王秋平 張 進(jìn) 魏 浩 陳志強(qiáng) 張 淼

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統(tǒng)

王秋平 張 進(jìn) 魏 浩 陳志強(qiáng) 張 淼

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對撫順式干餾爐水盆加水自動化程度低的問題，采用S7-200 PLC和組態(tài)王設(shè)計(jì)水盆自動加水控制系統(tǒng)。在分析水盆工藝的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的硬件組成、部分軟件流程和組態(tài)王監(jiān)控畫面。測試結(jié)果表明：該撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能及時(shí)、自動地調(diào)整水盆液位并記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以完全取代人工操作。

自動加水控制系統(tǒng) 水盆 撫順式干餾爐 PLC 組態(tài)王 PID控制器

撫順式干餾爐具有對頁巖適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡單及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，撫順式干餾爐自動化程度低，其現(xiàn)場電動閥門主要為手動控制，現(xiàn)場操作環(huán)境惡劣，而且人為誤操作和現(xiàn)場事故發(fā)生概率較高[1]。近年來，隨著煉油工藝技術(shù)水平的不斷完善與發(fā)展，油頁巖煉油廠自動化控制受到越來越多的重視。

撫順式干餾爐是油頁巖煉油裝置的核心設(shè)備，主要完成對頁巖的干餾。其基本工藝過程為：干餾爐內(nèi)的油頁巖與煙氣和來自加熱爐的熱瓦斯混合，通過加熱實(shí)現(xiàn)干餾過程，從而裂解釋放出含有頁巖油的瓦斯、蒸汽及油煙氣等多種混合氣體；這些氣體通過干餾爐瓦斯集合管被收集后分離出頁巖油[2]；干餾后的爐渣經(jīng)底部水盆冷卻后用除灰鐵鍬排出爐外。

水盆一方面使?fàn)t內(nèi)瓦斯氣體與爐外空氣隔絕(即水封，以保證爐膛的充分燃燒，從而確保干餾過程達(dá)到最佳溫度)，另一方面對爐灰起到降溫的作用。如果水盆水位過低，將導(dǎo)致大量的冷空氣從爐底進(jìn)入干餾爐，引起爐膛負(fù)壓不穩(wěn)、燃燒惡化甚至滅火，直接影響干餾效率。目前，大多工廠仍然靠人工定期巡查和手動調(diào)節(jié)閥門開度來實(shí)現(xiàn)水盆液位恒定的目標(biāo)，這種方式不僅效率低，控制效果較差，同時(shí)也降低了煉油廠的經(jīng)濟(jì)效益。針對此現(xiàn)狀，筆者探索研究了一種基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水盆液位的自動控制。

水盆(圖1)是由6塊帶有弧度的鐵板用螺絲連接而成的盆狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)水盆安置在鑄鋼球架上，與干餾爐爐體不連接。水盆兩側(cè)設(shè)有兩個(gè)對稱的除灰鐵鍬，用角鐵固定在干餾爐平、裙板上并與爐底成45°角，在東西水平軸線上與爐體成15°角，鐵鍬下端伸入水封中，與排灰器和水盆配合起到除灰的作用[3]。

圖1 水盆結(jié)構(gòu)

正常工作時(shí)，水盆底部的齒輪(即盤牙)隨著爐內(nèi)頁巖的干餾情況在變頻器的調(diào)節(jié)下按一定速率旋轉(zhuǎn)，將干餾爐爐膛內(nèi)的爐渣通過鐵鍬排出水盆。

干餾后的高溫頁巖半焦與水盆中的水接觸后會產(chǎn)生大量蒸汽，半焦降溫的同時(shí)使水盆中的水迅速減少。除此之外，水盆中的水還會隨著爐渣被擋板排出水盆，造成水的大量流失。如果要保持爐內(nèi)瓦斯氣體與爐外的空氣隔絕，當(dāng)水盆中的水減少時(shí)，就需增加水量。

目前油頁巖煉油廠自動化水平較低，水盆內(nèi)水位的控制還是人工控制，即采取每20min人工到現(xiàn)場觀察的方式，決策當(dāng)前時(shí)刻水盆內(nèi)的水量是否滿足水封效果的要求。如果不滿足要求，則通過人工手動調(diào)節(jié)方式，調(diào)整就地閥門的開度，實(shí)現(xiàn)水盆水位的控制。這種方式很難滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。如果水位過高，則出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，造成環(huán)境污染；反之就會使水封效果減弱，導(dǎo)致干餾爐內(nèi)進(jìn)入大量空氣，引發(fā)事故。

2 水盆自動加水控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)原理

由煉油生產(chǎn)工藝過程可知，水盆內(nèi)的水位主要受水盆轉(zhuǎn)速和干餾爐爐渣溫度的影響。當(dāng)水盆轉(zhuǎn)速升高時(shí)，水盆內(nèi)水位會迅速降低；爐渣溫度升高時(shí)，水的蒸發(fā)量增大，從而導(dǎo)致水盆內(nèi)水位大幅度下降[4]。為實(shí)現(xiàn)水盆液位的自動控制，系統(tǒng)除了需要具有水盆水位的連續(xù)調(diào)節(jié)控制功能外，還需要具有較強(qiáng)的抗水盆轉(zhuǎn)速和干餾爐爐渣溫度外部干擾的功能。

根據(jù)以上控制要求，水盆自動加水控制系統(tǒng)采用單回路控制技術(shù)。控制器選擇工業(yè)中應(yīng)用廣泛、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、程序設(shè)計(jì)方便靈活、價(jià)格便宜的小型PLC控制器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇可接收4～20mA電流信號的自動調(diào)整閥。由于水盆中的水油污較大，故測量變送器采用非接觸式測量儀表——超聲波液位計(jì)?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 水盆自動加水控制系統(tǒng)原理框圖

2.2硬件部分

控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)液位設(shè)定值實(shí)現(xiàn)液位的自動控制，為此，需實(shí)時(shí)采集水盆中的液位，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來調(diào)整閥門的開度。因此系統(tǒng)的輸入信號有手/自動切換數(shù)字量信號(DI，24V)、超聲波液位計(jì)測量信號和調(diào)節(jié)閥開度反饋模擬量信號(AI，4～20mA)。系統(tǒng)的輸出信號有高低液位報(bào)警數(shù)字量信號(DO，24V)和調(diào)節(jié)閥控制模擬量信號(AO，4～20mA)，詳見表1。

表1 PLC變量

根據(jù)上述分析，控制器選擇PLC S7-200 CPU226，可支持24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，完全適用于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。模擬量擴(kuò)展模塊選用EM235，具有4路模擬量輸入通道和1路模擬量輸出通道，可以滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

2.3軟件部分

工業(yè)PID控制是一種基于誤差來消除誤差的控制策略，即用誤差的過去、現(xiàn)在及其變化趨勢的加權(quán)來消除誤差的控制策略。水盆液位維持在一定范圍內(nèi)即可保證撫順式干餾爐的正常工作，所以本系統(tǒng)無需達(dá)到精確的控制，允許存在少量誤差，因此采用PID調(diào)節(jié)器來完成控制任務(wù)[5]。

控制方案：PLC通過模擬量輸入/輸出模塊EM235采集超聲波液位計(jì)發(fā)出的4～20mA信號，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后與液位設(shè)定值進(jìn)行比較；將比較得出的偏差轉(zhuǎn)換為控制量輸出給電動調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥根據(jù)接收到的4～20mA電流信號對閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水盆自動加水，從而達(dá)到調(diào)整液位的目的。基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統(tǒng)流程

其中，CPU226中的PID指令程序如下：

LD SM0.1//在首次掃描調(diào)用初始化子程序

CALL SBR_0

LD SM0.0//裝載PID參數(shù)并連接PID中斷服務(wù)程序

MOVR 0.75，VD104//液位設(shè)定值75%

MOVR 0.25，VD112//裝入回路增益0.25

MOVR 0.1，VD116//裝入回路采樣時(shí)間0.1s

MOVR 30.0，VD120//裝入積分時(shí)間30.0min

MOVR 0.0，VD124//關(guān)閉微分作用

MOVB 100，SMB34//設(shè)定中斷時(shí)間間隔100ms

ATCH INT_0，10//設(shè)定定時(shí)中斷執(zhí)行PID程序

ENI//允許中斷

LD SM0.0//將PV轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)

ITD AIW0,AC0//將整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)

DTR AC0，AC0//將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)

/R 32000.0,ACO//將數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化

MOVR AC0，VD100//將標(biāo)準(zhǔn)化后的PV存入回路表

LD I0.0//在自動模式下執(zhí)行PID指令

PID VB100，0//回路表起始地址VB100，回路號0

LD SM0.0//模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存入累加器

MOVR VD108，AC0//PID控制器的輸出值送入累加器

*R 32000.0，AC0//將累加器中的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化

ROUND AC0，AC0//實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)

MOVW AC0，AQW0//將16位整數(shù)寫入模擬量輸出D/A寄存器

2.4監(jiān)控畫面

上位機(jī)通過組態(tài)王實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面，當(dāng)給定液位設(shè)定后，控制器會自動調(diào)節(jié)閥門開度使液位保持在設(shè)定值，以達(dá)到自動控制的目的。組態(tài)王通過RS485/232實(shí)現(xiàn)與PLC的實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現(xiàn)對PLC的監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)整。

水盆自動加水控制系統(tǒng)的組態(tài)王監(jiān)控畫面(圖5)設(shè)有操作員和管理員權(quán)限，操作員只有操作權(quán)限，管理員有操作、修改參數(shù)及系統(tǒng)測試等高級權(quán)限。畫面主要由水盆、加水管、調(diào)節(jié)閥及超聲波液位計(jì)等組成，實(shí)現(xiàn)水盆加水的整體流程顯示、電動調(diào)節(jié)閥開度顯示、設(shè)定液位值、實(shí)時(shí)液位與歷史曲線顯示和超聲波液位計(jì)工作狀態(tài)的顯示。

圖5 組態(tài)王監(jiān)控畫面

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于PLC的撫順式干餾爐水盆自動加水控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了水盆液位的自動控制，還設(shè)計(jì)了監(jiān)控畫面，組態(tài)軟件與可編程控制器的結(jié)合極大地提高了操作效率，減少了工人的勞動強(qiáng)度。該系統(tǒng)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、在現(xiàn)有水盆加水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造方便，更符合現(xiàn)代化工廠的要求，有很好的應(yīng)用前景。

[1] 楊慶春,張俊,楊思宇,等.油頁巖綜合利用過程建模與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(7):2793～2801.

[2] 王擎,肖冠華,孔祥釗,等.固體熱載體干餾樺甸油頁巖試驗(yàn)研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(5):15～21.

[3] 蘇洪利.撫順式頁巖干餾煉油工藝原理及煉油核心裝置干餾爐安裝工藝[DB/OL].http:www.docin.com/p-627826791.html qq-pf-to=pcqq.c2c,2012-03-28.

[4] 秦宏,馬佳波,劉洪鵬,等.500t/d油頁巖干餾系統(tǒng)的半焦燃燒輸送數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(5):1～5.

[5] 陳東亮.基于PLC和組態(tài)王的熱媒爐控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2014,41(5):587～589.

PLC-basedAuto-controlSystemforWater-feedingofFushun-typeRetortBasin

WANG Qiu-ping, ZHANG Jin, WEI Hao, CHEN Zhi-qiang, ZHANG Miao

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Considering low automation degree of water-feeding of Fushun-type retort’s water basin, S7-200 PLC and KingVIEW were adopted to design an auto-control system for the water-feeding operation. Through analyzing the water basin, the control system’s hardware configuration, some software flow charts and kingVIEW’s monitoring graphics were presented. The test results show that this auto-control system for the water-feeding boasts high reliability, good stability, timely adjustment of the basin level and auto-recording of the operating data and it can completely replace the manual operation.

control system for water-feeding operation, water basin, Fushun-type retort, PLC, KingVIEW, PID controller

TH862

A

1000-3932(2016)02-0117-04

2015-07-10基金項(xiàng)目：吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140204004SF)