摘   要

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

 

關鍵詞： DCS  轉窯熱解 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)效率關系到經濟的可持續(xù)發(fā)展。粉煤熱解是一種有效的煤炭分質技術，其中熱解產物的粉焦產率約70%，所蘊含的能量雖然約占80%^[1]。

近幾年國內煤熱解新工藝不斷開發(fā)改進，也給煤熱解的規(guī)模化，高效化，環(huán)?；峁┝思夹g上的支持，出現了回轉窯煤熱解技術?；剞D窯的控制系統是整個熱解工藝中的控制樞紐，如何提高和完善回轉窯的電氣控制直接影響煤熱解的產能，效率和安全。煤熱解過程中，回轉窯屬于大型熱工設備，結構復雜，系統一直處于動態(tài)變化過程中，隨著外部配料，風機等客觀因素影響，窯內溫度時刻處于變化中，窯內熱工狀況的波動，會產生低溫跑料，高溫燒穿窯皮，窯內物料堆積的可能，這些都不利于窯體長期安全運行，影響熱解產能效率。為了更好控制生產工藝，提高熱解效率，需要將工藝過程中的測量儀表、信號系統、自動執(zhí)行裝置和保護裝置等通過現代通信技術集成為一體，整個體系要以轉窯熱解為核心協調全局。這就要求系統可靠性要好，穩(wěn)定性要好，集成運行過程追溯要豐富，編程環(huán)境分析要高效一目了然，系統集成性要好意外應對能力要好。依上情況，選用DCS系統最能更好的適應工藝系統最實際要求?？刂茻峤庀嚓P部分主要的控制分塊有輸給料、送能風、固熱回收、高溫除塵、煤氣引風、反應轉窯6部分，其中轉窯內反應溫度和壓力控制控制是整個工藝運行的靈魂線，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經過多年的應用，通過自身實踐，取得了成熟的經驗，逐步深入和擴大了功能和應用范圍。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數據不清零、數據庫強制信息不清零、SAMA組態(tài)強制信息不清零、SAMA算法塊及數據庫、監(jiān)控畫面的所有數據不清零。是系統更有可靠性的運行，容錯、容忍意外能力更高。

本文主要介紹LN2000 DCS系統煤熱解系統組成和控制應用，著重介紹回轉窯熱解窯料溫的控制應用。

二、DCS控制系統結構

DCS從橫向分層看，輸給料控制、送能風控制、固熱回收控制、高溫除塵控制、煤氣引風控制、反應轉窯控制6部分，每個控制部分都設置一個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，成為一個有機的整體。AS、OS、ES站都通過以太網連接在一起，彼此之間即分割獨立能各自運行，又聯系緊密成為一體可進行集中管理。

輸給料控制的功能為轉窯反應裝置提供顆粒原料，原料通過皮帶運輸至轉窯反應器上方上料倉，提供足夠的生產需求原料。送能風控制的功能是按要求提供一定質量和數量的熱能氣體，為反應提供主要外部能源。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，確保安全和運行協調。高溫除塵控制，控制好安全運行和功能邏輯，使設備在高溫下安全過濾、反吹、切換。煤氣引風控制與提質段緊密相連，為反應產生的的煤氣輸出提供動力，與反應轉窯壓控制緊密相連。反應轉窯是核心裝置，所有提質段其他功能都是以轉窯溫度壓力為中心協調控制。

 煤熱解生產DCS系統不僅包括過去DCS中所包含的內容，還向下深入到現場的每臺測量設備、執(zhí)行器，向上發(fā)展到了生產治理，企業(yè)經營的方方面面。大型煤化工企業(yè)對自控系統可靠性要求非 常嚴格，DCS從縱向分層看，有現場層，過程管理層，生產管理層。

1現場層，即儀表、閥門、電機等構成。2過程管理層，即過程控制站，以高性能微處理器為核心，能進行多種過程控制運算，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，簡稱PU。過程控制站是過程控制柜內的最重要的部件，由下列部分組成：系統母板、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，通過其內置的兩個互為冗余的以太網接口實現實時數據通信和站間的冗余。PU上的兩個CAN網絡控制器，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冗余進行，避免了通過第三網絡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生產管理層，即中控上位系統，完成生產的系統操作管理。上位系統主要功能包括若干套服務器、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、記錄打印機、報表打印機、UPS電源、操作臺等。操作員站通過服務器讀寫工藝過程數據，操作員站可靈活擴展。

現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協議的現場總線進行通信，又稱為I/O通信總線、I/O通信網絡，采用了雙網冗余方式。中控系統通過工業(yè)以太網連接各主站DCS過程控制器，通過以太網、通信光纖和交換機與各主站DCS與中控室行成環(huán)網連接。DCS通訊系統分層結構中，現場總線層用于連接現場智能儀表，遠程總線則用于連接遠程I/O機柜，控制網絡層主要用于各控制器和過程數據服務器之間的通訊，操作管理網絡層用于操作員站、工程師站和過程數據服務器之間的通訊。

三、控制系統功能實現

DCS控制系統功能主要靠一系列軟件實現，這些軟件都集成在DCS總開發(fā)環(huán)境下，其中包括：系統管理、系統數據庫組態(tài)、SAMA圖組態(tài)、圖形界面組態(tài)、監(jiān)控畫面運行、趨勢曲線、報警管理、歷史數據記錄、系統自診斷、統計報表、時間列表。 SAMA圖組態(tài)：以算法塊為基礎，通過圖形組態(tài)方式，完成對系統中過程控制站的模擬量控制功能和邏輯控制功能組態(tài)及相關的修改，還具有在線調試功能。主要通過SAMA圖做運行程序邏輯。自診斷: 自診斷軟件用來監(jiān)視整個DCS系統中從上位操作員站，工程師站到下位過程站，CAN網，模塊，數據通道的所有狀態(tài)。為用戶了解DCS系統運行狀態(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，具體對應到功能控制端，通過ES對AS和OS進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)域的對應工藝邏輯，雙PU互為冗余同步運行，OS提供人機界面輸入輸出接口，相應OS站主要提供相應的工段控制工藝狀況畫面。ES根據實際開發(fā)維護的規(guī)模和人員多少安排數量，做好程序組態(tài)開發(fā)和檢修維護。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
		電源(220VAC,0.5A)
		256M電子盤（DOM）、128M內存
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路隔離型數字量輸入模塊	塊	192
		LN-07B   16路隔離型數字量輸出模塊	塊	135
		LN-COM    隔離型通訊模塊	塊	17

 

反應轉窯控制在正常運行過程中，確保轉窯內物料溫度穩(wěn)定是確保生產穩(wěn)定的基本前提和最重要控制參數。穩(wěn)定運行時加熱煙氣溫度越高氣量越大轉窯內物料溫度越高。轉窯內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，載熱氣體溫度都進行測量。每個轉窯溫度測點儀表獨立工作，在個別出現故障時，不影響全局測量數據，控制依據依然可靠。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，將測量數據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據，同時通過Modbus 協議與DCS系統連接，接入DCS系統之中，一個窯下接收終端可同時與90個窯上測溫點儀表通信。窯內物料的加熱手段是通過高溫氣傳熱給物料，窯內物料溫度在料穩(wěn)定的狀況下，通過調整熱氣量和輸入熱氣溫度滿足窯內關鍵反應段的溫度，保證反應高質量。

正常運行時，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。送能風部分，對負荷進行自行調整，對空然比進行控制確保含氧量，主要負責燃燒部分，同時在供風給轉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轉窯本體物料溫度控制跟隨調整熱負荷。固熱回收控制中的關鍵的兩點是鍋爐三沖量補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備損壞，出現停車事故，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，整體運行跟隨轉窯本體控制。高溫除塵控制主要是安全，輪訓反吹，定時定高排灰，再生程序等，溫度要保持穩(wěn)定，左右轉窯運行的先決條件。

轉窯內氣體壓力是自身物料產生煤氣而來，正常生產時通過煤氣引風轉速控制，確保窯內零壓附近。其中窯內物料溫度分布控制典型的不同于普通控制，控制目標輸入點多，輸出控制量少，控制目標組成優(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的模糊控制多路PID組合起來，通過模仿人的應對辦法，傳統的計算機控制方式，結合起來對每種狀況趨于數學化獨立方式運算控制，同時對于控制效果進行記錄分析自我糾正緩慢自整定。

LN2000中自帶神經元算法，增強型PID，設備模塊驅動等，應有盡有，充分的滿足了該工藝的控制需求，在復雜控制中可以很容易實現組態(tài)，同時通過OPC能與專家整定分析軟件隨時交換數據。LN2000安全控制器的應用使得工藝過程最意外停電控制過程不中斷，程序不會歸零運行，保證工藝過程最大安全化運行。

四、總結

魯能控制LN2000DCS在轉窯熱解實際應用中，簡單方便，運行流暢，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模塊化設計，功能強大，貼近用戶需求；平臺開放性與應用服務專業(yè)化，易于使用；使用維護更加方便、服務更好；LN2000 DCS能夠實現減人增效，使用DCS組成系統將使工廠實現全廠一體化。雙控制器同時啟動IO數據不清零、數據庫強制信息不清零、SAMA組態(tài)強制信息不清零、SAMA算法塊及數據庫、監(jiān)控畫面的所有數據不清零，使系統更有可靠性的運行，容錯、容忍意外能力更高，適用于轉窯熱解工藝。

 

參考文獻：

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

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

郭學良.淺談DCS系統在煤化工企業(yè)的應用[J].管理錦囊2013,5.