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基于PLC的加熱爐儀表控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

2017-04-15 09:21:05李敏娟單煒萬露
電子測試 2017年8期
關(guān)鍵詞:鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器加熱爐

李敏娟,單煒,萬露

(中機(jī)國能電力工程有限公司,上海,200062)

基于PLC的加熱爐儀表控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

李敏娟,單煒,萬露

(中機(jī)國能電力工程有限公司,上海,200062)

現(xiàn)在加熱爐儀表控制系統(tǒng)中,由于兩臺鼓風(fēng)機(jī)與一座加熱爐配備使用,遇到需啟動備用鼓風(fēng)機(jī)的情況時,導(dǎo)致停爐現(xiàn)象;在加熱爐儀表控制系統(tǒng)的運(yùn)行時,無法實(shí)時監(jiān)控并保證其穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器安裝到兩臺加入爐的高鼓風(fēng)機(jī)入口后,其互相干擾的現(xiàn)象不再發(fā)生了,爐底的水位也能實(shí)時監(jiān)控了,基于PLC對加熱爐儀表控制系統(tǒng)的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

PLC;儀表控制系統(tǒng);優(yōu)化分析

0 前言

加熱爐自動化控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況決定著生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。而加熱爐自動化控制系統(tǒng)的質(zhì)量太差不僅會使其生產(chǎn)的產(chǎn)品劣質(zhì),也會造成環(huán)境污染等問題。加熱爐自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和精準(zhǔn)一直是企業(yè)和研究人員追求的目標(biāo)。在這一行業(yè)的研究中,有兩個比較重要的方向,其中一個就是PLC系統(tǒng)的運(yùn)用,確實(shí)有很好的保溫作用,且節(jié)能環(huán)保。另一個就是實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用,對于爐內(nèi)各段的生產(chǎn)中各種流量的控制比較精確。目前,加熱爐儀表控制系統(tǒng)的優(yōu)化分析,PCL控制系統(tǒng)的應(yīng)用取得了一些成果,基于這個背景,本文基于PLC的加熱爐儀表控制系統(tǒng)優(yōu)化分析的研究,取得了一些進(jìn)展,僅供同業(yè)人員借鑒。

1 加熱爐儀表控制系統(tǒng)簡介

1.1 加熱爐儀表控制系統(tǒng)的組成部分

DCS上位機(jī)和DCS下位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成了加熱爐儀表控制系統(tǒng)。WINCC是上位機(jī)的組態(tài)軟件。上位機(jī)的功能室數(shù)據(jù)實(shí)時顯示及監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和參數(shù)設(shè)定等。下位機(jī)的編程軟件是Step7,由PLC構(gòu)成主站和從站。Profibus2DP現(xiàn)場總線連接了上、下位機(jī)系統(tǒng)和主、從站??刂葡到y(tǒng)的組成部分較多,主要有汽化冷卻裝置的汽包水位和自動換向等系統(tǒng)。

1.2 爐膛溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

流量、壓力測量設(shè)備、溫度測量元件等是爐膛溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要組成部分。鉑銠-鉑熱電偶是爐膛溫度的測量方法,其信號由補(bǔ)償導(dǎo)線引入。流量元件爐溫的調(diào)節(jié)可以通過下面兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn):其一,對空氣和煤氣流量的檢測;其二,對爐火大小的控制。一次元件使用標(biāo)準(zhǔn)孔板可實(shí)現(xiàn)測量空氣流量,園缺孔測量板煤氣流量將以上設(shè)備運(yùn)用,即可采集各類數(shù)據(jù)和控制加熱爐儀控系統(tǒng)。PLC中測量信號引入可用EJA系列智能變送器;600 S高溫啟動調(diào)節(jié)蝶閥調(diào)節(jié)空氣流量;710E高性能啟動蝶閥調(diào)節(jié)煤氣流量[1]。

1.3 系統(tǒng)軟件

SIMATIC STEP7是加熱爐基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)PLC的編程、組態(tài)軟件。設(shè)計人員在程序編寫前,應(yīng)提前制定一個編程計劃,將電儀控制系統(tǒng)特點(diǎn)、加熱爐工藝流程要求和功能區(qū)域融入其中。設(shè)計人員在程序編寫時,當(dāng)復(fù)雜的計算、處理出現(xiàn)是,可采用語句表述,其他邏輯控制部分還應(yīng)運(yùn)用梯形圖。對于WINCC軟件進(jìn)行開發(fā)時,配合PLC一起使用,不僅可以是現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài)被工作人員直觀的了解,而且設(shè)備或現(xiàn)場出現(xiàn)任何問題都可以實(shí)時了解。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通訊的配置

加熱爐儀表控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式是以太網(wǎng)。以太網(wǎng)使用的不是TCP/IP協(xié)議,而是更安全的ISO協(xié)議。且在個操作時又都專門的OSM(西門子公司的光纖交換機(jī)),形成了一個環(huán)網(wǎng),若有一個設(shè)備發(fā)生故障,其他設(shè)備不受其影響,正常工作,這樣就使網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提高了[2]。

2 加熱爐儀表基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 儀表基本功能設(shè)置

由于設(shè)備流程的需要,加熱爐運(yùn)用了17只S型熱電偶測溫。在爐頂有三只;在預(yù)熱階段有兩個;其余分布在爐底或爐側(cè)。在空氣壓力、煤氣壓力、流量檢測和的S型熱電偶可以參與檢測點(diǎn)對壓力等的調(diào)解,并且發(fā)揮良好的作用。

2.2 爐膛的溫度、壓力控制系統(tǒng)

為控制各供熱區(qū)的溫度,需將各區(qū)分離獨(dú)立,爐溫控制回路的主環(huán)是溫度,副環(huán)是空煤氣流量。

2.2.1 爐內(nèi)供熱區(qū)段溫度控制

系統(tǒng)中的供熱調(diào)節(jié)回路共6個:均熱段上、段下,加熱1段上、下,加熱兩段上、下。將各段的回路單獨(dú)控制,不僅實(shí)現(xiàn)了對特定區(qū)域的溫度控制,對溫度的保持也很有效用。在對各段的溫度進(jìn)行控制的時候,可在爐頂選擇3只熱電偶,測其溫度值,將其平均值作為PV值(或任意一只熱電偶的溫度值)。這樣設(shè)置使?fàn)t段具有更多優(yōu)勢,最重要的就是警報功能。其一,超溫警報,在爐段的溫度超過一定值的時候,警報系統(tǒng)就會啟動;其二,短偶警報,當(dāng)爐內(nèi)熱電偶發(fā)生故障,無法使用時,警報系統(tǒng)啟動;其三,溫差警報,當(dāng)爐內(nèi)的溫度其差值比較大,對生產(chǎn)是很不利的,這時警報系統(tǒng)啟動。溫度調(diào)節(jié)器也有一個防止坯料過熱情況產(chǎn)生的功能就是控制溫度調(diào)節(jié)器的加熱速率。

2.2.2 爐內(nèi)供熱段溫度的設(shè)置

供熱段溫度的設(shè)定可分為上部和下部爐段,且其采用的方法并不相同。上部可采用交叉限幅模式,這是工業(yè)爐窯常用的方式。而下部采用獨(dú)立控制模式和主從模式。

2.2.3 壓力控制

加熱爐中對壓力的控制是很重要的。爐內(nèi)壓力過大,會造成爐體的損壞,所以爐內(nèi)的壓力應(yīng)控制在10-20Pa(微正壓)左右,要達(dá)到這一要求可以采用相應(yīng)的系統(tǒng),如,模糊-PID混合控制。一般的PID控制有調(diào)解緩慢等缺點(diǎn)。模糊-PID混合的控制操作比較迅速,在誤差較大時,就可控制,在誤差較小時,采用已經(jīng)提前設(shè)置準(zhǔn)確的模PID控制即可。這樣就實(shí)現(xiàn)的壓力控制的精準(zhǔn)性。

2.3 儀表控制系統(tǒng)

高焦混合煤氣為加熱爐的主要能源。助燃的鼓風(fēng)機(jī)兩臺,一主一從。爐底梁和立柱等的冷卻采用凈循環(huán)水。控制儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)以壓縮空氣為動力源。煤氣管道的吹掃用氮?dú)?。?dāng)壓力較低的情況出現(xiàn)時,斷電或停爐信號就會由系統(tǒng)發(fā)出。系統(tǒng)還會切斷各種煤氣管道,并進(jìn)行清理,熱風(fēng)進(jìn)行放散。

3 優(yōu)化控制系

3.1 優(yōu)化備用高壓鼓風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門

3.1.1 存在問題

高壓鼓風(fēng)機(jī)的作用簡單來說是助燃,即對加熱爐執(zhí)行鼓風(fēng)助燃,助燃空氣壓力以系統(tǒng)檢測到的為標(biāo)準(zhǔn),調(diào)節(jié)PID,使其通過入口點(diǎn)動執(zhí)行器輸出并控制開度,得到一個相對穩(wěn)定的壓力。在經(jīng)過各個燃燒段前,在金屬預(yù)熱器預(yù)熱,最后按一定配比與調(diào)節(jié)閥一起燃燒。在之前的系統(tǒng)中,兩臺鼓風(fēng)機(jī)與一座加熱爐配備使用,且兩臺鼓風(fēng)機(jī)僅配備一個畫面調(diào)節(jié)器,實(shí)行各項(xiàng)操作,包括一些參數(shù)的設(shè)定與調(diào)節(jié)等。當(dāng)PLC對主電動調(diào)節(jié)器進(jìn)行操作時,另一臺的操作模式由“操作靜止風(fēng)機(jī)”按鈕改變[3]。在正常生產(chǎn)的情況下,沒有任何問題,但若遇到需啟動備用鼓風(fēng)機(jī)的情況時,共用一臺調(diào)節(jié)器就會引起混亂,很有可能會減小電動執(zhí)行器開度,使空氣壓力降至極限、自動切斷煤氣切斷閥,而導(dǎo)致停爐現(xiàn)象,降低生產(chǎn)效率。

3.1.2 優(yōu)化措施

優(yōu)化分析方法即PI調(diào)節(jié)器獨(dú)立使用,新增一臺即可,且相同功能的控制程序通過PIC系統(tǒng)增加,使備用電動調(diào)節(jié)器擁有自己獨(dú)立的調(diào)節(jié)器。這樣備用系統(tǒng)啟動發(fā)生故障的幾率就大大降低了,系統(tǒng)運(yùn)行也更加的穩(wěn)定了。

3.2 優(yōu)化萬能加熱爐陸地地坑抽水系統(tǒng)

3.2.1 存在問題

優(yōu)化前加熱爐地坑抽水泵的操控都是就地操作箱完成的,起執(zhí)行模式有兩種:其一,高位抽水、低位停泵的模式有電極檢測點(diǎn)的液體點(diǎn)位決定。其二,水泵的啟動、停止都由人員手動操控。由于設(shè)備和操控箱的位置的關(guān)系,所以經(jīng)常會出現(xiàn)設(shè)備被淹沒的現(xiàn)象。

3.2.2 優(yōu)化措施

新的加熱爐拆除液體電極檢測,安裝投入式液位傳感器,作為新的液位檢測設(shè)備。在HMI畫面上將“地坑水泵系統(tǒng)的軟操作”加入,實(shí)時監(jiān)測水位,避免設(shè)備被淹沒的事情再發(fā)生。本優(yōu)化方式不僅改進(jìn)和完善了系統(tǒng),并且并未增加成本。在實(shí)現(xiàn)自動化操作的同時,也實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的全面的實(shí)時監(jiān)控。

4 基于PLC的加熱爐儀表控制系統(tǒng)分析

第一,每臺高壓鼓風(fēng)機(jī)的PI調(diào)節(jié)器單獨(dú)使用。基于啟動備用高壓鼓風(fēng)機(jī)而產(chǎn)生的停爐的現(xiàn)象,我們將實(shí)行以下措施,準(zhǔn)備一個良好的PI調(diào)節(jié)器,將PI調(diào)節(jié)器在另一臺高壓鼓風(fēng)機(jī)上安裝,調(diào)整PI調(diào)節(jié)器,使每一臺高壓鼓風(fēng)機(jī)上都有單獨(dú)使用的PI調(diào)節(jié)器,這樣就實(shí)現(xiàn)了對兩臺高壓鼓風(fēng)機(jī)的單獨(dú)控制。這樣隨時啟動備用高壓鼓風(fēng)機(jī)不會對另一臺產(chǎn)生影響,互相干擾的問題很好的解決了。由于啟動備用高壓鼓風(fēng)機(jī)而產(chǎn)生的停爐現(xiàn)象徹底地消失了。生產(chǎn)效率也有明顯的提高。

第二,高精度液位傳感器。對于爐底設(shè)備經(jīng)常被水淹沒的情況,可使用高精度液位傳感器,這樣可實(shí)現(xiàn)對爐底水位變化的隨時掌控,而且液體檢測的精度明顯的提高了。對加熱爐爐底的水位能實(shí)時掌控,杜絕了爐底部件被水淹沒事件的發(fā)生,從而使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定,延長了其使用壽命,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

5 結(jié)論

加熱爐儀表控制系統(tǒng),以PLC為基礎(chǔ),編程軟件為SIMATIC STEP7,其目的是控制安全設(shè)定、安全連鎖、流量控制等環(huán)節(jié)。加熱爐儀表控制系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備被淹沒、故障等情況。作者基于實(shí)際運(yùn)行情況和目前的加熱爐儀表系統(tǒng)的研究情況,尋求解決策略,實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的優(yōu)化。改造中,沒有新設(shè)備的添加,都是基于現(xiàn)有的系統(tǒng)和工具,不需要資金的投入,改造后的系統(tǒng)在運(yùn)行中,加熱爐儀表控制系統(tǒng)正常運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了自動化操作,并且對于各項(xiàng)要求也能予以滿足,對系統(tǒng)的日常維護(hù)和維修也比較便利。該系統(tǒng)的使用,不僅使運(yùn)行的故障率降低了,也滿足了生產(chǎn)要求,而且產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu)且能耗低。該系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)用,對以后的加熱爐儀表控制系統(tǒng)得優(yōu)化也有重要的意義。

[1]楊莉華.基于PLC的加熱爐儀表控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].機(jī)電工程,2016,06(08):1033-1038.

[2]王和琴,張分電,李延利,劉方儉,寧海春,韓燕君.普光氣田酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化[J].天然氣工業(yè),2013,12(09):110-114.

[3]曾麗.化工工業(yè)中PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與安裝的優(yōu)化措施分析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011,10(09):48.

Optimization Analysis of Instrument Control System of Heating Furnace Based on Programmable Logic Controller

Li Minjuan,Shan Wei,Wan Lu
(China Sinogy Electric Engineering Co.,Ltd,Shanghai,200062)

Now In the heating furnace instrument control system, since the two blowers are used together with a heating furnace, it is necessary to start the standby blower, which causes the phenomenon of shutdown. When the furnace control system is running, it can not be monitored in real time. To ensure its stability. It was found that the PI regulator was installed in the two high-fan inlet of the furnace, and the interference of the PI regulator did not occur again. The water level of the bottom of the furnace was also monitored in real time. Based on PLC, the optimization of the furnace control system was realized.Stable operation of the system.

Programmable Logic Controller;Instrument control system;Optimization analysis

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