實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸軍浩

(中國(guó)石化上海石油化工研究院，上海 201208)

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)爐(簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)爐)是一種用于催化劑焙燒實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，轉(zhuǎn)爐的控溫精度、爐體轉(zhuǎn)速、通入的氣體流量和爐體轉(zhuǎn)動(dòng)或傾斜的順序控制都會(huì)直接或間接地影響到產(chǎn)品質(zhì)量[1]，尤其是爐體內(nèi)部溫度分布和催化劑在爐體內(nèi)的停留時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量往往起到?jīng)Q定作用。由于目前筆者所在單位使用的轉(zhuǎn)爐僅通過手動(dòng)模式在儀表盤上操作，控制方式單一，效率低下且缺少人機(jī)界面和聯(lián)鎖保護(hù)，給實(shí)驗(yàn)人員帶來諸多不便，改造需求迫切。因此設(shè)計(jì)了新的轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)解決上述問題。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)爐的具體控制對(duì)象為3臺(tái)變頻電機(jī)、1臺(tái)旋渦式氣泵風(fēng)機(jī)(快冷風(fēng)機(jī))、5個(gè)控制閥，共設(shè)置4個(gè)溫度控制回路、4個(gè)溫度顯示回路、1個(gè)流量回路、1個(gè)角度控制回路。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐總體結(jié)構(gòu)示意

1.2 總體設(shè)計(jì)

3臺(tái)變頻電機(jī)分別用于螺桿進(jìn)料泵控制、爐體升降控制和爐體正反轉(zhuǎn)控制，均通過“PLC+儀表”的控制方式來實(shí)現(xiàn)。以正反轉(zhuǎn)為例，PLC輸出開關(guān)量信號(hào)，儀表輸出模擬量信號(hào)給變頻器，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)啟停和轉(zhuǎn)速控制[2]；同時(shí)，變頻器將實(shí)際轉(zhuǎn)速值反饋給儀表，在界面顯示。選用西門子S7-200 SMART PLC，這是一款高性價(jià)比的小型PLC，能夠完全滿足轉(zhuǎn)爐設(shè)備的控制需求[3]；變頻器選用三菱FR-E740-1.5K系列。變頻器電路如圖2所示。

圖2中，Q1為電機(jī)保護(hù)斷路器，若電機(jī)M1電流過大，則切斷電源；STF，STR端子分別用于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，通過PLC驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)繼電器線圈(R18，R17)來實(shí)現(xiàn)；4+，5-端子連接轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)，通過接收來自儀表輸出的4～20 mA電流信號(hào)，調(diào)節(jié)頻率大小；AM+，5-端子連接0～10 V的電壓反饋信號(hào)，反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)速值給儀表。A，B，C 3個(gè)端子輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)。

圖2 變頻器電路示意

1臺(tái)旋渦式氣泵風(fēng)機(jī)用于出料后的快冷進(jìn)氣。5個(gè)控制閥分別為爐氣電磁閥A和B，快冷氣動(dòng)蝶閥、快冷進(jìn)氣電磁閥、快冷排氣口氣缸電磁閥。爐氣電磁閥A用于爐氣質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)料通斷，爐氣電磁閥B作為進(jìn)料旁路備用；快冷氣動(dòng)蝶閥通過控制儀表風(fēng)通斷實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，氣動(dòng)蝶閥打開，快冷風(fēng)機(jī)將冷卻氣送入爐體；快冷進(jìn)氣電磁閥用于控制輔助冷卻壓縮氣的通斷，使?fàn)t體盡快冷卻；快冷排氣口氣缸電磁閥用于快冷排氣口開關(guān)控制，該電磁閥需在快冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前打開，以維持送風(fēng)和出風(fēng)的平衡。5個(gè)控制閥的線圈電源均為直流24 V，通過PLC的DO模塊及程序指令控制線圈，實(shí)現(xiàn)電磁閥的通斷。

4支控溫?zé)崤季鶆蚍植荚跔t體4個(gè)位置，4個(gè)溫度回路用于爐體加熱控制。通過反復(fù)試驗(yàn)，精確調(diào)整每一個(gè)控溫點(diǎn)的溫度，盡可能將恒溫段拉長(zhǎng)，溫度控制精度為設(shè)定值±2 ℃，目標(biāo)恒溫段長(zhǎng)度為78～80 cm。儀表通過485/USB轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)通信。4個(gè)溫度顯示用于觀察爐膛4個(gè)點(diǎn)的溫度情況，是恒溫段測(cè)量計(jì)算及控溫參數(shù)設(shè)置的重要依據(jù)。

1個(gè)流量回路用于爐氣進(jìn)料，通過空氣質(zhì)量流量計(jì)的控制來實(shí)現(xiàn)。

1個(gè)角度控制回路用于控制轉(zhuǎn)爐在出料傾斜時(shí)到達(dá)不同角度后的停留和轉(zhuǎn)動(dòng)。共設(shè)置4個(gè)角度，分別為0，15°，30°，45°。設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)這4個(gè)角度進(jìn)行標(biāo)定，然后在標(biāo)定好的位置上安裝接近開關(guān)，通過接近開關(guān)反饋給PLC的開關(guān)量信號(hào)來判定轉(zhuǎn)爐所到達(dá)的角度。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

在轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中，PLC主要負(fù)責(zé)加熱啟停、爐體傾斜、爐體正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速切換、電磁閥開關(guān)等開關(guān)量的控制，程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，既相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立，便于調(diào)試和維護(hù)。程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC程序結(jié)構(gòu)示意

其中，主程序負(fù)責(zé)5個(gè)子程序塊的監(jiān)控運(yùn)行；“電腦手動(dòng)”、“電腦自動(dòng)”、“表盤手動(dòng)”為轉(zhuǎn)爐的三種運(yùn)行模式，三種模式互鎖并可根據(jù)需要切換。

2.2 手/自動(dòng)功能

“電腦手動(dòng)”子程序?yàn)閷?shí)驗(yàn)人員通過人機(jī)界面對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行手動(dòng)操作，主要用于轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)前調(diào)試和日常維護(hù)階段。“電腦自動(dòng)”子程序用于轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)階段，是轉(zhuǎn)爐最常用也是程序編寫最復(fù)雜的一個(gè)部分。“表盤手動(dòng)”子程序?yàn)閷?shí)驗(yàn)人員通過儀表盤對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行各種操作，功能與“電腦手動(dòng)”子程序相同，主要為防止電腦故障時(shí)設(shè)計(jì)，是一種應(yīng)急備用模式。

2.3 報(bào)警聯(lián)鎖功能

“報(bào)警聯(lián)鎖”子程序必不可少，它用于轉(zhuǎn)爐運(yùn)行過程中人員和設(shè)備的安全保障[4]，需要結(jié)合工藝全面考慮，主要針對(duì)超溫、超壓、限位等方面，部分聯(lián)鎖功能的邏輯如圖4所示。

圖4 聯(lián)鎖功能邏輯示意

2.4 CFR監(jiān)控功能

PLC是轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的核心，必須時(shí)刻掌握其運(yùn)行狀態(tài)。“CFR監(jiān)控”子程序用于PLC運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。設(shè)計(jì)方面利用電子繼電器(R1)和時(shí)間繼電器(CFR)相組合： 將R1的常開觸點(diǎn)分別與CFR的相連；通過編程使PLC的數(shù)字量輸出端(Q端)持續(xù)發(fā)送周期為10 s，占空比為50%的脈沖給R1的線圈，控制R1觸點(diǎn)通斷頻率。通過設(shè)置CFR面板參數(shù)，保證在R1觸點(diǎn)的通斷頻率下，CFR的一對(duì)常開觸點(diǎn)始終保持閉合。反之，若PLC運(yùn)行異常，則Q端脈沖輸出異常，CFR的常開觸點(diǎn)復(fù)位，觸發(fā)報(bào)警，通知技術(shù)人員及時(shí)采取措施。考慮到觸點(diǎn)通斷頻率，R1選晶體管型；CFR選用的是高諾斯的時(shí)間繼電器。

2.5 全自動(dòng)功能

“電腦自動(dòng)”是一種“一鍵式”的全自動(dòng)工作模式，該模式下轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行分為七道工序： 初始—進(jìn)料—升溫—焙燒—出料—水平—快冷，前一道工序完成后，自動(dòng)進(jìn)入下一道，屬典型的順序控制，在軟件設(shè)計(jì)中采用了步進(jìn)指令來完成。該P(yáng)LC的步進(jìn)指令有三條，構(gòu)成了每一道工序的主體結(jié)構(gòu)： 步進(jìn)開始(SCR)，步進(jìn)轉(zhuǎn)移(SCRT)，步進(jìn)結(jié)束(SCRE)。轉(zhuǎn)爐順控流程如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)爐順控流程示意

設(shè)計(jì)中主要考慮了以下幾個(gè)方面：

1)順序執(zhí)行的靈活性。在程序的初始步(S0.0)，利用SCRT指令，為每一道工序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移語句，便于從指定工序開始執(zhí)行。比如可以跳開“進(jìn)料”和“升溫”工序，直接從“焙燒”工序開始。

2)“出料”工序編程的分解。出料時(shí)，爐體保持反轉(zhuǎn)并逐漸傾斜，在傾角達(dá)到0，15°，30°和45°時(shí)，爐體會(huì)根據(jù)設(shè)定時(shí)間分別進(jìn)行停留。在編程時(shí)，將出料工序內(nèi)部再分解為出料1到出料7共7個(gè)步驟，以表征爐體在出料不同階段的不同動(dòng)作，因此整個(gè)順控程序從S0.0到S1.4共13個(gè)步驟，做到每一步都思路明確，結(jié)構(gòu)清晰。

3)注意多線圈輸出。編程時(shí)，對(duì)于爐體在不同工序的相同動(dòng)作，如“反轉(zhuǎn)”“傾斜”等，需要重復(fù)表達(dá)，否則程序?qū)⒆詣?dòng)對(duì)該動(dòng)作復(fù)位；而 PLC不支持同一線圈的多次輸出，否則會(huì)引起編譯錯(cuò)誤。因此，對(duì)于工序之間的相同輸出，在順控程序中，先用中間寄存器(如M寄存器)過渡，最后通過M寄存器并聯(lián)的方式輸出到Q線圈的對(duì)應(yīng)地址中。

3 儀表選型及應(yīng)用

在轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中，儀表主要負(fù)責(zé)流量、溫度、轉(zhuǎn)速等模擬量的測(cè)量和控制，并通過AIBUS協(xié)議與計(jì)算機(jī)通信。

3.1 溫控儀表

溫控儀表采用廈門宇電的AI-719P，該型儀表具有多段程序升溫功能，測(cè)量精度達(dá)0.1級(jí)[5]，適用于轉(zhuǎn)爐在不同運(yùn)行階段的升溫和焙燒。在“電腦自動(dòng)”模式下，加熱啟停可利用儀表“事件輸入類型”參數(shù)(Et)的設(shè)置來完成： 在儀表的輔助輸出端MIO部分安裝L3雙路繼電器模塊，將參數(shù)Et設(shè)置為運(yùn)行/停止模式，通過PLC對(duì)MIO端的短時(shí)接通和長(zhǎng)時(shí)接通來分別實(shí)現(xiàn)儀表控溫的啟動(dòng)和停止，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，PLC程序中短時(shí)接通和長(zhǎng)時(shí)接通的時(shí)間可分別設(shè)置為1 s和3 s。

3.2 轉(zhuǎn)速儀表

轉(zhuǎn)速控制儀表采用廈門宇電的AI-719。需要注意的是，進(jìn)料和焙燒兩個(gè)工序中的轉(zhuǎn)速各不相同，這也可以利用參數(shù)Et的設(shè)置來完成： 在儀表的輔助輸出端MIO部分安裝L3雙路繼電器模塊，將參數(shù)Et設(shè)置為給定值切換模式，通過PLC對(duì)MIO端的接通和斷開實(shí)現(xiàn)在不同工序下的轉(zhuǎn)速切換。此外，對(duì)于轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，由于三菱變頻器的反饋為0～10 V直流信號(hào)，而控制儀只能接收0～5 V直流信號(hào)，因此根據(jù)儀表電壓輸入端的阻抗大小，串聯(lián)一個(gè)510 kΩ電阻進(jìn)行分壓，使反饋信號(hào)滿足0～5 V的輸入要求。

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用北京亞控kingview6.6組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)[6]，主要包括： 實(shí)驗(yàn)爐狀態(tài)、模式選擇、升溫參數(shù)設(shè)置、報(bào)警畫面、歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表等幾個(gè)部分，如圖6所示。

圖6 人機(jī)界面總體結(jié)構(gòu)示意

4.2 PLC與組態(tài)王的通信設(shè)置

PLC通過以太網(wǎng)與組態(tài)王通信，在驅(qū)動(dòng)安裝完成后，需要配置軟件。通信設(shè)置上主要有以下幾步：

1)對(duì)驅(qū)動(dòng)文件夾中的KVS7200.ini文件進(jìn)行配置。選用的PLC型號(hào)不同，配置的參數(shù)也不同。

2)安裝完驅(qū)動(dòng)后，進(jìn)入到kingview6.6的安裝目錄中，找到“Driver”文件夾中的“KVS7200.ini”文件，用事先配置好的同名文件替換該文件。

3)在S7-200 SMART的編程界面中，將PLC的地址設(shè)為192.168.2.1；將對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)的地址設(shè)為192.168.2.20。這2個(gè)地址并不唯一，只要保證在同一網(wǎng)段并和配置文件中的參數(shù)一致即可。

4)設(shè)備組態(tài)時(shí)，PLC選擇S7-200(TCP)，地址和實(shí)際地址保持一致即可。

4.3 配方功能設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)轉(zhuǎn)爐壁上的4個(gè)控溫點(diǎn)做10段程序升溫。其中“升溫”工序5段，“焙燒”工序5段，而每個(gè)目標(biāo)溫度值又對(duì)應(yīng)1個(gè)升溫時(shí)間，這樣每完成一次不同的程序升溫實(shí)驗(yàn)，就要設(shè)置80個(gè)參數(shù)。此前每次均為手動(dòng)設(shè)置，十分繁瑣；而同時(shí)操作人員又希望能將實(shí)驗(yàn)較為成功的若干組參數(shù)保存起來，供今后調(diào)用。

針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了配方功能，通過配方模板的建立和配方函數(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的配方管理。通過選擇對(duì)應(yīng)的配方編號(hào)，操作人員即可方便地調(diào)用保存的全部升溫參數(shù)，大幅減少了工作量。

5 結(jié)束語

新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)采用“PLC+智能儀表”的控制方式，具有多種控制模式，滿足不同條件下的使用，其中PLC實(shí)現(xiàn)模式切換、順序控制、設(shè)備啟停、報(bào)警聯(lián)鎖、狀態(tài)反饋等開關(guān)量輸入輸出功能；智能儀表實(shí)現(xiàn)溫度、流量、轉(zhuǎn)速、壓力等模擬量的測(cè)量和控制功能。采用kingview6.6組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)界面具有模式選擇、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表記錄、報(bào)警顯示、配方管理等多種功能。整套系統(tǒng)功能完善、操作簡(jiǎn)便，安全可靠。投入使用一年多以來，表現(xiàn)良好，運(yùn)行穩(wěn)定，成倍地提高了實(shí)驗(yàn)效率，有力地支撐了相關(guān)催化劑的研發(fā)，受到實(shí)驗(yàn)人員的好評(píng)。