基于Deltav系统的串级控制在氢冶金工程中的应用

摘 要：以河钢氢冶金工程冷却塔进水流量控制回路为例，介绍了Deltav系统中串级控制的PID模块的工作原理，设计和组态，以及串级控制和其他控制之间的无扰动切换的实现。

关键词：Deltav系统；串级控制；PID模块

APPLICATION OF CASCADE CONTROL BASED ON DELTAV SYSTEM IN HYDROGEN METALLURGY ENGINEERING

Wang Xiaofei

（Hegang Xuangang Control Center xuanhua 075100，China）

Abstract：This article takes the inlet flow control circuit of the cooling tower in the hydrogen metallurgy project of Hegang as an example to introduce the working principle， design， and configuration of the PID module for cascade control in the delta system， as well as the implementation of disturbance free switching between cascade control and other controls.

Key words：Deltav system；flow control circuit；PID module

0 前 言

河钢氢冶金工程是全球首例富氢气体（焦炉煤气）零重整竖炉直接还原氢冶金示范工程，用氢气取代碳作为还原剂和能量源炼铁，还原产物为水，可实现零碳排放。其控制系统采用了艾默生的Deltav DCS系统。Deltav系统DCS（Distributed Control System）即集散控制系统，是20世纪70年代中期发展起来的新型控制系统。它融合了最新的算机技术、控制技术、通讯技术、现场总线技术和图形化控制策略设计技术，软件和硬件的安装方式简单、灵活；组态和开发的方法直接方便；控制更加精确并能进行预测性维护。河钢氢冶金工程现场多个控制回路使用了串级控制PID模块，串级控制是现在使用较广泛，效果较好的一种精确控制模式，串级控制系统是两个PID调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的给定，适用于时间常数集纯滞后较大的对象。

1 氢冶金工艺简介

河钢氢冶金工程是全球首例富氢气体（焦炉煤气）零重整竖炉直接还原氢冶金示范工程。全部使用焦炉煤气的直接还原厂，采用的是“ENERGIRON ZR”工艺，使用高品位球团作为原料生产冷态DRI产品。工艺回路包含还原回路、底气回路、冷却回路三个部分。

2 串级控制系统概述

串级控制是现在使用效果最好的一种精确控制模式，串级控制系统是两个PID调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的给定，适用于时间常数集纯滞后较大的对象。相对于单回路控制系统，串级控制系统可以测得中间变量，并通过测得的中间变量构成负反馈回复，可以对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而对整个控制系统的动态品质起到改善作用。

3 串级控制系统的原理

如图1所示，串级系统在结构上形成了两个闭环，内层的闭环称为副回路或副环，在控制过程中起着粗调的作用；外层的闭环称为主回路或主环，用来细调，最终保证控制量满足工艺要求。由控制器、执行器、主调节对象、副调节对象及检测变送器等组成。控制调节器通过执行器和调节阀对副对象进行调节。主要干扰既有作用于主控制对象的又有作用于副控制对象的。在整个串级控制系统中，主回路的输出作为副回路的设定值，副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。

4 串级控制模块的实现

DRI冷却器急冷系统的目的是冷凝和冷却从DRI冷却器清洗系统流出的气体。该系统的主要部件是急冷塔CG443-E。急冷塔出口的气体在正常情况下进入冷却气体压缩机，然后开始重新循环。冷却塔温度控制是调节冷却作用的关键参数。其温度控制是通过调节进水流量来实现的，即通过塔顶温度控制器TIC420502和冷却塔进水流量FIC420501进行串级控制，实现冷却塔出口温度的控制，使得冷却塔出口温度稳定在设定值。

5 Deltav软件模块组态介绍

Deltav系统的控制方案组态采用了FF规定的IEC标准，控制方案的组态采用标准的功能块连接的方式完成，鼠标拖放是组态使组态变得简单，在线仿真功能可以方便的对方案进行调试。

串级控制功能在Deltav系统中主要是通过设计串级主回路控制模块和串级副回路控制模块来实现的。TIC420502和 FIC420501之间存在级联控制策略，TIC420502是该控件的主控器，它从TE420502（急冷塔出口处的气体温度）获取PV同时操作员提供SP。它的输出直接控制连接到FIC420501的SP。

如图3所示，串级控制主回路中，BKCAL_IN引用副回路的BKCAL_OUT参数。通过这个参数的传递，当副回路不是串级控制，或设备出现故障时，副回路的故障状态能够反馈给主回路，主回路将停止PID运算，并且将输出值与副回路的给定值相等。通过这个功能将实现串级控制的状态跟踪和无扰切换过程。

如图4所示，串级控制副回路中，CAS_IN引用主回路的PID/OUT参数，通过这个参数的传递，实现主回路和副回路的串级关系。

AT模拟量跟踪模块，可以有选择地锁住一个或多个活动跟踪条件，它的输出OUT_D代表跟踪标志，支援跟踪条件之一为真，它就为真，此信号直接连接到PID功能块的输入TRK_IN_D。模拟跟踪功能块的OUT参数表示跟踪值，每个跟踪条件给定一个设定值，哪个条件触发跟踪，此设定值就给到跟踪值，并直接连接到PID功能块的输入TRK_VAL。

6 串级控制的无扰切换的实现

手自动无扰切换，就是指PID控制器在切换手自动模式的时候，输出保持不变。那么就会有两种情况，自动切手动：切换瞬间，将自动输出的数值传递给手动设定值，使得PID输出保持不变；手动切自动：切换瞬间，将当前过程值传递给自动设定值，SP-PV=0，所以输出PID保持不变。利用Deltav PID算法组态包含的强制返回功能和过程变量跟踪功能，Deltav系统能自动的完成无扰切换过程。

7 结束语

本文以氢冶金冷却塔回路的串级控制系统为研究对象，阐述了其工作原理和Deltav组态。串级控制策略的实施，使冷却塔温度达到了指定的控制目标，同时串级控制在DSC中的无扰切换，方便了操作站上的自动、手动和串级的切换，为整个控制生产过程的安全提供了保障。

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