王 蕊

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063020）

0 引言

工業(yè)革命以來(lái)，加熱爐在生產(chǎn)制造領(lǐng)域一直占據(jù)著十分重要的地位。管式加熱爐是對(duì)原油加熱，為保證加熱爐出口原油溫度適應(yīng)負(fù)荷的需要以及加熱爐的運(yùn)行安全，各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制，最主要的控制參數(shù)是加熱爐出口原油溫度。這里設(shè)計(jì)了一種保證加熱爐可靠安全運(yùn)行的控制方案，控制器采用易于構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的PLC 實(shí)現(xiàn)，PLC 有著運(yùn)算速度高、指令豐富、功能強(qiáng)大、可靠性高、使用方便、編程靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用PLC 作為下位機(jī)；同時(shí)，采用MCGS 通過(guò)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互功能。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配置Fig.1 Control system hardware configuration

1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

管式加熱爐控制系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)較少，所以選用SIMATIC S7-200 系列CPU224 型PLC。控制系統(tǒng)包含上位機(jī)（MCGS 組態(tài)監(jiān)控軟件）、下位機(jī)西門子S7-200（CPU224）PLC、一個(gè)EM235 模塊、兩個(gè)溫度檢測(cè)變送器，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥、上位機(jī)與PLC 通過(guò)RS485 通用串口線、RS232-RS485轉(zhuǎn)接頭相連接?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如圖1 所示[1]。

2 系統(tǒng)硬件選擇

2.1 PLC的選型

調(diào)節(jié)器用來(lái)接收溫度檢測(cè)變送器送來(lái)的信號(hào)，并且作出相應(yīng)邏輯控制，然后再反饋到調(diào)節(jié)閥上去，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC 是一款既可以編程又可以邏輯控制的調(diào)節(jié)器，具有龐大的功能并且操作簡(jiǎn)單，利用梯形圖編程實(shí)用易行。PLC 選取西門子系列S7-200，CPU224（可外接7 個(gè)擴(kuò)展模塊），利用PLC 作為下位機(jī)，起到調(diào)節(jié)器的作用，與上位機(jī)通訊采用為PPI 協(xié)議。S7-200 與上位機(jī)MCGS 通過(guò)RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器與RS485 通用串口線連接，保證控制器與監(jiān)控軟件的遠(yuǎn)程通訊功能與數(shù)據(jù)交互能力，實(shí)現(xiàn)MCGS 遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能[2]。

A/D 轉(zhuǎn)換器為FXZN-4AD；D/A 轉(zhuǎn)換器為FXZN-4DA。

2.2 傳感器的選擇

檢測(cè)燃燒室內(nèi)和出口處原油的溫度，選擇工業(yè)中常用的熱電偶溫度傳感器來(lái)檢測(cè)，它可直接將熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由變送器變送為與溫度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳輸出去。熱電偶選取兩種材質(zhì)各異的導(dǎo)體，由于熱電效應(yīng)的存在，在導(dǎo)體之間將產(chǎn)生熱電勢(shì)，根據(jù)熱電勢(shì)計(jì)算出實(shí)時(shí)溫度的值。因?yàn)槿紵鞯娜剂鲜侨剂嫌停訜釥t燃燒室內(nèi)能產(chǎn)生的溫度在1300℃以下，燃燒室內(nèi)溫度傳感器采用S 型熱電偶，量程為0℃～1300℃。原油出口處溫度相對(duì)較低，選用T 型熱電偶，量程為0℃～350℃。

得到了溫度的電信號(hào)以后需要將數(shù)據(jù)傳送出去，并且標(biāo)準(zhǔn)化。因此，需要溫度變送器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成線性相關(guān)的電流信號(hào)，傳送給模擬量模塊。STT250 能夠把傳感器所得的溫度信號(hào)線性的轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，它是一款兩線制的智能元器件，可以將4mA ～20mA 的電流傳導(dǎo)給與下位機(jī)相連的EM232 模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的信息傳遞。

2.3 調(diào)節(jié)閥的選擇

調(diào)節(jié)閥b 用來(lái)調(diào)節(jié)管式加熱爐原油的輸送量，通過(guò)接受控制器所給定的信號(hào)，實(shí)時(shí)地調(diào)整輸送到加熱爐內(nèi)的原油流量，以應(yīng)對(duì)爐內(nèi)溫度變化引起的加熱精度的改變。調(diào)節(jié)閥a 是用來(lái)控制燃燒器的燃料流量，此閥數(shù)值改變直接影響燃燒燃料產(chǎn)生的熱能，減少燃料即減少能量轉(zhuǎn)化，從而直接控制了燃燒室溫度，間接控制了原油的加熱溫度。

調(diào)節(jié)閥的種類有3 種，而此處需要加熱的原油和燃燒器的燃料都是易燃易爆的物質(zhì)，所以此處不能選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，適宜選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，簡(jiǎn)單方便，易于控制且安全性好。

調(diào)節(jié)閥氣開氣關(guān)形式的選擇要以安全為前提，當(dāng)危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)，加熱爐的燃燒器應(yīng)該立即停止加熱，避免溫度過(guò)高發(fā)生爆炸，所以調(diào)節(jié)閥b 選擇氣開式調(diào)節(jié)閥。出于對(duì)加熱的原油下一道工序和加熱爐精度的考慮，危險(xiǎn)情況發(fā)生后應(yīng)停止繼續(xù)輸送原油，所以調(diào)節(jié)閥a 也選擇氣開式?；诖?，調(diào)節(jié)閥的類型選擇常見的單直通氣開式。

表1 PLC I/O及軟元件地址分配表Table 1 PLC I/O and soft component address distribution table

2.4 上位機(jī)的選擇

上位機(jī)選用臺(tái)灣研華工控機(jī)，工控機(jī)主要配置為：Pentium III 處理器，128M 內(nèi)存，15G 硬盤。

3 PLC硬件設(shè)計(jì)

分析控制任務(wù)可知，數(shù)字量輸入2 個(gè)，分別為控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止；數(shù)字量輸出3 個(gè)，分別為加熱爐啟動(dòng)、加熱爐停止、調(diào)節(jié)閥b；模擬量輸入1 個(gè)，為燃燒室溫度；模擬量輸出1 個(gè)，為調(diào)節(jié)閥a；軟元件10 個(gè)，包括原油出口溫度檢測(cè)值和設(shè)定值、控制系統(tǒng)自動(dòng)輸出值和手動(dòng)輸出值、PID 參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）、采樣時(shí)間、手動(dòng)/自動(dòng)切換輸出等。列出PLC 的I/O 及軟元件地址分配見表1。畫出相應(yīng)的I/O 外部接線圖如圖2 所示[3]。

圖2 PLC I/O外部接線圖Fig.2 PLC I/O External wiring diagram

圖4 主程序Fig.4 Main program

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC 的軟件設(shè)計(jì)即編制PLC 的控制程序，使用最多的就是梯形圖程序，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行。

4.1 控制系統(tǒng)流程圖

燃燒室內(nèi)加熱采用的是燃料油，通過(guò)調(diào)節(jié)閥a 調(diào)節(jié)燃料油流量以控制被加熱原油溫度，發(fā)送啟動(dòng)命令后，調(diào)節(jié)閥a 打開并啟動(dòng)燃燒器開始預(yù)熱，當(dāng)燃燒室溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥b 打開輸送原油開始給原油加熱，控制系統(tǒng)啟動(dòng)控制原油出口溫度，加熱爐正常工作。PLC 控制系統(tǒng)流程圖如圖3 所示[4]。

4.2 梯形圖控制程序的設(shè)計(jì)

主程序：將PID 的參數(shù)傳入到PLC 的寄存器中，采樣周期為0.1s，中斷時(shí)間為100ms，積分時(shí)間為0s。主程序如圖4 所示。

采集程序：將加熱爐內(nèi)的溫度檢測(cè)變送器采集的數(shù)據(jù)送到PID_PV 中。溫度采集程序如圖5 所示。輸出處理程序如圖6 所示。

圖5 溫度采集程序Fig.5 Temperature collection progr

圖6 輸出處理程序Fig.6 Output handler

5 結(jié)語(yǔ)

采用功能強(qiáng)大的PLC 控制器實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的控制，PLC選用了S7200-CPU224，并通過(guò)模擬量模塊EM235 實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集和控制，利用組態(tài)軟件與PLC 實(shí)時(shí)通訊，通過(guò)組態(tài)畫面與工程畫面實(shí)時(shí)掌控加熱爐現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并能及時(shí)調(diào)整參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，可用于對(duì)石油加熱的管式加熱爐的控制，對(duì)其他工業(yè)控制亦有重要的借鑒意義。