鐘罩窯控制系統(tǒng)的升級(jí)改造

李 凱

（中國(guó)石化催化劑有限公司 長(zhǎng)嶺分公司，湖南 岳陽(yáng) 414012）

0 引言

某催化劑公司有兩臺(tái)20 世紀(jì)90 年代從國(guó)外進(jìn)口的鐘罩窯設(shè)備，用于分子篩產(chǎn)品的焙燒。由于使用年限已長(zhǎng)，部分設(shè)備開始老化，故障率逐漸增高，而且控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，需要操作人員手動(dòng)參與設(shè)置，這不僅增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了控溫精度，而且還不能準(zhǔn)確地執(zhí)行產(chǎn)品焙燒工藝，極大地影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 改造前的設(shè)備及控制系統(tǒng)介紹

1.1 鐘罩窯設(shè)備

鐘罩窯采用窯式設(shè)備對(duì)物料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間焙燒反應(yīng)。生產(chǎn)前，先將窯體升起，將堆放物料的活動(dòng)小車推入窯體內(nèi)，再將窯體下降，讓物料完全置入窯體內(nèi)，點(diǎn)火，升溫，焙燒，通過尾氣風(fēng)機(jī)在窯體底部抽吸，讓窯內(nèi)壓力在微正負(fù)壓之間波動(dòng)，形成良好的焙燒反應(yīng)氣氛。

1.2 舊控制系統(tǒng)

原設(shè)備控制系統(tǒng)如圖1 所示。需要操作人員手動(dòng)先依次啟動(dòng)尾氣風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)，再手動(dòng)開始系統(tǒng)吹掃，吹掃時(shí)間完成后，再手動(dòng)進(jìn)行1#、2#、3#火嘴的手動(dòng)點(diǎn)火，然后再對(duì)4#、5#、6#火嘴進(jìn)行手動(dòng)點(diǎn)火。當(dāng)6 個(gè)火嘴全部點(diǎn)燃后，啟動(dòng)溫度曲線開始升溫。溫度曲線走完后，熄滅所有火嘴，開始降溫。當(dāng)溫度降至80℃以下，手動(dòng)關(guān)閉一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、尾氣風(fēng)機(jī)。

圖1 原設(shè)備控制系統(tǒng)Fig.1 Original equipment control system

2 控制系統(tǒng)升級(jí)改造

由于生產(chǎn)工藝的特殊性，必須保證物料有40 個(gè)小時(shí)以上的加熱反應(yīng)時(shí)間，普通焙燒爐無(wú)法滿足工藝要求，重新研發(fā)需要很長(zhǎng)時(shí)間，且不能保證完全滿足需要。因此，在生產(chǎn)任務(wù)緊張的情況下，只能對(duì)兩臺(tái)鐘罩爐在設(shè)備、原控制邏輯不變的基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

2.1 舊控制系統(tǒng)的功能缺陷

原設(shè)備采用老式的溫控表控制，聯(lián)鎖邏輯由繼電器實(shí)現(xiàn)，由于年久失修，頻繁出問題。備用器件的更換也比較繁瑣，部分功能已經(jīng)永久失效了。有如下幾個(gè)方面需要進(jìn)行升級(jí)改造：

1）控制系統(tǒng)由多個(gè)溫控表控制，有控制精度低，響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)[1]。

2）控制系統(tǒng)的電纜、儀表等使用時(shí)間較長(zhǎng)，需要更換，以保證信號(hào)和控制的精度。

3）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄采用的是有紙記錄儀，且已經(jīng)喪失記錄功能。

4）電機(jī)啟停只能在電機(jī)柜柜面操作，比較繁瑣。

5）原調(diào)節(jié)閥均為模糊控制方式，控制精度不高；繼電器頻繁動(dòng)作，報(bào)修率非常高，一、兩個(gè)星期就需要更換一批繼電器。

6）溫度控制的不精確導(dǎo)致爐內(nèi)溫度分布不均勻，使焙燒出的部分產(chǎn)品不合格，給生產(chǎn)效益帶來(lái)較大影響。

2.2 升級(jí)改造的難點(diǎn)

因?yàn)橐谠O(shè)備及舊的控制邏輯基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，主要有以下幾個(gè)方面的難點(diǎn)需要一一克服：

1）需要研究當(dāng)初鐘罩窯的原始設(shè)計(jì)圖紙，以確保保留原主要控制聯(lián)鎖邏輯關(guān)系。為此，設(shè)計(jì)人員借閱了當(dāng)初的設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)200 多頁(yè)全英文的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了詳細(xì)的研究，最后完全掌握了原設(shè)計(jì)圖紙的控制聯(lián)鎖邏輯關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)原有聯(lián)鎖邏輯關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 系統(tǒng)IO點(diǎn)數(shù)表Table 1 System IO points table

2）溫度的精確控制是產(chǎn)品品質(zhì)的保證，既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。難點(diǎn)在于：①窯體溫區(qū)距離較近，加熱相互干擾；②由于是下部3 個(gè)溫區(qū)，上部3 個(gè)溫區(qū)，下部溫區(qū)的加熱對(duì)上部溫區(qū)影響較大；③因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行時(shí)，尾氣風(fēng)機(jī)會(huì)持續(xù)運(yùn)行，窯內(nèi)壓力會(huì)在微正壓和微負(fù)壓之間來(lái)回波動(dòng)，對(duì)溫度的控制有一定的影響。

3）為了減少操作人員的人工干預(yù)，新的控制系統(tǒng)應(yīng)盡量自動(dòng)化，保證工藝條件的統(tǒng)一性。

3 系統(tǒng)的升級(jí)改造

對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)改造主要分為以下幾個(gè)方面：

3.1 電機(jī)控制柜的改造

原電機(jī)控制柜只能就地現(xiàn)場(chǎng)控制，無(wú)法將電機(jī)狀態(tài)上傳，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停。故對(duì)電機(jī)控制柜進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程啟停，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電機(jī)狀態(tài)。

3.2 舊儀表及電纜的更換

舊儀表及電纜使用時(shí)間較長(zhǎng)，為保證后期控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸及控制精度，將原有的儀表及電纜進(jìn)行了更換。

3.3 新的控制系統(tǒng)

新的控制系統(tǒng)配備了兩臺(tái)電腦作為操作員站，采用S7-300 PLC 對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行集中處理。

1）控制系統(tǒng)的I/O 點(diǎn)數(shù)

本系統(tǒng)的I/O 點(diǎn)數(shù)見表1。

2）控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)系統(tǒng)的I/O 點(diǎn)數(shù)，配置了如表2 所示PLC 板卡。

3）控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖2 所示。

本系統(tǒng)采用S7-300 系列PLC，適用于中等工業(yè)控制場(chǎng)合，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)運(yùn)算具有較高的處理能力，同時(shí)具有PID 運(yùn)算功能[2]。

4 控制系統(tǒng)升級(jí)改造后

升級(jí)改造后的控制系統(tǒng)，如圖3 所示。操作界面一目了然，各種按鈕清晰可見，操作簡(jiǎn)單易懂，無(wú)需人工干預(yù)，控溫精準(zhǔn)，能夠很好地滿足工藝曲線進(jìn)行升溫焙燒，各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中顯示，方便查看，還有歷史曲線方便追溯查詢。

表2 PLC板卡Table 2 PLC board

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Control system topology

圖3 新控制系統(tǒng)操作界面Fig.3 Operation interface of new control system

4.1 爐膛溫度控制

1）點(diǎn)火控制

由PLC 控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作員發(fā)出點(diǎn)火命令，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)爐膛進(jìn)行吹掃，吹掃完畢即打開燃?xì)忾y，關(guān)小風(fēng)門并給點(diǎn)火變壓器通電開始打火；系統(tǒng)檢測(cè)到火焰，顯示火焰正常即進(jìn)入溫度控制階段；如果系統(tǒng)未收到火焰燃燒信號(hào)，即點(diǎn)火失敗，則程序自動(dòng)關(guān)閉點(diǎn)火電磁閥，并發(fā)出聲音報(bào)警，人為排除故障后方可再次點(diǎn)火。當(dāng)爐頂測(cè)溫值超過800℃時(shí)，可直接通入燃?xì)恻c(diǎn)火，不需要吹掃。

2）程序升溫

系統(tǒng)判斷燃燒器燃燒正常后即進(jìn)入程序升溫階段，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的升溫曲線進(jìn)行升溫，通過曲線的形勢(shì)實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)溫度值以及升溫時(shí)間，使操作員一目了然地看到現(xiàn)在溫度點(diǎn)所處的階段。操作員僅需要設(shè)置目標(biāo)溫度和目標(biāo)時(shí)間，所有的操作都可由程序自動(dòng)完成。升溫過程中，二次風(fēng)風(fēng)量也根據(jù)曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。在升溫過程中可以隨時(shí)對(duì)單個(gè)燒嘴切換為手動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制閥門開度。

新的控制系統(tǒng)，可存儲(chǔ)10 條預(yù)設(shè)升溫曲線，當(dāng)更改工藝升溫時(shí)，只需要選擇相應(yīng)的曲線即可，無(wú)需像之前的溫控表一樣，對(duì)每段溫度值進(jìn)行手動(dòng)輸入，極大地節(jié)省了時(shí)間和工作量。

3）4 個(gè)溫區(qū)的PID 控制

鐘罩窯系統(tǒng)共4 個(gè)溫區(qū)，但是有6 個(gè)火嘴，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，因此采用PID 控制方式。PID 控制是目前應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)溫控技術(shù)，PID 控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，是一種線性控制器，控制規(guī)律為：

其中，Kp 為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)[3]。

一號(hào)溫區(qū)在窯體右側(cè)下部，由1#、3#火嘴和1#一次風(fēng)閥控制火力；三號(hào)溫區(qū)在窯體左側(cè)上部，由5#、6#火嘴和3#一次風(fēng)閥控制火力。二號(hào)溫區(qū)和四號(hào)溫區(qū)分別由1 個(gè)火嘴和1 個(gè)風(fēng)閥組成。三號(hào)溫區(qū)和四號(hào)溫區(qū)由于處于窯體上部，受到下部一號(hào)和二號(hào)溫區(qū)的影響較大，使得各區(qū)的PID 參數(shù)難以確定，計(jì)算復(fù)雜，所以在參數(shù)設(shè)置上，必須以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置參數(shù)，觀察反饋的結(jié)果，并逐步將參數(shù)優(yōu)化至最佳。

經(jīng)過摸索試驗(yàn)，最終確定了四區(qū)的加熱參數(shù)，增益系數(shù)分別為1.26、1.26、0.81、1.53，積分時(shí)間分別為45.9s、35s、96.3s、13.4s，微分時(shí)間分別為11.5s、8.8s、25.6s、3.5s，其他參數(shù)這里不再贅述，實(shí)際溫度控制做到了±50℃。

4.2 鐘罩窯爐膛壓力控制

鐘罩窯內(nèi)的系統(tǒng)壓力控制是僅次于窯內(nèi)溫度控制的重要因素，是滿足工藝要求和保證產(chǎn)品合格率的重要指標(biāo)。因此，設(shè)置PID 控制回路，由爐膛微壓變送器、尾氣風(fēng)機(jī)閥門組成，最終可實(shí)現(xiàn)±10Pa 的精準(zhǔn)壓力控制。

4.3 燃?xì)鈮毫β?lián)鎖保護(hù)

鐘罩窯控制系統(tǒng)中，對(duì)燃燒器一次風(fēng)和二次風(fēng)都設(shè)有壓力開關(guān)，檢測(cè)風(fēng)壓是否超出安全值。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，燃?xì)庀到y(tǒng)的風(fēng)壓報(bào)警和聯(lián)鎖是強(qiáng)制執(zhí)行的，避免發(fā)生因沒有風(fēng)壓而造成停爐或燃?xì)庑孤﹩栴}。該系統(tǒng)中壓力安全聯(lián)鎖是通過現(xiàn)場(chǎng)壓力開關(guān)檢測(cè)風(fēng)壓，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)壓異常時(shí)，壓力開關(guān)送出信號(hào)到PLC，PLC 產(chǎn)生報(bào)警或聯(lián)鎖燃?xì)忾y門關(guān)閉。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）新的控制系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行15 個(gè)月，運(yùn)行穩(wěn)定，啟停方便，控制精度超過預(yù)期。

2）改造后，窯內(nèi)無(wú)異常溫度死角，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的產(chǎn)品全部合格。

3）優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動(dòng)化水平，系統(tǒng)控溫準(zhǔn)確。

4）針對(duì)本系統(tǒng)專門研發(fā)了一套聯(lián)鎖邏輯保護(hù)關(guān)系，確保在各種情形下能保證鐘罩窯系統(tǒng)的安全，大幅改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件。