基于PLC和組態(tài)王的熱媒爐控制系統(tǒng)

陳東亮

(中石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900)

作為聚酯裝置的關(guān)鍵熱設(shè)備，中石化儀征化纖股份有限公司20萬t/a聚酯項(xiàng)目的熱媒爐系統(tǒng)由航天部十一所成套設(shè)計(jì)，設(shè)備采用立式圓筒形結(jié)構(gòu)，主要包括爐體、燃燒器及空氣預(yù)熱器等設(shè)備，子系統(tǒng)含燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部分。為提高工業(yè)熱媒爐裝置的自控水平，保證安全生產(chǎn)，筆者基于PLC和組態(tài)王設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。

1 工藝流程①

熱媒爐系統(tǒng)采用彎曲葉片穩(wěn)焰器配風(fēng)結(jié)構(gòu)的燃?xì)馊紵鳎細(xì)鈴臒靽姵觯硷L(fēng)由喉部組件噴出，燃燒器燒嘴對(duì)稱分布，空氣路使用鼓風(fēng)機(jī)為燃燒提供助燃風(fēng)，在煙氣管路上設(shè)有一臺(tái)空氣預(yù)熱器，用來加熱助燃風(fēng)。該系統(tǒng)以天然氣作為燃料氣，進(jìn)入加熱爐區(qū)后經(jīng)流量調(diào)節(jié)和切斷閥組，最后分兩路通過阻火器和金色軟管進(jìn)入燃燒器。系統(tǒng)點(diǎn)火采用自動(dòng)程序二級(jí)點(diǎn)火方案，點(diǎn)火氣從焦?fàn)t氣管到引出，連接到燃燒器點(diǎn)火槍的點(diǎn)火氣接口，在點(diǎn)火燃?xì)夤芫€中設(shè)有電磁切斷閥，由過程控制其點(diǎn)火過程中的開關(guān)動(dòng)作。熱媒爐工藝流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

熱媒爐的自控系統(tǒng)采用OMRON CS1W PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和模擬量的邏輯和調(diào)節(jié)控制功能，通過組態(tài)王設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)控流程畫面和參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與修改，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)熱媒爐系統(tǒng)的自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)的技術(shù)特性是：燃?xì)饬髁亢椭硷L(fēng)量既可獨(dú)立調(diào)節(jié)，又可以進(jìn)行串級(jí)比例雙交叉限制調(diào)節(jié)；煙氣殘氧信號(hào)引入控制系統(tǒng)，有效地控制熱媒爐實(shí)施低氧燃燒，達(dá)到節(jié)約能源，減少排污的目的，同時(shí)采用氧含量分析儀對(duì)煙氣中的含氧量進(jìn)行在線分析，經(jīng)過非線性調(diào)節(jié)器修正風(fēng)/氣比，保證系統(tǒng)處于最佳燃燒狀態(tài)，從而達(dá)到提高熱效率的目的；程序設(shè)置保證了系統(tǒng)在手動(dòng)-自動(dòng)和串級(jí)-自動(dòng)各運(yùn)行狀態(tài)間無振動(dòng)切換；對(duì)風(fēng)機(jī)變頻和燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥采用了限位措施，避免熱媒爐負(fù)荷調(diào)節(jié)變化較大時(shí)，由于閥位開度過小而引起爐滅火等問題；包含PLC在內(nèi)的控制柜與DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信連接，實(shí)現(xiàn)多處同時(shí)監(jiān)控，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，主要參數(shù)有熱媒爐進(jìn)/出口溫度、燃?xì)饬髁俊⑷細(xì)鈮毫Α崦搅髁考帮L(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等。

圖1 熱媒爐工藝流程簡(jiǎn)圖

3 硬件配置

熱媒爐控制系統(tǒng)采用PLC和上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，PLC與上位機(jī)采用OMRON CS1G和Controller Link方式通信，PLC之間通過Controller Link網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)鏈接，構(gòu)成同級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用兩臺(tái)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備，一臺(tái)為主機(jī)、一臺(tái)為從機(jī)，主/從機(jī)采用TCP/IP協(xié)議構(gòu)成局域網(wǎng)，從機(jī)適時(shí)從主機(jī)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新。正常運(yùn)行狀態(tài)中，只有主機(jī)可下發(fā)操作指令，從機(jī)只具有顯示功能；當(dāng)主機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將從機(jī)切換為主機(jī)，代替原主機(jī)實(shí)現(xiàn)下發(fā)操作指令。PLC的主要硬件配置見表1。

表1 PLC硬件配置

4 軟件

4.1 點(diǎn)爐控制

點(diǎn)爐操作分自動(dòng)點(diǎn)爐和手動(dòng)點(diǎn)爐兩種。由于熱媒爐控制系統(tǒng)對(duì)安全系數(shù)要求較高，無特殊情況，一般采用自動(dòng)點(diǎn)爐，其工作時(shí)序如圖2所示。

圖2 自動(dòng)點(diǎn)爐時(shí)序

自動(dòng)點(diǎn)爐程序的步驟如下：

a. 關(guān)風(fēng)門，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；

b. 大風(fēng)吹掃135s，風(fēng)閥經(jīng)12s后回到點(diǎn)火開度；

c. 點(diǎn)火槍工作，15s后停止；

d. 點(diǎn)火燃?xì)忾y打開，點(diǎn)火槍(點(diǎn)火變壓器)工作1s后，燃?xì)忾y打開，將點(diǎn)火燃?xì)恻c(diǎn)燃；

e. 若點(diǎn)火燃?xì)庖驯稽c(diǎn)燃，紫外火檢和電離火檢接收到信號(hào)送至PLC，觀察流程畫面的火焰指示；

f. 風(fēng)機(jī)變頻點(diǎn)火開度，進(jìn)氣切斷閥打開，燃?xì)夥趴臻y關(guān)閉，保持燃?xì)獗稽c(diǎn)燃；

g. 當(dāng)點(diǎn)火氣被引燃后，紫外火檢檢測(cè)信號(hào)穩(wěn)定，點(diǎn)爐成功。

實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)點(diǎn)爐后，按工藝要求進(jìn)行升溫控制，熱媒爐進(jìn)入正常的負(fù)荷調(diào)節(jié)控制，包括手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)方式。PLC系統(tǒng)上電后，調(diào)節(jié)回路自動(dòng)鎖定在手動(dòng)狀態(tài)。如果要從其他控制狀態(tài)切換至手動(dòng)調(diào)節(jié)，點(diǎn)擊畫面上的“手動(dòng)”鍵，修改MV值進(jìn)行控制。自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下，調(diào)節(jié)回路根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)整閥門開度，以使測(cè)量值與設(shè)定值保持一致。

4.2 回路調(diào)節(jié)

熱媒爐控制系統(tǒng)包括助燃風(fēng)調(diào)節(jié)回路、燃?xì)庹{(diào)節(jié)回路、煙氣殘氧調(diào)節(jié)回路和熱媒總管出口溫度調(diào)節(jié)回路。

4.2.1單回路調(diào)節(jié)

進(jìn)入燃燒畫面，分別選擇燃?xì)夂惋L(fēng)量調(diào)節(jié)回路，按自動(dòng)/手動(dòng)鍵選擇相應(yīng)狀態(tài)，通過設(shè)定SV(設(shè)定值)和MV(閥位輸出值)值進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)。進(jìn)行回路調(diào)節(jié)時(shí)，每次閥門開度MV應(yīng)小于合理值，當(dāng)SV給定或MV給定后，觀察測(cè)量值PV的變化，在PV接近SV時(shí)再進(jìn)行下一次改變，同時(shí)注意氧量的變化。

4.2.2定燒調(diào)節(jié)

在進(jìn)行定燒調(diào)節(jié)前，將氧量設(shè)定值SV設(shè)置在合理范圍內(nèi)。進(jìn)入燃燒畫面，通過選擇熱媒溫度調(diào)節(jié)回路，按“定燒”項(xiàng)選擇定燒方式，此時(shí)氣量默認(rèn)狀態(tài)變?yōu)樽詣?dòng)，風(fēng)量默認(rèn)狀態(tài)變?yōu)榇?jí)，可通過修改氣量設(shè)定值SV來調(diào)節(jié)負(fù)荷，風(fēng)量會(huì)自動(dòng)進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，不需要人為調(diào)整。切為定燒狀態(tài)后，氧量默認(rèn)不修正，不參與風(fēng)量調(diào)節(jié)，可將其打到修正狀態(tài)，改變?cè)O(shè)定值，對(duì)風(fēng)量進(jìn)行微調(diào)。進(jìn)行定燒調(diào)節(jié)時(shí)，每次修改氣量設(shè)定值應(yīng)小于合理值，當(dāng)SV給定后，觀察測(cè)量值PV的變化，在PV接近SV時(shí)再進(jìn)行下一次改變，同時(shí)注意氧量的變化。

4.2.3串級(jí)調(diào)節(jié)

在進(jìn)行串級(jí)調(diào)節(jié)前，將氧量設(shè)定值SV設(shè)置在合理范圍內(nèi)。進(jìn)入燃燒畫面，選擇熱媒溫度調(diào)節(jié)回路，選擇自動(dòng)方式，此時(shí)氣量和風(fēng)量默認(rèn)狀態(tài)都自動(dòng)變?yōu)榇?jí)，可緩慢改變熱媒出口溫度設(shè)定值SV，氣量和風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。切為自動(dòng)狀態(tài)后，氧量默認(rèn)不修正，不參與風(fēng)量調(diào)節(jié)。進(jìn)行串級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)，每次修改溫度設(shè)定值應(yīng)小于2℃，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

4.3 聯(lián)鎖設(shè)置

為保證熱媒爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，程序設(shè)置了重要參數(shù)停爐聯(lián)鎖，主要聯(lián)鎖停爐條件見表2。

表2 停爐的主要聯(lián)鎖條件

4.4 停爐控制

按下控制柜上的“停車”按鈕，可人為停止熱媒爐運(yùn)行，PLC自動(dòng)執(zhí)行后處理程序。正常停運(yùn)按先停爐后降溫最后停運(yùn)熱媒泵的順序進(jìn)行操作。停爐后，熱媒泵和風(fēng)機(jī)必須保持運(yùn)行，直至熱媒溫度降至150℃以下方可停運(yùn)。

5 人機(jī)界面

KingVIEW組態(tài)王監(jiān)控軟件提供友好的人機(jī)交互界面功能、圖形處理功能、報(bào)表處理功能、報(bào)警處理功能、查詢功能及用戶權(quán)限管理功能等，可對(duì)全系統(tǒng)各個(gè)回路進(jìn)行操作，對(duì)設(shè)定值、輸出值、時(shí)間參數(shù)值、順控條件值和操作值進(jìn)行調(diào)整操作。該系統(tǒng)具有完善的數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算及控制輸出等功能，有模擬量報(bào)警、工藝開關(guān)量報(bào)警和報(bào)警摘要，操作員通過報(bào)警畫面很方便地了解系統(tǒng)狀態(tài)和生產(chǎn)過程。

熱媒爐控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面設(shè)有操作員、管理員和系統(tǒng)管理員3個(gè)登錄用戶級(jí)別。操作員只具有操作權(quán)限；管理員具有操作、參數(shù)修改、系統(tǒng)測(cè)試及解鎖等高級(jí)權(quán)限；系統(tǒng)管理員除具有以上功能外還具有修改操作員和管理員登錄密碼的權(quán)限。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，界面上顯示登錄用戶名、操作權(quán)限和本機(jī)狀態(tài)指示。

6 結(jié)束語

基于PLC和組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱媒爐系統(tǒng)的重要狀態(tài)參數(shù)的顯示、記錄存檔和控制調(diào)節(jié)，為進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷提供了依據(jù)，同時(shí)使控制和修改運(yùn)行工藝變得靈活方便。該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，充分發(fā)揮了操作簡(jiǎn)單及控制精確等特點(diǎn)，對(duì)于熱媒爐系統(tǒng)中的自動(dòng)化程序控制推廣具有重要意義。