基于PLC的加熱爐儀表控制系統優化分析

李敏娟，單煒，萬露

(中機國能電力工程有限公司，上海，200062)

基于PLC的加熱爐儀表控制系統優化分析

李敏娟，單煒，萬露

(中機國能電力工程有限公司，上海，200062)

現在加熱爐儀表控制系統中，由于兩臺鼓風機與一座加熱爐配備使用，遇到需啟動備用鼓風機的情況時，導致停爐現象；在加熱爐儀表控制系統的運行時，無法實時監控并保證其穩定。研究發現PI調節器安裝到兩臺加入爐的高鼓風機入口后，其互相干擾的現象不再發生了，爐底的水位也能實時監控了，基于PLC對加熱爐儀表控制系統的優化，實現了系統的穩定運行。

PLC；儀表控制系統；優化分析

0 前言

加熱爐自動化控制系統的運行情況決定著生產產品的質量。而加熱爐自動化控制系統的質量太差不僅會使其生產的產品劣質，也會造成環境污染等問題。加熱爐自動化控制系統的穩定和精準一直是企業和研究人員追求的目標。在這一行業的研究中，有兩個比較重要的方向，其中一個就是PLC系統的運用，確實有很好的保溫作用，且節能環保。另一個就是實時監控系統的運用，對于爐內各段的生產中各種流量的控制比較精確。目前，加熱爐儀表控制系統的優化分析，PCL控制系統的應用取得了一些成果，基于這個背景，本文基于PLC的加熱爐儀表控制系統優化分析的研究，取得了一些進展，僅供同業人員借鑒。

1 加熱爐儀表控制系統簡介

1.1 加熱爐儀表控制系統的組成部分

DCS上位機和DCS下位機系統構成了加熱爐儀表控制系統。WINCC是上位機的組態軟件。上位機的功能室數據實時顯示及監控、數據存儲和參數設定等。下位機的編程軟件是Step7，由PLC構成主站和從站。Profibus2DP現場總線連接了上、下位機系統和主、從站?？刂葡到y的組成部分較多，主要有汽化冷卻裝置的汽包水位和自動換向等系統。

1.2 爐膛溫度串級調節系統

流量、壓力測量設備、溫度測量元件等是爐膛溫度串級調節系統的主要組成部分。鉑銠-鉑熱電偶是爐膛溫度的測量方法，其信號由補償導線引入。流量元件爐溫的調節可以通過下面兩點實現：其一，對空氣和煤氣流量的檢測；其二，對爐火大小的控制。一次元件使用標準孔板可實現測量空氣流量，園缺孔測量板煤氣流量將以上設備運用，即可采集各類數據和控制加熱爐儀控系統。PLC中測量信號引入可用EJA系列智能變送器；600 S高溫啟動調節蝶閥調節空氣流量；710E高性能啟動蝶閥調節煤氣流量[1]。

1.3 系統軟件

SIMATIC STEP7是加熱爐基礎自動化系統PLC的編程、組態軟件。設計人員在程序編寫前，應提前制定一個編程計劃，將電儀控制系統特點、加熱爐工藝流程要求和功能區域融入其中。設計人員在程序編寫時，當復雜的計算、處理出現是，可采用語句表述，其他邏輯控制部分還應運用梯形圖。對于WINCC軟件進行開發時，配合PLC一起使用，不僅可以是現場的運行狀態被工作人員直觀的了解，而且設備或現場出現任何問題都可以實時了解。

1.4 網絡通訊的配置

加熱爐儀表控制系統的網絡連接方式是以太網。以太網使用的不是TCP/IP協議，而是更安全的ISO協議。且在個操作時又都專門的OSM（西門子公司的光纖交換機），形成了一個環網，若有一個設備發生故障，其他設備不受其影響，正常工作，這樣就使網絡的穩定性提高了[2]。

2 加熱爐儀表基礎自動化系統實現

2.1 儀表基本功能設置

由于設備流程的需要，加熱爐運用了17只S型熱電偶測溫。在爐頂有三只；在預熱階段有兩個；其余分布在爐底或爐側。在空氣壓力、煤氣壓力、流量檢測和的S型熱電偶可以參與檢測點對壓力等的調解，并且發揮良好的作用。

2.2 爐膛的溫度、壓力控制系統

為控制各供熱區的溫度，需將各區分離獨立，爐溫控制回路的主環是溫度，副環是空煤氣流量。

2.2.1 爐內供熱區段溫度控制

系統中的供熱調節回路共6個：均熱段上、段下，加熱1段上、下，加熱兩段上、下。將各段的回路單獨控制，不僅實現了對特定區域的溫度控制，對溫度的保持也很有效用。在對各段的溫度進行控制的時候，可在爐頂選擇3只熱電偶，測其溫度值，將其平均值作為PV值（或任意一只熱電偶的溫度值）。這樣設置使爐段具有更多優勢，最重要的就是警報功能。其一，超溫警報，在爐段的溫度超過一定值的時候，警報系統就會啟動；其二，短偶警報，當爐內熱電偶發生故障，無法使用時，警報系統啟動；其三，溫差警報，當爐內的溫度其差值比較大，對生產是很不利的，這時警報系統啟動。溫度調節器也有一個防止坯料過熱情況產生的功能就是控制溫度調節器的加熱速率。

2.2.2 爐內供熱段溫度的設置

供熱段溫度的設定可分為上部和下部爐段，且其采用的方法并不相同。上部可采用交叉限幅模式，這是工業爐窯常用的方式。而下部采用獨立控制模式和主從模式。

2.2.3 壓力控制

加熱爐中對壓力的控制是很重要的。爐內壓力過大，會造成爐體的損壞，所以爐內的壓力應控制在10-20Pa（微正壓）左右，要達到這一要求可以采用相應的系統，如，模糊-PID混合控制。一般的PID控制有調解緩慢等缺點。模糊-PID混合的控制操作比較迅速，在誤差較大時，就可控制，在誤差較小時，采用已經提前設置準確的模PID控制即可。這樣就實現的壓力控制的精準性。

2.3 儀表控制系統

高焦混合煤氣為加熱爐的主要能源。助燃的鼓風機兩臺，一主一從。爐底梁和立柱等的冷卻采用凈循環水?？刂苾x表執行機構以壓縮空氣為動力源。煤氣管道的吹掃用氮氣。當壓力較低的情況出現時，斷電或停爐信號就會由系統發出。系統還會切斷各種煤氣管道，并進行清理，熱風進行放散。

3 優化控制系

3.1 優化備用高壓鼓風機入口風門

3.1.1 存在問題

高壓鼓風機的作用簡單來說是助燃，即對加熱爐執行鼓風助燃，助燃空氣壓力以系統檢測到的為標準，調節PID，使其通過入口點動執行器輸出并控制開度，得到一個相對穩定的壓力。在經過各個燃燒段前，在金屬預熱器預熱，最后按一定配比與調節閥一起燃燒。在之前的系統中，兩臺鼓風機與一座加熱爐配備使用，且兩臺鼓風機僅配備一個畫面調節器，實行各項操作，包括一些參數的設定與調節等。當PLC對主電動調節器進行操作時，另一臺的操作模式由“操作靜止風機”按鈕改變[3]。在正常生產的情況下，沒有任何問題，但若遇到需啟動備用鼓風機的情況時，共用一臺調節器就會引起混亂，很有可能會減小電動執行器開度，使空氣壓力降至極限、自動切斷煤氣切斷閥，而導致停爐現象，降低生產效率。

3.1.2 優化措施

優化分析方法即PI調節器獨立使用，新增一臺即可，且相同功能的控制程序通過PIC系統增加，使備用電動調節器擁有自己獨立的調節器。這樣備用系統啟動發生故障的幾率就大大降低了，系統運行也更加的穩定了。

3.2 優化萬能加熱爐陸地地坑抽水系統

3.2.1 存在問題

優化前加熱爐地坑抽水泵的操控都是就地操作箱完成的，起執行模式有兩種：其一，高位抽水、低位停泵的模式有電極檢測點的液體點位決定。其二，水泵的啟動、停止都由人員手動操控。由于設備和操控箱的位置的關系，所以經常會出現設備被淹沒的現象。

3.2.2 優化措施

新的加熱爐拆除液體電極檢測，安裝投入式液位傳感器，作為新的液位檢測設備。在HMI畫面上將“地坑水泵系統的軟操作”加入，實時監測水位，避免設備被淹沒的事情再發生。本優化方式不僅改進和完善了系統，并且并未增加成本。在實現自動化操作的同時，也實現了對系統的全面的實時監控。

4 基于PLC的加熱爐儀表控制系統分析

第一，每臺高壓鼓風機的PI調節器單獨使用?；趩觽溆酶邏汗娘L機而產生的停爐的現象，我們將實行以下措施，準備一個良好的PI調節器，將PI調節器在另一臺高壓鼓風機上安裝，調整PI調節器，使每一臺高壓鼓風機上都有單獨使用的PI調節器，這樣就實現了對兩臺高壓鼓風機的單獨控制。這樣隨時啟動備用高壓鼓風機不會對另一臺產生影響，互相干擾的問題很好的解決了。由于啟動備用高壓鼓風機而產生的停爐現象徹底地消失了。生產效率也有明顯的提高。

第二，高精度液位傳感器。對于爐底設備經常被水淹沒的情況，可使用高精度液位傳感器，這樣可實現對爐底水位變化的隨時掌控，而且液體檢測的精度明顯的提高了。對加熱爐爐底的水位能實時掌控，杜絕了爐底部件被水淹沒事件的發生，從而使設備運行更加穩定，延長了其使用壽命，經濟實用。

5 結論

加熱爐儀表控制系統，以PLC為基礎，編程軟件為SIMATIC STEP7，其目的是控制安全設定、安全連鎖、流量控制等環節。加熱爐儀表控制系統在運行中經常出現設備被淹沒、故障等情況。作者基于實際運行情況和目前的加熱爐儀表系統的研究情況，尋求解決策略，實現了對系統的優化。改造中，沒有新設備的添加，都是基于現有的系統和工具，不需要資金的投入，改造后的系統在運行中，加熱爐儀表控制系統正常運行，實現了自動化操作，并且對于各項要求也能予以滿足，對系統的日常維護和維修也比較便利。該系統的使用，不僅使運行的故障率降低了，也滿足了生產要求，而且產品的產量高、質量優且能耗低。該系統不僅經濟實用，對以后的加熱爐儀表控制系統得優化也有重要的意義。

[1]楊莉華.基于PLC的加熱爐儀表控制系統優化研究[J].機電工程，2016，06(08):1033-1038.

[2]王和琴，張分電，李延利，劉方儉，寧海春，韓燕君.普光氣田酸氣加熱爐智能控制系統的構建與優化[J].天然氣工業，2013，12(09):110-114.

[3]曾麗.化工工業中PLC控制系統的設計與安裝的優化措施分析[J].中國石油和化工標準與質量，2011，10(09):48.

Optimization Analysis of Instrument Control System of Heating Furnace Based on Programmable Logic Controller

Li Minjuan,Shan Wei,Wan Lu
(China Sinogy Electric Engineering Co.,Ltd,Shanghai,200062)

Now In the heating furnace instrument control system, since the two blowers are used together with a heating furnace, it is necessary to start the standby blower, which causes the phenomenon of shutdown. When the furnace control system is running, it can not be monitored in real time. To ensure its stability. It was found that the PI regulator was installed in the two high-fan inlet of the furnace, and the interference of the PI regulator did not occur again. The water level of the bottom of the furnace was also monitored in real time. Based on PLC, the optimization of the furnace control system was realized.Stable operation of the system.

Programmable Logic Controller；Instrument control system；Optimization analysis