚能環(huán)研究院研制的窯爐測溫專用無線傳輸測溫儀表，測溫對物料溫度，換熱面溫度，載熱氣體溫度都進(jìn)行測量。每個轉(zhuǎn)窯溫度測點儀表獨立工作，在個別出現(xiàn)故障時，不影響全局測量數(shù)據(jù)，控制依據(jù)依然可靠。在窯上每個儀表測量點獨立電池供電（依通信距離功率可持續(xù)3-5年）工作，將測量數(shù)據(jù)通過無線形式傳送給窯下接收終端，窯下無線終端可就地顯示窯上測溫數(shù)據(jù)，同時通過Modbus 協(xié)議與DCS系統(tǒng)連接，接入DCS系統(tǒng)之中，一個窯下接收終端可同時與90個窯上測溫點儀表通信。窯內(nèi)物料的加熱手段是通過高溫氣傳熱給物料，窯內(nèi)物料溫度在料穩(wěn)定的狀況下，通過調(diào)整熱氣量和輸入熱氣溫度滿足窯內(nèi)關(guān)鍵反應(yīng)段的溫度，保證反應(yīng)高質(zhì)量。

正常運(yùn)行時，輸給料部分變頻控制皮帶給料速度，確保給料倉的料封和儲料在最佳位置。送能風(fēng)部分，對負(fù)荷進(jìn)行自行調(diào)整，對空然比進(jìn)行控制確保含氧量，主要負(fù)責(zé)燃燒部分，同時在供風(fēng)給轉(zhuǎn)窯前摻入回流低溫氣，通過回流控制供熱能氣體的溫度恒定供給，該控制部分隨時根據(jù)轉(zhuǎn)窯本體物料溫度控制跟隨調(diào)整熱負(fù)荷。固熱回收控制中的關(guān)鍵的兩點是鍋爐三沖量補(bǔ)水控制和高溫固料的料位，高溫固料料位太高太低都會引起設(shè)備損壞，出現(xiàn)停車事故，保證鍋爐不干鍋固料不上卡不下露，整個流程控制相對獨立，整體運(yùn)行跟隨轉(zhuǎn)窯本體控制。高溫除塵控制主要是安全，輪訓(xùn)反吹，定時定高排灰，再生程序等，溫度要保持穩(wěn)定，左右轉(zhuǎn)窯運(yùn)行的先決條件。

轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體壓力是自身物料產(chǎn)生煤氣而來，正常生產(chǎn)時通過煤氣引風(fēng)轉(zhuǎn)速控制，確保窯內(nèi)零壓附近。其中窯內(nèi)物料溫度分布控制典型的不同于普通控制，控制目標(biāo)輸入點多，輸出控制量少，控制目標(biāo)組成優(yōu)先級隨時間、狀況及其他條件變化，只能采用基于專家系統(tǒng)的模糊控制多路PID組合起來，通過模仿人的應(yīng)對辦法，傳統(tǒng)的計算機(jī)控制方式，結(jié)合起來對每種狀況趨于數(shù)學(xué)化獨立方式運(yùn)算控制，同時對于控制效果進(jìn)行記錄分析自我糾正緩慢自整定。

LN2000中自帶神經(jīng)元算法，增強(qiáng)型PID，設(shè)備模塊驅(qū)動等，應(yīng)有盡有，充分的滿足了該工藝的控制需求，在復(fù)雜控制中可以很容易實現(xiàn)組態(tài)，同時通過OPC能與專家整定分析軟件隨時交換數(shù)據(jù)。LN2000安全控制器的應(yīng)用使得工藝過程最意外停電控制過程不中斷，程序不會歸零運(yùn)行，保證工藝過程最大安全化運(yùn)行。

四、總結(jié)

魯能控制LN2000DCS在轉(zhuǎn)窯熱解實際應(yīng)用中，簡單方便，運(yùn)行流暢，使用可靠，界面友好，集成全程操作歷史記錄無死角。魯能控制DCS模塊化設(shè)計，功能強(qiáng)大，貼近用戶需求；平臺開放性與應(yīng)用服務(wù)專業(yè)化，易于使用；使用維護(hù)更加方便、服務(wù)更好；LN2000 DCS能夠?qū)崿F(xiàn)減人增效，使用DCS組成系統(tǒng)將使工廠實現(xiàn)全廠一體化。雙控制器同時啟動IO數(shù)據(jù)不清零、數(shù)據(jù)庫強(qiáng)制信息不清零、SAMA組態(tài)強(qiáng)制信息不清零、SAMA算法塊及數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控畫面的所有數(shù)據(jù)不清零，使系統(tǒng)更有可靠性的運(yùn)行，容錯、容忍意外能力更高，適用于轉(zhuǎn)窯熱解工藝。

 

參考文獻(xiàn)：

李鑫，張生軍，徐婕，鄭化安等 粉煤熱解產(chǎn)物焦粉的綜合利用 [J] 煤炭燃燒 2013.19（05）:74-76

甄明;四種不同變質(zhì)程度煤熱解過程研究[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué);2015年

郭學(xué)良.淺談DCS系統(tǒng)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用[J].管理錦囊2013,5.