基于MCGS連續立式焦爐控制系統設計

楊鵬飛 李 文 楊 鈺 高 鵬 羅 哲

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，永州 425199）

焦炭在工業和生活中的應用十分廣泛，特別是在化工、冶金、機械等領域[1]。焦爐是焦炭生產的主要設備，但傳統的生產工藝（尤其是一些小的焦爐）落后，自動化低，基本靠人工調節，這都大大降低了生產率，不僅生產出來的焦炭品質也較差，還極易產生污染，特別是原料進口的煤粉、出口產生的焦粉、生產中燃燒時產生的煤氣以及炭化時產生的廢氣[2]。針對以上4種污染物，行業專家采用了更方便、更可靠的全封閉直立式焦爐，該焦爐可以連續生產無需停機，同時能大大降低產生的污染物[3-6]。此次所選的立式焦爐結構是在炭化室兩邊各夾一個燃燒室，燃燒室兩邊則夾著兩個蓄熱室。煤氣通常從底部的蓄熱室進入，通過蓄熱室后進入兩側的燃燒室進行反應，反應結束后則從另一個蓄熱室排出[7]。

本文針對此直立式焦爐的生產工藝和燃燒的特點[8]，結合過程反饋控制原理，設計了基于MCGS設計系統的組態監控程序和PLC為核心的電氣控制體系。實現了焦爐溫度控制的智能化，節省了大批的人力成本。

1 加熱反饋控制方案的實施過程

反饋控制過程的原理就是根據獲取輸出變量，并將輸出變量與目標值進行比較計算，通過調節輸入量從而將輸出量無限接近目標值的過程[9]。對于焦爐的生產工藝，輸出變量即煤氣的使用量以及在限定的結焦時間內焦炭的合格率。目標值則是煤氣的使用量越低越好，輸入量則是煤氣使用量[10]。通過的焦爐的生產工藝的分析發現焦爐的過程反饋控制主要要解決的問題有3點：一是如何進行實現火道溫度的連續檢測；二是目標火道溫度的選擇過程；三是反饋后的偏差值如何進行修正[11]。

1.1 火道溫度的檢測

本系統的火道溫度主要是通過熱電偶傳感器采集得到，在燃燒室中，分別在上、中、下部位布置定量熱電偶傳感器，測量燃燒室內的內部溫度。通過采集得到的電信號轉化成量化值并對上中下的量化值取其平均數得到的即認定為焦爐的溫度[12]。

1.2 目標火道溫度的控制

目標火道溫度是理想情況下火道的溫度值，是在限定結焦時間下焦炭合格率的一個重要工藝指標，合理的目標火道溫度對焦炭的質量也有很大的影響[13]。

1.3 溫度反饋控制策略

火道溫度的過程反饋控制系統是根據火道溫度的檢測值與目標火道溫度的控制值進行偏差計算，并通過控制煤氣流量修正火道溫度[14]。但是，焦爐中燃燒室的燃燒反應過程復雜多變要建立精準的供熱量與煤氣流量或者溫度與供熱量的數學模型較為困難[15]。目前，大部分采用的都是一個經驗策略，即通過煤氣的普遍燃燒后產生的熱量值與能提高的溫度值進行一個比例計算后作為一個數學模型，當焦爐需要提高定量溫度時，則通過該數學模型提供對應數量煤氣量；當需要降低溫度時則，減少相應數量煤氣流量[61]。

2 硬件配置及控制程序

2.1 硬件配置

本設計選擇的某焦爐系統共有28個室，因此系統采用了4塊CUP224，4個CUP之間通過工業以太網直接和上位機連接。進行控制和數據的處理；采用了S鉑銠10-鉑傳感器其溫度測量范圍0～1600℃；采用EKS變送器，其溫度變送范圍在150～1600℃，精度0.5，輸出信號4～20mADC。

2.2 PID程序設計

控制系統中輸入/輸出數值轉換方法：系統中的溫度設定值為目標火道溫度值SP，火道溫度為控制變量（并非完全過程變量PV，過程變量PV與PID輸出量有關）。熱電偶溫度傳感器傳回來是溫度信號（電信號），需將該溫度信號通過轉化器轉化為標準信號才能輸入系統[17]。該系統用的變送輸入信號通過EM235轉化后即為數值信號，在將該數值信號通過A/D模擬量單元進行輸入。

回路輸出變量的數據轉換：本設計中，進行完平均值求解后，系統內的數據存儲形式是實數，輸出時必須是整數，因此需要將其轉換成整數類型。

PLC無法直接提供將實際數值轉化成整數的指令，因此需要先將實數轉化為雙整數，在通過程序將雙整數再次轉化為整數[18]。

2.3 程序設計

采用1個燈來顯示過程的狀態。S鉑銠10-鉑傳感器負責檢測加熱爐中的溫度，通過EKS變送器把溫度信號轉化成對應的電流信號，經過PLC模數轉換后進行PID調節。根據PID輸出值來控制下一個周期內的加熱。選擇的實例總共有28個燃燒室，需要有28個PID回路，而每個PLC只有8個PID控制回路，因此需要有4個CPU來控制。每個PLC控制7路，即每個回路有兩個溫度的值被傳送到PLC中并進行平均值計算后將值傳送到PID模塊中進行計算后傳送到調節閥中，進行調節。以一路PID回路的編程和圖樣為例，其他的均按照同樣的設計。I/O點地址分配如表1所示。

表1 I/O點地址分配

主程序的梯形圖如圖1所示，其他子程序無法一一展示。

圖1 程序示意圖

2.4 人機交互的設計

本系統使用的是基于MCGS設計系統的一種人機交互模式。該設計系統基于Windows系統開發的一種能快速與上位機監控程序連接并建立組態的軟件包，能為用戶提供數據采集、數據處理、設備驅動、動態畫面、過程控制、曲線輸出和實時數據輸出等功能[19]。

MCGS運行時主要是調用對應的設備程序，并將調用的程序內采集的數據傳輸到相應的部位[20]。連續直立式焦爐的整個通信及運行示意圖如圖2所示。下位機由智能儀表構成，實現對溫度和流量數據的采集和控制。

為使MCGS所設計畫面能隨下位機所檢測到的參數而動，必須給動畫的原件進行賦值，這就需要定義實時數據進行賦值，本系統的實時數據參數定義如圖2所示。

添加具體設備后進入參數設計，將PLC中的地址與實時數據建立通道連接，從而與建立PC與下位機的連接。并進行一些MCGS運行策略的編寫，從外圍來連接，至此建立了人機界面。

圖2 實時數據參數

以上是本系統的硬件、PID、程序設計及MCGS人機交互界面的設計情況，通過該系統可以實現焦爐系統的智能控制及監測大大提高生產率。

3 結語

本系統采用西門子PLC為現場控制器，實現了焦爐火道溫度的良好控制，運行結果表明，焦爐反饋控制系統在實際的應用中整體控制效果良好，大大降低了傳動焦爐容易出現的溫度波動，同時能保證焦爐的連續工作，促使煤氣的燃燒更充分合理。本文采用的基于MCGS設計系統的模擬組態畫面能保證操作人員實時的對焦爐系統的連續運作進行實時監控。