基于PLC的管式加熱爐串級-分程控制系統設計

肖軍，耿青濤

基于PLC的管式加熱爐串級-分程控制系統設計

肖軍，耿青濤

（天津工業職業學院 工業與信息化系，天津 300400）

為提高管式加熱爐被加熱物料出口溫度的精確控制，減小穩態誤差，同時兼顧節能的要求，提出了基于PLC的加熱爐串級-分程控制系統的設計方案，以煤氣作為主要供應燃料，煤氣不足時才使用燃料油。實際運行結果表明，該系統運行平穩，控制精確，節能效果明顯，具有一定的推廣價值。

PLC；管式加熱爐；串級-分程控制

管式加熱爐是原油加熱或重油裂解的重要裝置之一。由于管式加熱爐不僅是一個多容的系統，而且由于加熱爐內有很長的受熱管道，熱負荷很大，如果以加熱爐出口溫度作為被控變量，采用簡單控制系統，會由于控制通道時間常數較大反應緩慢，無法達到爐子的出口溫度變化范圍為 的工藝要求。此外，由于管式加熱爐的能耗較高，隨著國家對節能環保要求的提高，各大煉化企業以降低能耗、提高加熱爐熱效率為主要目的，推出了多種的方案及方法。例如通過設置煙氣余熱回收系統加燃燒空氣的方法提高加熱爐熱效率［1］。針對管式加熱爐的不同熱效率及排煙溫度，提出了經濟排煙溫度概念［2］。采用煙氣回流摻氧助燃技術，提高加熱爐熱效率［3］。本文在保證加熱爐出口溫度的控制精度的前提下，從加熱爐燃料的角度，提出了一種以煤氣作為主要燃料，當煤氣氣量不足時，以燃料油作為補充燃料的串級-分程控制方案，并完成了系統的硬件設計、PLC程序設計以及上位機觸摸屏設計。

1 控制方案設計

由于管式加熱爐存在容量滯后以及時間常數較大，采用串級控制可以較好地克服這些問題，提高控制精度。經與現場操作人員充分溝通獲悉，被加熱油品流量穩定，煤氣和燃料油壓力較為穩定，因此，選取管式加熱爐的出口溫度作為主被控變量，爐膛溫度作為副被控變量組成溫度-溫度串級控制系統，由于增加了副回路，不但能迅速克服作用與副回路中的二次擾動，如：燃料流量、溫度及熱值的變化，也能加速克服主回路中的一次擾動，如：被加熱油料的流量及溫度的變化。由于主副回路相互配合，使控制質量顯著提高。對副控制器的輸出信號進行分程，分別控制煤氣管道控制閥開度和燃料油管道控制閥開度，實現串級-分程控制，如圖1所示。

圖1 管式加熱爐串級-分程控制系統

分程控制方案的本質就是改變以往傳統的一個控制器的輸出控制一個控制閥模式，引入一點雙控的概念，即一個控制器同時控制兩個或多個控制閥的一種回路控制方案。與以往的控制方案相比較，分程控制在一個控制輸出條件下對同一信號或不同信號，通過規則加以區分信號段，利用不同信號段作為不同控制閥的控制源，從而實現以一控多的目的［4］。

對煤氣流量和燃料油流量的分程控制需要借助于安裝在各控制閥上的電氣閥門定位器來實現，通過閥門定位器一方面將電流控制信號轉變為氣壓控制信號，另一方面，將控制器輸出分成幾段信號區間，不同區段內的電流的變化分別通過閥門定位器去帶動各個控制閥實現開度從0%～100%進行變化。分程控制系統的典型框圖見圖1所示。通過對加熱爐技術要求進行分析，當煤氣供應量不足時，應逐漸打開燃料油閥門，使用燃料油為加熱爐加熱；當煤氣量充足時，應關閉燃料油閥門，因此，煤氣流量控制閥和燃料油流量控制閥均應選擇氣開控制閥，控制閥分程動作關系見圖2所示。

圖2 控制閥分程動作關系

由于煤氣流量控制閥和燃料油控制閥均為氣開閥，為正作用；當操縱變量煤氣或燃料油量增加時，副被控變量爐膛溫度也增加，副對象為正作用，按照公式：

(執行器+/-)×（被控對象+/-）×（控制器+/-）=“-”

可知，副控制器 選擇反作用。

當操縱變量煤氣或燃料油量增加時，爐膛溫度和加熱爐出口溫度均增加，主對象為正作用，按照公式：

（主對象+/-）×（控制器+/-）=“-”

可知，主控制器 選擇反作用［5］。

在串級控制系統中，主回路的目的是為了減少穩態誤差、提高控制精度，就本設計而言，由于要對加熱爐的出口溫度進行精確的定值控制，因此，主控制器選定為PID控制器；串級控制系統的副回路是以主控制器的輸出作為設定值的隨動控制系統［6］，對于副回路，控制精度不是主要目的，對出現的二次擾動能夠進行快速、及時的反應并進行“粗調”才是設置副環的目的，因此副控制器的選定為P控制器。

2 系統硬件設計

主要硬件配置如下：

1)控制器采用 SIEMENS S7-200 SMART PLC(SR30)，配有1個模擬量擴展模塊EM AM06，該模塊有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，用于實現爐膛溫度和出口溫度的采集、控制閥的手動控制和自動控制［7］。

2) 加熱爐爐膛的溫度測量選用SBWR-4360一體化溫度變送器，S分度號，測溫范圍0～1 600 ℃，輸出4～20 mA。加熱爐出口溫度由于較低，選用PT100熱電阻測溫，型號HG-301，量程為 0～400 ℃，輸出4～20 mA。

3）觸摸屏選用MCGS(TCP7062Ti)，要求實時顯示現場的溫度、對控制回路的PID參數進行設置，并能通過觸摸屏對系統進行啟動、停止和急停。

4) 控制閥選擇氣動薄膜直通單座調節閥，并為每個控制閥配備相應的閥門定位器。

此外，硬件還應包括啟動/停止開關、急停按鈕、指示燈以及控制閥的手動調節電位器等。

PLC的I/O地址分配如表1、表2所示。

表1 PLC 輸入地址分配表

表2 PLC 輸出地址分配表

兩個溫度變送器接到電器柜中的PLC模擬量輸入端子時，需要各串接一個250 Ω的電阻，將4～20 mA電流信號轉變為1～5 VDC的電壓測量信號，系統硬件設計如圖3所示。

3 程序設計

3.1 PLC硬件組態

在編寫程序前，需要完成PLC硬件組態，硬件組態兩個內容，一是選擇正確的PLC型號，本設計選擇的CPU型號為SR30，打開S7-200 SMART PLC的系統塊，在第一行的“CPU”選項中，選擇“CPU SR30(AC/DC/Relay)”；

圖3 系統硬件設計圖

二是為PLC添加EM AM06擴展模塊，在 PLC的系統塊列表的第3行“EM0”位置點擊“模塊”，在出現的下拉菜單中選中“EM AM06(4AI/2AQ)”后，點擊對話框的“確定”按鈕，完成EM AM06模塊的添加。PLC自動為該模塊分配地模擬量輸入寄存器AIW16～AIW22和模擬量輸出寄存器AQW16、AQW18。輸入/輸出通道的信號格式可選擇0～20 mA或-10～10 VDC，結合本設計，輸入通道均選擇-10～10 VDC信號輸入，輸出通道選擇0～20 mA信號輸出。

在S7-200 SMART PLC中，模擬量輸入0～20 mA線性對應模擬量輸入寄存器中數值0～27 648，-10～10 VDC線性對應模擬量輸出寄存器中數值-27 648～27 648。

3.2 PLC程序設計

PLC程序設計采用模塊化編程結構，包括：主程序、初始化子程序、定時中斷程序、自動運行子程序、手動控制子程序以及急停子程序。主程序主要實現了根據不同條件接通或斷開相應子程序和指示燈的狀態顯示的功能；初始化子程序的作用是設置100 ms的定時中斷、連接中斷以及開中斷；定時中斷程序的作用是每隔100 ms采集現場的溫度數據并進行標準化、主副回路執行PID指令并對運算結果進行反標準化；在自動運行子程序中，可以通過觸摸屏對主副回路的PID參數進行設置、設置加熱爐出口溫度，將現場實時溫度數據上傳到觸摸屏；在手動控制模式下，可以通過電位器或觸摸屏上的相應構件對兩個控制閥的開度進行操作；急停子程序的功能是立即將控制閥關閉并進行相應的動作，PLC程序運行流程圖見圖4所示。

圖4 PLC程序運行流程圖

由于設計上要求通過觸摸屏不僅能實現對控制系統的啟停/停止切換、手動/自動切換以及急停操作，而且還要具有實時溫度顯示、閥門手動控制、PID參數設置以及加熱爐出口溫度設置等功能，這就需要在觸摸屏的工程組態過程中建立相應的通道，實現與PLC的數據通信，觸摸屏的通道地址見表3所示。

表3 觸摸屏的通道地址一覽表

串級控制系統有兩個控制器，所以在程序中需要兩個PID指令。S7-200 SMART PLC的PID指令要求指定PID回路表的回路號和首地址，回路表的首地址一旦確定，則以首地址為起始的連續80個字節，以每4個字節作為一個單元就有了固定含義。在本設計中，主回路的PID指令首地址設置為VB100，則VD100存放出口溫度測量值、VD104存放設定值、VD108存放PID運算結果，VD112、VD120、VD124分別存放回路表的P、I、D參數值等。副回路的PID指令首地址設置為VB200，則VD200存放爐膛溫度測量值、VD204存放設定值、VD108存放P運算結果等。在編程中還要注意各個存儲單元的數據格式以及數據范圍，如：測量值和設定值要求的數據為0.0～1.0的實數，P、I、D參數值對應的存儲單元要求的數據格式均為實數,如圖5所示。

圖5 自動運行子程序中關鍵程序

回路表中增益 存儲單元的正負決定了控制器的正反作用， 為正數時控制器為反作用， 為負數時控制器為正作用。在本設計中，由于主副控制器均為反作用，因此主副回路中的 均設置為正數。

由于回路表中的設定值存儲單元要求的數據為0.0～1.0的實數，而通過觸摸屏輸入框設置的是實際溫度值，因此要對該值進行處理，變為0.0～1.0的實數，這可以通過將實際設置的溫度值除以儀表的量程進行轉換。在本設計中，加熱爐出口溫度測量變送器的量程為0～400 ℃，所以將實際溫度值除以400，轉變為回路表要求的0.0～1.0的實數。實際測量溫度的顯示可以直接將回路表中已經標準化后的數據直接乘以儀表的量程，轉換為實際的溫度值。

定時中斷程序中每100 ms執行一次，實現了以下功能： ①讀取溫度數據并進行標準化后放入測量值存儲單元；②主副回路PID指令的執行；③將主回路的PID計算輸出值賦值給副回路的設定值存儲單元以組成串級控制系統；④副回路的P計算輸出值的反標準化以及通過EM AM06的模擬量端口輸出4～20 mA的控制信號。

在程序編寫過程中還要注意：溫度變送器經串聯250 Ω電阻，轉換為1～5 VDC的信號送到EM AM06的模擬量輸入端口，但是由于模擬量輸入信號為10～10 VDC，對應數據-27 648～27 648，要將溫度變送器的測量值轉換為實數，再標準化為0.0～1.0的實數。

副回路運算后的輸出值同樣需要先進行反標準化為5 530～27 648，對應模擬量端口輸出4～20 mA，與電氣閥門定位器的輸入信號匹配。

4 觸摸屏組態工程設計

觸摸屏組態設計包括：添加S7-200 SMART PLC的設備驅動、添加設備通道、設置IP參數、監控畫面組態設計等步驟［8］，其中，在設置觸摸屏IP地址時，要將其網段與PLC的IP地址網段設為相同，以實現以太網通信。整個組態工程包括：用戶登錄界面、主界面、手動控制畫面和自動運行畫面。用戶登錄界面針對管理員和操作員用戶設置不同的登錄名和密碼，具有不同的操作權限。操作員只能監控組態運行界面和進行常規操作；管理員具有更改PID參數、重置出口溫度設定值等權限。在主畫面中可以選擇進入手動操作畫面或自動運行畫面；在手動操作畫面中，可以通過滑塊進行5 530～27 648的數值設置，實現模擬量4～20 mA的變化，從而對控制閥進行開度調節；自動運行畫面主要實現了主副回路PID參數的設置、出口溫度的重置，實時溫度的顯示以及系統運行狀態顯示等功能。

5 結束語

管式加熱爐串級-分程控制系統，以PLC作為控制器，通過串級控制系統的設計實現對加熱爐出口溫度進行精確控制，通過分程控制實現優先使用煤氣，燃料油作為補充的控制方式，該系統經過在河南某市的煉油廠站半年多的實際運行表明, 該系統穩定平穩可靠，控制精度高，節能效益明顯，達到了設計的預期效果。

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Design of Cascade-split Control System of Tubular Heating Furnace Based on PLC

（Department of Industry and Information Technology, Tianjin Polytechnic College, Tianjin 300400, China)

In order to improve the precise control of the outlet temperature of the heated material of the tubular heating furnace, reduce the steady-state error, and take into account the requirements of energy saving, a PLC-based design scheme of the heating furnace cascade-split control system was proposed, by using coal gas as the main fuel supply and only using fuel oil when gas is insufficient. The actual operation results show that the system runs smoothly, has precise control, and has obvious energy-saving effect. It has a certain promotion value.

PLC; Tubular heating furnace; Cascade-split control

2020-08-06

肖軍（1973-），男，講師，碩士，河南省安陽市人，2007年畢業于昆明理工大學信息與自動化學院，研究方向：自動化及過程控制研究及教學。

TQ 050.2

A

1004-0935（2020）09-1089-05