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八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
焦化控制系统的设计与维
护
推荐单位： 检修中心炼铁维护部
所在岗位： 仪表工
徒弟姓名： 雷登才
指导老师： 李大斯 八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
焦化控制系统的设计与维护
雷登才 检修中心炼铁维护部
摘要：随着现代生产工艺的要求，适宜地设计整个焦化的一些自动化控制系统也变得更加重要。老焦化主要采用两种控制系统：一种是单闭环控制系统；一种是串级控制系统。它们控制过程采用自动控制和手动控制两种方法，自动控制过程是根据PID调节器输出4-20mA信号来控制带阀门定位器的气动执行器阀门的开度，最终控制被控对象；手动控制是通过手动按扭输入值对设备进行控制。老焦化根据被控对象分为:温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统。这些系统的设计与应用为整个焦化生产带来更高的经济效益。不仅减少了人力资源，还降低生产成本。详细阐述了用串级控制方法来控制焦油二段出口温度。并介绍在调试以及生产维护过程中需要注意的事项。
在设计中，通过对PID调节器参数不断改变完善进行反复调试设置，在控制中最终得到了满意的效果。
关键词：单闭环；串级控制；PID调节器；阀门定位器的气动执行器
1绪论
1.1焦化的现状和发展背景
根据国家环保总局测算, 我国环境问题所造成的损失约占国民生产总值10%，污染问题已经十分严重,，因此环保要求也日趋严格, 国家已经对粉尘及SO2的排放提出更加严求，由于科技的进步带动了工业的飞速发展，由此也给人类带来历史上从未有过的新的疾病和灾难。这是科技所引发的副作用，正如，爱因斯坦著名的质能理论的第一次应用却是用于战争一样。科技如何应用于对人类更加有益的事八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
业，是人类在未来需要长久面对的重大问题。其中，环境污染是直接关系到人类生活质量的首要问题。而生产污染又是环境污染的主要来源之一，工业生产所形成的“废气、废水、废渣”（工业“三废”），如未经处理或处理不当即大量排放到环境中去，就可能造成空气、水、土壤、食物等环境的污染。
焦化工业废渣的来源主要来自回收与精制车间，有焦油渣、酸焦油（酸渣）和洗油再生残渣等。1.2焦化工业污染物的来源及危害
焦化工业污染物的来源及危害
焦化工业已从焦炉煤气、焦油和精苯中制取100多种化学产品，对我国的国民经济发展意义十分重大。但是，焦化生产有害物排放源多、排放物种类多、毒性大，对环境污染相当严重。
据不完全统计，中国每年焦炭生产要向大气排放的苯可溶物、苯并芘及烟尘等污染物达70万t，其中苯并芘1 700 t。这些苯、酚类污染物，用常规处理方法很难达到理想效果，污染物的累积对生态环境造成不可挽回的影响，尤其是向大气排放的苯并芘是强致癌物，严重影响周围居民的身体健康。
而老区焦化在生产过程中，除了产焦炭还有很多的副产品，这些副产品暴露在空气中将对环境造成严重的污染，所以要严格地控制这些副产品的排放。为了解决这些问题，就得严格控制工艺参数，虽然控制系统已经不断地更新，但焦化主要采用PID调节器输出4-20mA信号来控制带阀门定位器的气动执行器阀门的开度，最终控制被控对象。本文主要介绍焦化工艺中的温度控制系统、压力控制系统。2介绍系统中常用设备 2.1工业生产自动化特点
1、在工业设备,装置及管道上配置一些自动化装置,代替操作工人的部分直接劳动,使生产在不同程度上自动的进行,这种部分的或全部的用自动化装置来管理生产过程的方法称为过程自动化.八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
2、加快生产速度,降低生产成本,提高产品质量与产量
3、减轻劳动强度,改善劳动条件
4、能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,达到延长设备使用寿命,提高设备利用率,保障人身安全的目的5、生产过程自动化的实现,能根本改变劳动方式,提高操作者专业技术水平,以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要 2.2焦化闭环系统
在老区焦化在生产过程中，整个工艺系统大多是单闭环控制系统，极少的串级控制系统，实现整个工艺稳定运行。整个系统分散大部分组成：一是调节部分；二是执行部分；三是测量部分。简单的闭环控制系统结构图：如图1所示：
图1 闭环控制系统
2.2.1控制器
控制器常称调节器。它相当于人体的大脑，有自己的控制规律：共四种
A、比例控制规律（P）B、比例积分控制规律（PI）C、比例微分控制规律（PD）D、比例积分微分控制规律（PID）调节器的正、反作用八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
正作用： 当偏差 e(t)值增大时，且 u(t)输出值也增大，那么其调节器为正作用。
反作用： 当偏差 e(t)值增大时，而 u(t)输出值减小，那么其调节器为反作用。
下面主要介绍PID调节器
F&B XMGA5000系列多输入多输出/XMGA6000系列带前馈加法控制光柱数显高级PID调节器，此调节器在焦化的控制系统非常常见。
功能特点：
输入输出信号 4个模拟量输入(AI)IN1是被控过程参数的测量反馈输入端，可接收各种热电阻、热电偶、标准信号等任一输入信号，信号之间分度号可切换，即设即用。
IN2是前馈控制输入(XMGA6000)或辅助输入端(XMGA5000)，可接收各种热电阻、热电偶、标准信号等任一输入信号，信号之间分度号可切换，即设即用。
IN3可接收0-10mA/4-20mA/0-5V/1-5V等任一标准信号，以上输入信号之间可按键切换，即设即用。可用于带后备操作器时阀位反馈信号输入端，与DI1配合实现后备操作器手/自动无扰切换。也可用于两台调节器串级控制时，后级(附回路)调节器的PV1变送输出的反馈输入端，与DI1配合实现后级(附回路)手/自动无扰切换。
IN4是外给定(RSP)信号输入端，可接受0-10mA/4-20mA/0-5V/1-5V等任一标准信号。
2个模拟量输出(AO)OUT为PID调节控制输出端，0-10mA/4-20mA/0-5V/1-5V输出可选。
OUT1可作为IN1的变送输出端（用于串级控制或带记录仪），也可作为PID调节（加热制冷）双重控制输出中0%～-100%的控制输出端，0-10mA/4-20mA/0-5V/1-5V输出可选。
两台XMGA5000/XMGA6000可实现串级控制。八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
2.2.2调节阀
它是执行机构，相当于人的行为；
调节阀开关形式主要根据不同生产工艺要求来选择；
根据动力源来分类：气动执行机构（气关、气开），电动执行机构（电关、电开）。主要介绍气动执行机构：
气动调节阀动作分气开型和气关型两种。气开型（Air to Open）是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。故有时气开型阀门又称故障关闭型（Fail to Close FC）。气关型（Air to Close）动作方向正好与气开型相反。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。
气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全？
气开式改变为气关式或气关式改变为气开式，如调节阀安装有智能式阀门定位器，在现场可以很容易进行互相切换。
阀门定位器是调节阀的主要附件，与气动调节阀大大配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。
阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的磨擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。2.2.3检测元件
检测元件就是测量仪表，相当于人的眼睛，根据测得信号送入比较器。
如：压力（P)、温度(T)、流量(F)、物位（L)、热流(Q)等。下面主要介绍测量元件
1、热电偶原理八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
两种不同导体a与b连接在一起构成一个闭合回路（图2所示），当两个结点1、2的温度不同时，回路中就会产生热电势，这种现象称为热电效应。两种不同导体的组合元件就称热电偶。
图2热电偶原理图
结点1通常焊接在一起置于测温场，因此称为测量端T1（热端），结点2要求温度恒定称参考端T2（冷端）
（1）热电效应：两种不同导体a与b连接在一起构成一个闭合回路，当两个结点1、2的温度不同时，回路中就会产生热电势。结点1通常焊接在一起置于测温场，因此称为测量端T1（热端），结点2要求温度恒定称参考端T2（冷端），通过计算得出结论：EAB(T,T0)= EAB(T)-EAB(T0)结论：通常热电偶的热电势用EAB(T,T0)表示,T端叫热端（工作端），T0端叫冷端（自由端），热电偶的热电势与温度的关系称为热电特性。将热电特性制成表，叫作分度表，分度表中热电偶冷端为0℃。通过变送器转化为电信号。
2、压力变送器工作原理：压阻式变送器其原理是敏感芯体受压后产生电阻变化，再通过放大电路将电阻的变化转换为标准信号输出。如何选择压力变送器
3、差压变送器
差压变送器的特点：差压变送器是测量变送器两端压力之差的变送器,输出标准信号(如 4-20mA,1-5V)。差压变送器与一般的压力变八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
送器不同的是它们均有2个压力接口, 差压变送器一般分为正压端和负压端,一般情况下，差压变送器正压端的压力应大于负压段压力才能测量。
4、电磁流量计基本原理
电磁流量计基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其值如下式 式中 E－－－－-感应电动势，即流量信号，V;k－－－－-系数； B－－－－-磁感应强度，T； D－－－－测量管内径，m； －－-平均流速，m/s。设液体的体积流量为，则 式中 K 为仪表常数，K= 4 KB/πD。EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。3介绍单闭环控制系统设计及维护 3.1焦化热工工艺介绍
焦炉集气管压力2006年4月并网以来，始终波动较大，控制不理想，不能满足工艺要求。在2006年10月份已对影响集气管压力控制的因素从生产工艺及仪表控制系统等多方面做了系统分析，提出了一些改进性的建议，并在现有基础上做了大量工作，虽未彻底解决系统压力的波动，但也收到了一定成效。焦化生产工艺图图A所示：
图A 八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
为了缓解风机前吸力的压力就得必须控制好集气槽压力在一定的范围，集气槽压力调节的好了，也对环境也是一种保护。3.2集气管压力调节系统
从生产工艺及仪表控制系统等多方面做了系统分析，提出了一些改进性的建议，并在现有基础上做了大量工作，虽未彻底解决系统压力的波动，但也收到了一定成效。根据集气管压力及时调节压力（用改变阀门的开度），让他保持在一定的范围。如图3所示：
图3 集气管压力调节系统结构图
举个例子：3#焦炉集气槽压力调节
1）调节器：F&B XMGA5000系列多输入多输出/XMGA6000系列带前馈加法控制光柱数显高级PID调节器
采用比例积分微分控制规律（PID）： P=215 I=7 D=1 这3个参数是根据经验法得出来的，并且设定了报警值，与放散值
2）执行机构：气动活塞式调节阀带智能阀门定位器
根据焦化生产工艺等多个因数来选择：合适的调节工作区间，调节阀开度15%-85%；合适的流量特性，首先根据过程系统的要求，确定工作流量特性，然后根据流量特性曲线的畸变程度，确定理想流量特性；合适的调节阀开、关形式，主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要；
本系统采用气开调节阀 阀芯是蝶阀，阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的磨擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
3）检测元件选择：选择压力变送器要应从7个方面着手：
一、测量材质；
二、精度等级；
三、量程 四接液介质 ；
五、介质温度 ；六输出信号 ；
七、其他因素。最主要的是测量介质。
根据工艺设定一些参数值，集气槽的压力范围在0—400kpa，为了满足风机的吸力的要求，集气槽的压力设定值130kpa。还对PID的内部参数进行设定，气动执行机构还需走行程，气源要求0.25Mpa。3.3集气管压力调节系统的维护
1、调节器
我在焦化实习阶段，调节参数的调整主要是根据工艺的需求改变设定值，以及PID参数，PID是根据工况、稳定性，波动的大小进行调节。给定值与输出的4—20mA信号相互关系进行确认。平时还定期进行吹扫。
2、调节阀常见故障及产生的原因
（一）调节阀不动作。故障现象及原因如下
1）无信号、无气源。①气源未开，②由于气源含水在冬季结冰，导致风管堵塞或过滤器、减压阀堵塞失灵，③压缩机故障；④气源总管泄漏。
2）有气源，无信号。①调节器故障，②信号管泄漏；③定位器波纹管漏气；④调节网膜片损坏。
3）定位器无气源。①过滤器堵塞；②减压阀故障I③管道泄漏或堵塞。
4）定位器有气源，无输出。定位器的节流孔堵塞。
5）有信号、无动作。①阀芯脱落，②阀芯与社会或与阀座卡死；③阀杆弯曲或折断；④阀座阀芯冻结或焦块污物；⑤执行机构弹簧因长期不用而锈死。
（二）调节阀的动作不稳定。故障现象和原因如下： 1）气源压力不稳定。①压缩机容量太小；②减压阀故障。2）信号压力不稳定。①控制系统的时间常数（T＝RC）不适当；②调节器输出不稳定。
3）气源压力稳定，信号压力也稳定，但调节阀的动作仍不稳定。①定位器中放大器的球阀受脏物磨损关不严，耗气量特别增大时会产八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
生输出震荡；②定位器中放大器的喷咀挡板不平行，挡板盖不住喷咀；③输出管、线漏气；④执行机构刚性太小；⑤阀杆运动中摩擦阻力大，与相接触部位有阻滞现象。
（三）调节阀振动。故障现象和原因如下：
1）调节阀在任何开度下都振动。①支撑不稳；②附近有振动源；③阀芯与衬套磨损严重。
2）调节阀在接近全闭位置时振动。①调节阀选大了，常在小开度下使用；②单座阀介质流向与关闭方向相反。
（四）调节阀的动作迟钝。迟钝的现象及原因如下： 1）阀杆仅在单方向动作时迟钝。①气动薄膜执行机构中膜片破损泄漏；②执行机构中“O”型密封泄漏。
2）阀杆在往复动作时均有迟钝现象。①阀体内有粘物堵塞；②聚四氟乙烯填料变质硬化或石墨一石棉填料润滑油干燥；③填料加得太紧，摩擦阻力增大；④由于阀杆不直导致摩擦阻力大；⑤没有定位器的气动调节阀也会导致动作迟钝。
（五）调节阀的泄漏量增大。泄漏的原因如下：
1）阀全关时泄漏量大。①阀芯被磨损，内漏严重，②阀未调好关不严。
2）阀达不到全闭位置。①介质压差太大，执行机构刚性小，阀关不严；②阀内有异物；③衬套烧结。
（六）流量可调范围变小。主要原因是阀芯被腐蚀变小，从而使可调的最小流量变大。
了解气动调节阀的故障现象及原因，可以对症采取措施予以解决。
3、测量元件维护
集气管压力变送器是整个系统的检测部分，非常关键的元件。压力传感器 —是一种能感受压力，并按照一定的规律将压力信号转换成可用电信号的器件或装置。传感器内部没有放大电路，满量程输出一般为毫伏级，带负载能力低，不能直接与计算机接口。
压力变送器—是一种能感受压力，并将压力信号转换成可传递的统一输出信号的仪表，而且其输出信号与压力信号之间有一给定的连八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
续线性函数关系。变送器内部装入放大电路，输出信号通常为直流4-20mA或1-5V（供Ⅲ型系列仪表使用）；0-10mA或0-10V（供Ⅱ型系列仪表使用）。变送器可以直接与计算机接口。也有人误把压力变送器称作压力传感器。
主要做到去压装置不能堵塞，随时保持畅通。现在智能变送器没什么要维护，主要是防堵，防冻，防单向过压。3.4本章小结
集气管压力调节系统设计的成功，自动化程度越来越高不但给我们的维护带来方便，而且为我们焦化生产带来巨大的经济效益。4介绍串级控制控制系统设计与维护
加热炉温度-温度串级控制系统的应用意义生产过程自动控制(简称过程控制)是自动控制技术在石油，化工，电力，冶金，机械，轻工，纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
在老焦化煤焦油加工车间一般包括：煤焦油脱水及蒸馏、馏分洗涤、萘油馏分加工、一蒽油馏分加工、沥青冷却成型等初步加工工段和油品贮存装卸工段及公用设施。当煤焦油年加工量不小于10万t时，可配备粗酚精制、粗吡啶精制(包括煤气净化车间回收的粗轻吡啶)、萘精制、粗蒽精制和沥青加工等深度加工工段。加工出来的产品经济利益也是非常可观的。
下面主要介绍控制二段口焦油温度，由于要控制焦油的温度在一个恒定的温度，才能进入下一个工序，焦油经过加热炉后流出的温度要控制在370—390摄氏度范围。空气是足量的，只需控制煤气流量的大小，就能控制炉温，进而控制二段出口温度。4.1沥青区域二段口温度调节系统八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
图4 加热炉原理简图
整个系统主要是根据两个温度进行控制煤气的流量，从而保证焦油的恒温。图4是加热炉的简易图，我们在老焦化采用加热炉温度-温度串级控制系统设计。
根据设计的思路，确定控制方案，简单论证完成整个系统方案设计，并绘制原理结构图、方框图。
图5 串级控制加热炉方框图
1）调节器：F&B XMGA5000系列多输入多输出/XMGA6000系列带前馈加法控制光柱数显高级PID调节器。调节器参数整定，确定控制算法主调节器P=150，I=15，D=150，SP=385；副调节器P=80，I=7，D=2，2）执行机构：气动薄膜式调节阀带智能阀门定位器
根据焦化生产工艺等多个因数来选择：合适的调节工作区间，调节阀开度15%-85%；合适的流量特性，首先根据过程系统的要求，确八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
定工作流量特性，然后根据流量特性曲线的畸变程度，确定理想流量特性；合适的调节阀开、关形式，主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要；阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的磨擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位
3）检测元件选择：热电偶是热电温度计的敏感元件,是由两种不同材料的金属导体组成.两种导体的一端焊接在一起作为测量端与被测介质充分接触,另一端作为参考端与温度指示仪表相连接。
热电偶的选择，首先应根据被测温度的上限和使用环境来选择热电偶的热电极和保护套管，其次根据被测对象的结构和安装特点来选择热电偶的规格尺寸。
炉膛热电偶选择是镍铬一镍硅热电偶属于廉金属热电偶，分度号为K。
出口油温热电偶选择是镍铬一康铜热电偶属于廉金属热电偶，分度号为E。
4.2二段口温度调节系统的维护
1、调节器的维护主要是响应快慢，主要由于温度属于大滞后，所以根据工况需要D要设置大些。PID是根据工况、稳定性，波动的大小进行调节。给定值与输出的4—20mA信号相互关系进行确认。平时还定期进行吹扫。
2、调节阀常见故障及产生的原因
它的调节阀维护与3.3集气管压力调节阀的维护类似。
3、温度变送器维护
温度变送器主要看带负载能力是否符合安装要求，空载电压等等。
4.3控制系统运行结果及分析
为了分析控制系统性能，从现场采集了大量数据。用Excel做出曲线，总体看，此加热炉炉温度控制取得了良好的控制效果。通过控制炉温，从而实现油温控制。八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
图6 炉温控制曲线
炉温控制运行结果如图6。图6中，蓝色为根据工艺要求设定的炉膛升温曲线，粉色为实际炉膛升温曲线。从曲线上可以看出，实际温度控制效果良好，偏差基本都小于20℃，平均偏差在10℃，保温阶偏差可以小于3℃。4.4本章小结
本章详细的给出热炉控制系统的运行结果并对结果进行了分析。从运行效果来看，控制系统的设计是成功的。炉温实现了全部过程的自动化控制，并且控制效果十分理想。结 论
整个老焦化控制系统大多数采用单闭环控制，随着现代生产工艺的要求，适宜地设计整个焦化的一些自动化控制系统也变得更加重要。老焦化主要采用两种控制系统：一种是单闭环控制系统；一种是串级控制系统。让整个工艺快速、稳定、准确地运行，最终大量节省人力资源。在人员开支上节省大量成本，工作效率大幅提高，由于人为因素产生的错误大大减少，在管理上更简单。为整个焦化带来更好的经济效益。八钢“优秀师徒”评选活动申报材料之一
致 谢
在论文完成之际，感谢我的导师李大斯给了我很多的指导和帮助。导师渊博的学识知识、执着的敬业精神、严谨的治学作风以及严于律己、宽厚待人的学者风范，始终影响着我。在设计过程中，对我进行悉心地指导，帮助我们查阅各类文献资料，分析并解决各种疑难问题。我在此表示内心最诚挚的谢意！
此外，还要感谢所有关心我的现场师傅、同学和朋友，他们在学习和生活中给了我大力的支持和热情的帮助，使我能够顺利地完成本次实习论文，并不断超越自己，迎接新的挑战!衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、领导!
参考文献：
（1）刘天齐.三废处理工程技术手册(废气卷)[M].北京：化学工业出版社，2005：15-86.（2）殷华文，刘黎明.工业控制网络设计技术[J].自动化仪表，2005，23(11)：24-27.
