罐式煅燒爐自動調溫控制系統的實現

薛成龍

（嘉峪關索通預焙陽極有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

罐式煅燒爐的溫度控制是影響煅燒石油焦質量的主要因素[1]，而預熱空氣進氣量是保證煅燒爐火道溫度恒定的重要環節[2]。目前罐式煅燒爐的溫度控制只能由員工依靠經驗手工進行。這無疑存在諸多弊端：第一，人工調節溫度誤差較大，不能實現溫度的準確控制，產品質量難以保證；第二，員工精力有限，溫度不能及時調節，使罐式煅燒爐溫度忽高忽低，會縮短罐式煅燒爐的使用壽命；第三，罐式煅燒爐爐面溫度高，作業環境差，不利于員工職業健康安全；第四，罐式煅燒爐自動化程度低，員工勞動強度大，企業人工成本居高不下。

罐式煅燒爐自動調溫控制系統采用PLC可編程控制系統，通過安裝在罐式煅燒爐火道墻上的光電溫度傳感器檢測罐式煅燒爐溫度，根據溫度設定值和相應控制算法，自動調節安裝在罐式煅燒爐空氣道入口的風門執行器的開度，達到調節預熱空氣進氣量的目的，從而實現罐式煅燒爐溫度的自動調節。

1 系統結構

罐式煅燒爐自動調溫控制系統PLC可編程控制系統選用西門子SIMATIC S7-300系列。西門子SIMATIC S7-300系列模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0支持多種信號類型，可以直接接收光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號；SIMATIC S7-300系列CPU模塊支持SCL結構化控制語言編程，適合于公式計算、復雜的最優化算法、管理大量的數據或重復使用的功能[3]，可以很方便地將一套控制算法應用到32罐罐式煅燒爐的控制中，大大提高了編程效率，降低了調試難度。

為節約投資，工程師站和操作員站合二為一，通過以太網與PLC控制系統通訊，同時通過以太網將實時數據傳送至調度中心。系統結構如圖1所示：

2 溫度信號MATLAB曲線函數擬合

光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號與溫度值呈非線性關系，傳感器廠家僅提供了對應的分度表。為了處理毫伏信號到溫度值的轉換，一般的做法是在PLC中采用二維查表算法，這種算法非常耗費CPU掃描時間，CPU掃描時間達292ms（見圖2），導致系統運行效率低下，嚴重影響系統的正常運行。

為解決這個問題，本系統利用MATLAB曲線函數擬合功能對光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號與溫度值的關系進行曲線函數擬合。

將廠家提供的溫度對應分度表輸入MATLAB，利用Curve Fitting Tool選擇曲線類型，軟件自動完成曲線擬合，并給出擬合函數表達式（見圖3）。最終得出的擬合函數表達式為：

圖1 系統結構圖

圖2 查表法CPU掃描時間

其中：x為光電溫度傳感器的輸出的毫伏值

y為毫伏值所對應的溫度值

R-square越接近1，說明擬合度越好。如圖4所示，根據MATLAB輸出的曲線函數擬合結果得知R-square達到了0.99993。這說明通過擬合出的函數表達式可以真實反映光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號與溫度值的關系。

利用最終得出的擬合函數表達式在STEP7編程軟件中采用SCL編程實現處理毫伏信號到溫度值的實時轉換，改進后CPU的掃描時間僅為9ms（見圖5），大大提高了系統的運行效率，消除了系統運行滯后的現象。

4 STEP7 SCL編程

圖3 溫度信號MATLAB曲線函數擬合

圖5 MATLAB擬合函數法CPU掃描時間

圖6 STEP7 SCL編程示例

圖7 程序結構圖

西門子SCL結構化控制語言是一種類似于計算機高級編程語言的編程方式，它符合國際標準IEC 61131-3和PLCopen基礎級認證，語法規范接近計算機高級編程語言中的PASCAL 語言[4]，支持間接尋址和數組操作，適用于公式計算、復雜數學算法和過程優化。本項目使用SCL結構化控制語言編程，利用間接尋址和數組大大減少了編程工作量，減小了程序出錯的幾率，加快了程序調試進度。

圖6所示為風門執行器開度反饋信號模擬量轉換的SCL示例程序。程序采用for語句循環執行SCALE子程序，SCALE子程序是STEP7內置的標準庫，作用是模擬量到工程量的轉換。SCALE子程序的輸入地址采用間接尋址的方式，在循環語句中自動遞增，批量實現模擬量到工程量的轉換。這種編程方式非常適合處理批量重復的程序代碼。以此類推，32罐煅燒爐每一罐的調溫控制算法、負壓控制算法等也是重復的，采用這種編程方法就可以方便的批量處理了。

顯而易見，采用循環調用子程序的方式批量處理重復的程序代碼，當需要調整控制算法時，只需要修改調用的子程序就可以了，無需逐一修改大量重復的程序代碼，可以達到“一次修改，全局生效”的目的，大大減少了編程的工作量，加快了程序調試的進度，也減小了程序出錯的幾率。

本系統程序結構如圖7所示，按功能不同編寫帶有參數的算法模塊，在子程序中利用循環指令和間接尋址進行算法模塊多次復用，最終所有子程序在主程序中調用執行，實現了功能清晰、易于閱讀的結構化控制程序。

5 WINCC組態畫面

人機界面的友好程度直接決定了控制系統易用性。罐式煅燒爐自動調溫控制系統上位機采用西門子WINCC組態軟件，軟件歷史數據存儲采用SQL數據庫，這為后面用VBA腳本實現自由報表提供了便捷的方法。

如圖8所示，為減少操作員切換頁面的次數，本系統將罐式煅燒爐32罐分為8組全部展示在總覽畫面上，不僅可以查看每罐的實時溫度、負壓、閥門開度等數據，還可以按單罐或一組切換手自動控制模式，方便操作員靈活操作。

圖8 WINCC總覽畫面

圖9 WINCC歷史趨勢曲線

圖10 WINCC自由報表VBA腳本示例

圖11 WINCC自由報表畫面

圖12 WINCC參數設置畫面

為方便查看歷史趨勢曲線，本系統可分別按照組或數據類別查看歷史趨勢曲線（見圖9），并可將歷史趨勢曲線打印輸出。

為了實現靈活的報表功能，本系統采用VBA腳本和office Web Components組件，實現了按班、日、月、自由時間等不同時間范圍自動查詢、生成生產記錄報表，解決了人工填寫生產報表煩瑣、易錯的弊病，同時節約了大量紙質記錄表格，達到環保降耗的目的。

如圖10所示，VBA腳本示例了從WINCC SQL數據庫中查詢指定時間段的歷史數據，然后按照報表格式自動生成報表。

圖11為最終實現的WINCC自由報表畫面。操作員可選擇按班、日、月查詢報表，也可以自由選擇時間范圍查詢報表數據，同時隨時可將生成的報表打印輸出。

為保證清罐或檢修過程中控制系統的正常運行，本系統設置了按組允許使能控制的功能，如圖12 所示。只有勾選的組按照控制算法進行自動控制，未勾選的組則不參與任何控制，此時總覽畫面上未勾選的組顯示為灰色。同時系統設置了實時數據的上下限報警值，能夠以變色、閃爍的方式提醒操作員超限報警，并在報警記錄列表中顯示報警信息。

6 結論

罐式煅燒爐自動調溫控制系統投運后，提高了罐式煅燒爐的自動化控制水平，解決了人工調溫的諸多弊端，提高了煅燒石油焦的質量，延長了罐式煅燒爐使用壽命，有利于員工職業健康安全，降低了員工勞動強度，縮減了企業人工成本，取得了良好的經濟效益和社會效益。