基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統

王秋平 張 進 魏 浩 陳志強 張 淼

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統

王秋平 張 進 魏 浩 陳志強 張 淼

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

針對撫順式干餾爐水盆加水自動化程度低的問題，采用S7-200 PLC和組態王設計水盆自動加水控制系統。在分析水盆工藝的基礎上，給出了系統的硬件組成、部分軟件流程和組態王監控畫面。測試結果表明：該撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統具有可靠性高、穩定性好的特點，能及時、自動地調整水盆液位并記錄運行數據，可以完全取代人工操作。

自動加水控制系統 水盆 撫順式干餾爐 PLC 組態王 PID控制器

撫順式干餾爐具有對頁巖適應性強、操作簡單及運行可靠等優點。但是，撫順式干餾爐自動化程度低，其現場電動閥門主要為手動控制，現場操作環境惡劣，而且人為誤操作和現場事故發生概率較高[1]。近年來，隨著煉油工藝技術水平的不斷完善與發展，油頁巖煉油廠自動化控制受到越來越多的重視。

撫順式干餾爐是油頁巖煉油裝置的核心設備，主要完成對頁巖的干餾。其基本工藝過程為：干餾爐內的油頁巖與煙氣和來自加熱爐的熱瓦斯混合，通過加熱實現干餾過程，從而裂解釋放出含有頁巖油的瓦斯、蒸汽及油煙氣等多種混合氣體；這些氣體通過干餾爐瓦斯集合管被收集后分離出頁巖油[2]；干餾后的爐渣經底部水盆冷卻后用除灰鐵鍬排出爐外。

水盆一方面使爐內瓦斯氣體與爐外空氣隔絕(即水封，以保證爐膛的充分燃燒，從而確保干餾過程達到最佳溫度)，另一方面對爐灰起到降溫的作用。如果水盆水位過低，將導致大量的冷空氣從爐底進入干餾爐，引起爐膛負壓不穩、燃燒惡化甚至滅火，直接影響干餾效率。目前，大多工廠仍然靠人工定期巡查和手動調節閥門開度來實現水盆液位恒定的目標，這種方式不僅效率低，控制效果較差，同時也降低了煉油廠的經濟效益。針對此現狀，筆者探索研究了一種基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統，實現水盆液位的自動控制。

水盆(圖1)是由6塊帶有弧度的鐵板用螺絲連接而成的盆狀結構，整個水盆安置在鑄鋼球架上，與干餾爐爐體不連接。水盆兩側設有兩個對稱的除灰鐵鍬，用角鐵固定在干餾爐平、裙板上并與爐底成45°角，在東西水平軸線上與爐體成15°角，鐵鍬下端伸入水封中，與排灰器和水盆配合起到除灰的作用[3]。

圖1 水盆結構

正常工作時，水盆底部的齒輪(即盤牙)隨著爐內頁巖的干餾情況在變頻器的調節下按一定速率旋轉，將干餾爐爐膛內的爐渣通過鐵鍬排出水盆。

干餾后的高溫頁巖半焦與水盆中的水接觸后會產生大量蒸汽，半焦降溫的同時使水盆中的水迅速減少。除此之外，水盆中的水還會隨著爐渣被擋板排出水盆，造成水的大量流失。如果要保持爐內瓦斯氣體與爐外的空氣隔絕，當水盆中的水減少時，就需增加水量。

目前油頁巖煉油廠自動化水平較低，水盆內水位的控制還是人工控制，即采取每20min人工到現場觀察的方式，決策當前時刻水盆內的水量是否滿足水封效果的要求。如果不滿足要求，則通過人工手動調節方式，調整就地閥門的開度，實現水盆水位的控制。這種方式很難滿足控制系統穩、準、快的要求。如果水位過高，則出現溢流現象，造成環境污染；反之就會使水封效果減弱，導致干餾爐內進入大量空氣，引發事故。

2 水盆自動加水控制系統

2.1系統原理

由煉油生產工藝過程可知，水盆內的水位主要受水盆轉速和干餾爐爐渣溫度的影響。當水盆轉速升高時，水盆內水位會迅速降低；爐渣溫度升高時，水的蒸發量增大，從而導致水盆內水位大幅度下降[4]。為實現水盆液位的自動控制，系統除了需要具有水盆水位的連續調節控制功能外，還需要具有較強的抗水盆轉速和干餾爐爐渣溫度外部干擾的功能。

根據以上控制要求，水盆自動加水控制系統采用單回路控制技術?？刂破鬟x擇工業中應用廣泛、可靠性高、抗干擾能力強、可實現PID運算、程序設計方便靈活、價格便宜的小型PLC控制器。執行機構選擇可接收4～20mA電流信號的自動調整閥。由于水盆中的水油污較大，故測量變送器采用非接觸式測量儀表——超聲波液位計?？刂葡到y原理框圖如圖2所示。

圖2 水盆自動加水控制系統原理框圖

2.2硬件部分

控制系統的主要任務是根據液位設定值實現液位的自動控制，為此，需實時采集水盆中的液位，并根據采集到的數據來調整閥門的開度。因此系統的輸入信號有手/自動切換數字量信號(DI，24V)、超聲波液位計測量信號和調節閥開度反饋模擬量信號(AI，4～20mA)。系統的輸出信號有高低液位報警數字量信號(DO，24V)和調節閥控制模擬量信號(AO，4～20mA)，詳見表1。

表1 PLC變量

根據上述分析，控制器選擇PLC S7-200 CPU226，可支持24路數字量輸入和16路數字量輸出，可連接7個擴展模塊，完全適用于復雜的中小型控制系統。模擬量擴展模塊選用EM235，具有4路模擬量輸入通道和1路模擬量輸出通道，可以滿足系統要求。系統組成如圖3所示。

圖3 系統組成框圖

2.3軟件部分

工業PID控制是一種基于誤差來消除誤差的控制策略，即用誤差的過去、現在及其變化趨勢的加權來消除誤差的控制策略。水盆液位維持在一定范圍內即可保證撫順式干餾爐的正常工作，所以本系統無需達到精確的控制，允許存在少量誤差，因此采用PID調節器來完成控制任務[5]。

控制方案：PLC通過模擬量輸入/輸出模塊EM235采集超聲波液位計發出的4～20mA信號，然后將其轉換成數字信號后與液位設定值進行比較；將比較得出的偏差轉換為控制量輸出給電動調節閥，電動調節閥根據接收到的4～20mA電流信號對閥門開度進行調節，使水盆自動加水，從而達到調整液位的目的?；赑LC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統流程如圖4所示。

圖4 基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統流程

其中，CPU226中的PID指令程序如下：

LD SM0.1//在首次掃描調用初始化子程序

CALL SBR_0

LD SM0.0//裝載PID參數并連接PID中斷服務程序

MOVR 0.75，VD104//液位設定值75%

MOVR 0.25，VD112//裝入回路增益0.25

MOVR 0.1，VD116//裝入回路采樣時間0.1s

MOVR 30.0，VD120//裝入積分時間30.0min

MOVR 0.0，VD124//關閉微分作用

MOVB 100，SMB34//設定中斷時間間隔100ms

ATCH INT_0，10//設定定時中斷執行PID程序

ENI//允許中斷

LD SM0.0//將PV轉換為標準化實數

ITD AIW0,AC0//將整數轉換成雙整數

DTR AC0，AC0//將雙整數轉換成實數

/R 32000.0,ACO//將數值標準化

MOVR AC0，VD100//將標準化后的PV存入回路表

LD I0.0//在自動模式下執行PID指令

PID VB100，0//回路表起始地址VB100，回路號0

LD SM0.0//模擬量經A/D轉換后存入累加器

MOVR VD108，AC0//PID控制器的輸出值送入累加器

*R 32000.0，AC0//將累加器中的數值標準化

ROUND AC0，AC0//實數轉換為雙整數

MOVW AC0，AQW0//將16位整數寫入模擬量輸出D/A寄存器

2.4監控畫面

上位機通過組態王實現監控畫面，當給定液位設定后，控制器會自動調節閥門開度使液位保持在設定值，以達到自動控制的目的。組態王通過RS485/232實現與PLC的實時通信，從而實現對PLC的監控和實時調整。

水盆自動加水控制系統的組態王監控畫面(圖5)設有操作員和管理員權限，操作員只有操作權限，管理員有操作、修改參數及系統測試等高級權限。畫面主要由水盆、加水管、調節閥及超聲波液位計等組成，實現水盆加水的整體流程顯示、電動調節閥開度顯示、設定液位值、實時液位與歷史曲線顯示和超聲波液位計工作狀態的顯示。

圖5 組態王監控畫面

3 結束語

筆者設計的基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統，不僅實現了水盆液位的自動控制，還設計了監控畫面，組態軟件與可編程控制器的結合極大地提高了操作效率，減少了工人的勞動強度。該系統可靠性高、結構簡單、在現有水盆加水系統的基礎上改造方便，更符合現代化工廠的要求，有很好的應用前景。

[1] 楊慶春,張俊,楊思宇,等.油頁巖綜合利用過程建模與技術經濟分析[J].化工學報,2014,65(7):2793～2801.

[2] 王擎,肖冠華,孔祥釗,等.固體熱載體干餾樺甸油頁巖試驗研究[J].東北電力大學學報,2013,33(5):15～21.

[3] 蘇洪利.撫順式頁巖干餾煉油工藝原理及煉油核心裝置干餾爐安裝工藝[DB/OL].http:www.docin.com/p-627826791.html qq-pf-to=pcqq.c2c,2012-03-28.

[4] 秦宏,馬佳波,劉洪鵬,等.500t/d油頁巖干餾系統的半焦燃燒輸送數值模擬[J].東北電力大學學報,2013,33(5):1～5.

[5] 陳東亮.基于PLC和組態王的熱媒爐控制系統[J].化工自動化及儀表,2014,41(5):587～589.

PLC-basedAuto-controlSystemforWater-feedingofFushun-typeRetortBasin

WANG Qiu-ping, ZHANG Jin, WEI Hao, CHEN Zhi-qiang, ZHANG Miao

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Considering low automation degree of water-feeding of Fushun-type retort’s water basin, S7-200 PLC and KingVIEW were adopted to design an auto-control system for the water-feeding operation. Through analyzing the water basin, the control system’s hardware configuration, some software flow charts and kingVIEW’s monitoring graphics were presented. The test results show that this auto-control system for the water-feeding boasts high reliability, good stability, timely adjustment of the basin level and auto-recording of the operating data and it can completely replace the manual operation.

control system for water-feeding operation, water basin, Fushun-type retort, PLC, KingVIEW, PID controller

TH862

A

1000-3932(2016)02-0117-04

2015-07-10基金項目：吉林省重點科技攻關項目(20140204004SF)