基于DCS的有機熱載體爐電控改造

張永行

（寶武裝備智能科技有限公司南京分公司，江蘇南京 210039）

1 原PLC控制系統的缺點及存在的主要問題

1.1 安全性差

原點火控制閥門為電磁閥，因為工業煤氣中含有一定的雜質，導致電磁閥被堵，閥門動作不靈活甚至不動作，存在煤氣泄漏至爐膛的可能，有一定的安全隱患。同時，由于電磁閥內有垃圾物，導致點火階段煤氣流量不暢，點火成功率低。

1.2 現場環境差

系統控制柜位于機旁，區域高溫高濕，PLC 模塊在高溫環境下運行，大幅降低了模塊的穩定性及使用壽命。同時由于內部設計布局不夠合理，強弱電系統布線無區分，內部成套系統及原理圖不全且有諸多錯誤，導致故障不易排查，故障頻發。

1.3 現場火焰檢測器的結構形式欠佳

直接懸掛在燃燒器上，其防爆等級及防護等級均不符合安全規范要求。

1.4 點火變壓器的安裝形式欠妥

同樣直接懸掛在燃燒器上且設備沒有很好的封裝，因此電氣連接電纜也只能裸露在外面，其防爆及防護等級均不符合安全規范要求，存在嚴重安全隱患。

1.5 空氣流量調節閥沒有開度大小反饋信號

閥門開度要現場人工確認，沒有和點火信號連鎖，導致系統運行存在一定的安全隱患。

1.6 軟件設計有欠缺

原PLC 系統顯示終端采用的是E-view 觸摸屏，各監控點沒有做相應的歷史趨勢記錄、操作記錄等，遇到問題時無法查詢、溯源。如果重新設計、編程組態，費時費力，且該觸摸屏使用不到一年就出現觸摸不靈敏的現象，性能不穩定，影響操作。

1.7 自動化程度不能滿足現場需求

目前所有的監測、控制調節、點火、停爐等操作步驟全部現場手動完成，自動化程度低，增加了操作人員的勞動強度和安全風險。

2 改進措施及方案

對現場控制柜重新設計，并安裝現場控制盤，取消原來的S7-300PLC 柜，消除原DCS 系統只能監控不能控制的缺陷；在現場增加防爆及防護等級滿足要求的接線箱，將火焰檢測器及點火變壓器封裝起來，以達到防爆及防護要求；更換空氣及高煤流量變送器并增加焦煤流量變送器，以便對焦煤流量、高煤流量和空氣流量的大小進行監控；更換空氣調節閥的閥門定位器，增加開度反饋功能，并接入DCS 控制系統中，參與控制；重新編寫控制程序，組態到DCS 中，既可以在現場手動操作，也可以在中控室實現DCS 遠程控制。

3 系統軟硬件

3.1 系統硬件

3.1.1 現場硬件改造

新增防護等級為IP65的電氣操作柜取代原現場PLC 系統控制柜。該新增操作柜的主要功能為：對有機熱載體爐進行點火操作，控制柜上有相應的操作按鈕及狀態指示燈。包括手/自動選擇、啟動、停止、吹掃、檢漏、點火、是否檢測到火焰、急停等。

3.1.2 控制室硬件改造

停用原PLC 控制系統，重新設計DCS 控制系統，在3#焦油裝置的DCS 系統中增加二塊8卡槽底板和10塊FBM 卡，其控制核心移至中央控制室，將有機熱載體爐過程控制點的信號全部接入現有的DCS 系統，使其控制系統的核心遠離惡劣的現場環境，提高了系統安全性、可靠性、穩定性，同時還提高了系統的自動化程度，減輕了操作人員的勞動負荷。除點火時要求操作人員到現場外，對于過程的監控、參數調節等均在中央控制室實現。

3.1.3 新增焦爐煤氣總管壓力檢測

由于原系統中無焦煤壓力檢測點，而焦煤壓力的變化是影響有機熱載體爐控制系統穩定的重要因素之一。增加了焦煤壓力檢測之后，遇到故障時也更便于查找原因、分析溯源等。

3.2 系統軟件

DCS應用軟件組態主要包括控制組態、顯示組態、報警組態、歷史組態等，最終為系統提供一個完整的操作界面。

本項目選用FOXBORO 公司提供的I/A’s70 系列DCS 系統，開發工具為該系統提供的ICC 組態器、FOXDRAW、歷史數據庫、報表工具等。

4 控制策略

4.1 安全點火控制

點火操作分為現場“手動/自動”和遠程“手動/自動”兩種方式。“手動”點火：“手動”狀態下，結合現場操作盤按鈕及信號燈，由現場操作人員按照點火步驟依次完成。“自動”點火：“自動”狀態下，按“啟動”按鈕，則由程序自動完成點火操作。在“手動”或“自動”狀態下，按“停止”按鈕，均可中斷點火。在點火程序執行的過程中，電腦畫面跟蹤顯示相關設備的狀態和儀表參數。

4.2 有機熱載體爐出口溫度控制

4.2.1 總體控制思想

溫度控制調節在點火完成后即可投入運行，如對爐溫升溫速度有限制，可手動調節火力大小，在導熱油出口溫度與設定值偏差較大時投入手動調節，偏差較小時方投入自動調節。

系統正常運行時，當單獨燒焦煤時，爐子出口溫度通過焦煤流量進行串級調節；當焦煤與高煤混合燃燒時，通過手動調節高煤調節閥以及空氣調節閥的開度大小來控制爐膛溫度；正常燃燒時，焦煤、空氣調節閥在程序內設置一個最小開度，不會因為人為因素導致完全關閉。

4.2.2 溫度串級控制

本系統的最終目標是實現爐子的出口溫度相對穩定，波動在一定范圍之內，因為常規的“雙交叉限幅比值控制”方法仍然會出現溫度波動過大情況，所以在常規控制方法基礎上加入“溫度串級”控制，如圖1所示。

圖1 溫度串級-雙閉環交叉限幅比值控制框圖

燃燒過程中采用雙閉環交叉限幅比值控制方法來控制空煤比比例關系，計算得到最佳空煤比比值并轉化為安全閥的限值，將安全閥限值分別回饋給煤氣PID 控制器和空氣PID 控制器，并與設定值進行比較，把比較后的結果作為新的設定值，由執行機構輸出控制，從而實現負荷增加時先增風量再增煤氣量，負荷減少時先減煤氣量再減風量，避免缺氧燃燒。

如圖1 所示，設空氣進風量為Fk。假設空煤比Kfq（進風量/進煤氣量）為Kfqj 時達到最佳燃燒效果，由于燃燒時空氣和煤氣為比例控制，很容易得出最優進煤氣量Fqj 為：

為了保護環境和設備，應盡量避免缺氧燃燒，根據燃燒空煤比例控制關系，煤氣進氣量設定值不應該高于最優值Fqj。如果煤氣初始設定值為Fq-sd0，那么最終的設定值Fq-sd1應為“低選比較器”的輸出結果：

同上結論，當設煤氣進氣量為Fq 時，如果要使燃燒效率最高，則最優的供風量計算公式如下：

同時，為了保證系統安全及系統不會缺氧燃燒，控制系統的供風PID 回路設定值不應該小于最優供風量Fqj。如果本地的供風初始設定值為Fq-sd0，那么經過“高選比較器”得到最終的供風設定Fq-sd1的值為：

當手動設定出口溫度后，系統程序風量和煤氣可以根據系統程序給定條件自動匹配、自動調節，經過溫度串級雙閉環交叉限幅控制的一系列動態調整過程，使煤氣輸入量在設定值區域范圍內，供風量和煤氣量實現最優的燃燒比例。當以上調節過程穩定后，出口溫度控制可以切換到自動控制狀態，從而實現出口溫度的自動控制。

主流程圖畫面可以根據系統運行情況選擇溫度串級或交叉限幅兩種控制方式來調節導熱油出口溫度。同時畫面還具備顯示各種儀器儀表設備狀態和問題報警功能。在I/A’S 系統中，對各模擬量控制點采取歷史趨勢記錄方式，可查詢、追蹤；狀態量控制點也同時采取歷史記錄方式，即每個狀態量發生改變時，在歷史庫中均有相應記錄，方便隨時查詢。

5 系統組態

5.1 硬件組態

在3#焦油裝置的DCS 系統中增加二塊8卡槽底板和10塊FBM 卡，設備安裝在FC2009機柜，信號進CP2005機柜。卡件類型和提供點數如表1所示。

表1 有機熱載體爐改造卡板選型表

5.2 動態參數、設備顯示和操作

采用電腦中控室集中監控，設備各種動態數據、設備狀態能夠直接在工藝流程圖監控畫面上顯示。操作人員可以通過程序自動、中央手動、控制盤按鈕手動或就地手動幾種方法控制設備。

5.2.1 模擬量和PID調節器

參數指示框包括參數位號、參數值、參數單位等信息。手/自動指示塊為調節器專用，顯示調節器的手動、自動狀態。報警指示塊指示報警狀態，無報警時消失，按下可以確認報警。文字含義：HH（高高）、H（高）、L（低）、LL（低低）、UN（未確認）顏色的含義：紅色（HH/LL 報警）、黃色（H/L 報警）、白色（報警消失但未確認）；色彩閃爍時表示報警未確認，不閃爍表示已確認。按下參數指示框可以調出相關顯示/操作窗口。

5.2.2 動態機、馬達、切斷閥等設備

顏色的含義：綠色表示設備未啟動；紅色表示設備正在運行；桔紅色表示故障報警，顏色閃爍表示報警未確認；正常顏色但閃爍表示報警消失未確認。

以上顏色如能覆蓋設備所有信息，且設備不在DCS 上操作，則點擊設備可以確認設備報警；否則點擊設備彈出詳細狀態指示和操作窗口（OVERLAY）。

5.2.3 聯鎖和順控

在流程圖上相關位置設置有按鈕，按下可調出相應的聯鎖或順序控制窗口（OVERLAY），可在OVERLAY 上觀察聯鎖狀態并操作。完成后的主流程畫面如圖2所示。

圖2 主流程畫面圖

畫面從左到右依次是點火條件判斷、點火步驟、現場設備狀態以及指示燈，點火步驟狀態是通過程序邏輯運算得到的，結合右側現場輸入的設備狀態及指示燈雙重監測，從而保證了點火過程安全、順利地進行。利用不同顏色表示點火步驟運行狀態，灰色表示已完成，紅色表示正在執行，綠色則表示尚未執行。

5.3 報警組態

5.3.1 報警級別

1級聯鎖報警；2級參數報警、設備報警；5級通道報警。

5.3.2 報警設備

報警信息會發送給送相關單元操作站的報警鍵盤和報警列表，并發送至歷史庫記錄。報警可在過程報警畫面、流程畫面、組顯示畫面、調節/操作面板上顯示和確認。報警發生時：操作員站蜂鳴器報警。操作員站報警鍵盤上相應畫面左邊的指示燈閃爍，報警確認后指示燈停止閃爍，報警消失指示燈滅。菜單上Process 按鈕紅色閃爍，點擊可調出過程報警畫面，畫面以列表形式列出實時或歷史報警。所有報警可以實時在指定打印機上打出。在本次“有機熱載體爐控制系統在I/A’S 中實現”的改造中，全面、合理選取必要的聯鎖條件，同時將每個停爐保護條件加入歷史庫，結合操作員行為記錄，以便于對停爐原因進行追溯與分析。在I/A’S 系統中，組態其聯鎖監控畫面。

6 結束語

經過改造后的3#焦油有機熱載體爐系統在我公司的同類導熱油系統中具有一定的代表性，其安全性和自動化程度進一步得到了提高。并且，自改造之后運行至今，該有機熱載體爐系統從未因為相關設備問題而引起聯鎖停爐，從而提高了生產效率，優化了管理，給整個裝置的穩定運行提供了保障。