基于PLC的加热炉仪表控制系统优化分析

李敏娟，单炜，万露

(中机国能电力工程有限公司，上海，200062)

基于PLC的加热炉仪表控制系统优化分析

李敏娟，单炜，万露

(中机国能电力工程有限公司，上海，200062)

现在加热炉仪表控制系统中，由于两台鼓风机与一座加热炉配备使用，遇到需启动备用鼓风机的情况时，导致停炉现象；在加热炉仪表控制系统的运行时，无法实时监控并保证其稳定。研究发现PI调节器安装到两台加入炉的高鼓风机入口后，其互相干扰的现象不再发生了，炉底的水位也能实时监控了，基于PLC对加热炉仪表控制系统的优化，实现了系统的稳定运行。

PLC；仪表控制系统；优化分析

0 前言

加热炉自动化控制系统的运行情况决定着生产产品的质量。而加热炉自动化控制系统的质量太差不仅会使其生产的产品劣质，也会造成环境污染等问题。加热炉自动化控制系统的稳定和精准一直是企业和研究人员追求的目标。在这一行业的研究中，有两个比较重要的方向，其中一个就是PLC系统的运用，确实有很好的保温作用，且节能环保。另一个就是实时监控系统的运用，对于炉内各段的生产中各种流量的控制比较精确。目前，加热炉仪表控制系统的优化分析，PCL控制系统的应用取得了一些成果，基于这个背景，本文基于PLC的加热炉仪表控制系统优化分析的研究，取得了一些进展，仅供同业人员借鉴。

1 加热炉仪表控制系统简介

1.1 加热炉仪表控制系统的组成部分

DCS上位机和DCS下位机系统构成了加热炉仪表控制系统。WINCC是上位机的组态软件。上位机的功能室数据实时显示及监控、数据存储和参数设定等。下位机的编程软件是Step7，由PLC构成主站和从站。Profibus2DP现场总线连接了上、下位机系统和主、从站。控制系统的组成部分较多，主要有汽化冷却装置的汽包水位和自动换向等系统。

1.2 炉膛温度串级调节系统

流量、压力测量设备、温度测量元件等是炉膛温度串级调节系统的主要组成部分。铂铑-铂热电偶是炉膛温度的测量方法，其信号由补偿导线引入。流量元件炉温的调节可以通过下面两点实现：其一，对空气和煤气流量的检测；其二，对炉火大小的控制。一次元件使用标准孔板可实现测量空气流量，园缺孔测量板煤气流量将以上设备运用，即可采集各类数据和控制加热炉仪控系统。PLC中测量信号引入可用EJA系列智能变送器；600 S高温启动调节蝶阀调节空气流量；710E高性能启动蝶阀调节煤气流量[1]。

1.3 系统软件

SIMATIC STEP7是加热炉基础自动化系统PLC的编程、组态软件。设计人员在程序编写前，应提前制定一个编程计划，将电仪控制系统特点、加热炉工艺流程要求和功能区域融入其中。设计人员在程序编写时，当复杂的计算、处理出现是，可采用语句表述，其他逻辑控制部分还应运用梯形图。对于WINCC软件进行开发时，配合PLC一起使用，不仅可以是现场的运行状态被工作人员直观的了解，而且设备或现场出现任何问题都可以实时了解。

1.4 网络通讯的配置

加热炉仪表控制系统的网络连接方式是以太网。以太网使用的不是TCP/IP协议，而是更安全的ISO协议。且在个操作时又都专门的OSM（西门子公司的光纤交换机），形成了一个环网，若有一个设备发生故障，其他设备不受其影响，正常工作，这样就使网络的稳定性提高了[2]。

2 加热炉仪表基础自动化系统实现

2.1 仪表基本功能设置

由于设备流程的需要，加热炉运用了17只S型热电偶测温。在炉顶有三只；在预热阶段有两个；其余分布在炉底或炉侧。在空气压力、煤气压力、流量检测和的S型热电偶可以参与检测点对压力等的调解，并且发挥良好的作用。

2.2 炉膛的温度、压力控制系统

为控制各供热区的温度，需将各区分离独立，炉温控制回路的主环是温度，副环是空煤气流量。

2.2.1 炉内供热区段温度控制

系统中的供热调节回路共6个：均热段上、段下，加热1段上、下，加热两段上、下。将各段的回路单独控制，不仅实现了对特定区域的温度控制，对温度的保持也很有效用。在对各段的温度进行控制的时候，可在炉顶选择3只热电偶，测其温度值，将其平均值作为PV值（或任意一只热电偶的温度值）。这样设置使炉段具有更多优势，最重要的就是警报功能。其一，超温警报，在炉段的温度超过一定值的时候，警报系统就会启动；其二，短偶警报，当炉内热电偶发生故障，无法使用时，警报系统启动；其三，温差警报，当炉内的温度其差值比较大，对生产是很不利的，这时警报系统启动。温度调节器也有一个防止坯料过热情况产生的功能就是控制温度调节器的加热速率。

2.2.2 炉内供热段温度的设置

供热段温度的设定可分为上部和下部炉段，且其采用的方法并不相同。上部可采用交叉限幅模式，这是工业炉窑常用的方式。而下部采用独立控制模式和主从模式。

2.2.3 压力控制

加热炉中对压力的控制是很重要的。炉内压力过大，会造成炉体的损坏，所以炉内的压力应控制在10-20Pa（微正压）左右，要达到这一要求可以采用相应的系统，如，模糊-PID混合控制。一般的PID控制有调解缓慢等缺点。模糊-PID混合的控制操作比较迅速，在误差较大时，就可控制，在误差较小时，采用已经提前设置准确的模PID控制即可。这样就实现的压力控制的精准性。

2.3 仪表控制系统

高焦混合煤气为加热炉的主要能源。助燃的鼓风机两台，一主一从。炉底梁和立柱等的冷却采用净循环水。控制仪表执行机构以压缩空气为动力源。煤气管道的吹扫用氮气。当压力较低的情况出现时，断电或停炉信号就会由系统发出。系统还会切断各种煤气管道，并进行清理，热风进行放散。

3 优化控制系

3.1 优化备用高压鼓风机入口风门

3.1.1 存在问题

高压鼓风机的作用简单来说是助燃，即对加热炉执行鼓风助燃，助燃空气压力以系统检测到的为标准，调节PID，使其通过入口点动执行器输出并控制开度，得到一个相对稳定的压力。在经过各个燃烧段前，在金属预热器预热，最后按一定配比与调节阀一起燃烧。在之前的系统中，两台鼓风机与一座加热炉配备使用，且两台鼓风机仅配备一个画面调节器，实行各项操作，包括一些参数的设定与调节等。当PLC对主电动调节器进行操作时，另一台的操作模式由“操作静止风机”按钮改变[3]。在正常生产的情况下，没有任何问题，但若遇到需启动备用鼓风机的情况时，共用一台调节器就会引起混乱，很有可能会减小电动执行器开度，使空气压力降至极限、自动切断煤气切断阀，而导致停炉现象，降低生产效率。

3.1.2 优化措施

优化分析方法即PI调节器独立使用，新增一台即可，且相同功能的控制程序通过PIC系统增加，使备用电动调节器拥有自己独立的调节器。这样备用系统启动发生故障的几率就大大降低了，系统运行也更加的稳定了。

3.2 优化万能加热炉陆地地坑抽水系统

3.2.1 存在问题

优化前加热炉地坑抽水泵的操控都是就地操作箱完成的，起执行模式有两种：其一，高位抽水、低位停泵的模式有电极检测点的液体点位决定。其二，水泵的启动、停止都由人员手动操控。由于设备和操控箱的位置的关系，所以经常会出现设备被淹没的现象。

3.2.2 优化措施

新的加热炉拆除液体电极检测，安装投入式液位传感器，作为新的液位检测设备。在HMI画面上将“地坑水泵系统的软操作”加入，实时监测水位，避免设备被淹没的事情再发生。本优化方式不仅改进和完善了系统，并且并未增加成本。在实现自动化操作的同时，也实现了对系统的全面的实时监控。

4 基于PLC的加热炉仪表控制系统分析

第一，每台高压鼓风机的PI调节器单独使用。基于启动备用高压鼓风机而产生的停炉的现象，我们将实行以下措施，准备一个良好的PI调节器，将PI调节器在另一台高压鼓风机上安装，调整PI调节器，使每一台高压鼓风机上都有单独使用的PI调节器，这样就实现了对两台高压鼓风机的单独控制。这样随时启动备用高压鼓风机不会对另一台产生影响，互相干扰的问题很好的解决了。由于启动备用高压鼓风机而产生的停炉现象彻底地消失了。生产效率也有明显的提高。

第二，高精度液位传感器。对于炉底设备经常被水淹没的情况，可使用高精度液位传感器，这样可实现对炉底水位变化的随时掌控，而且液体检测的精度明显的提高了。对加热炉炉底的水位能实时掌控，杜绝了炉底部件被水淹没事件的发生，从而使设备运行更加稳定，延长了其使用寿命，经济实用。

5 结论

加热炉仪表控制系统，以PLC为基础，编程软件为SIMATIC STEP7，其目的是控制安全设定、安全连锁、流量控制等环节。加热炉仪表控制系统在运行中经常出现设备被淹没、故障等情况。作者基于实际运行情况和目前的加热炉仪表系统的研究情况，寻求解决策略，实现了对系统的优化。改造中，没有新设备的添加，都是基于现有的系统和工具，不需要资金的投入，改造后的系统在运行中，加热炉仪表控制系统正常运行，实现了自动化操作，并且对于各项要求也能予以满足，对系统的日常维护和维修也比较便利。该系统的使用，不仅使运行的故障率降低了，也满足了生产要求，而且产品的产量高、质量优且能耗低。该系统不仅经济实用，对以后的加热炉仪表控制系统得优化也有重要的意义。

[1]杨莉华.基于PLC的加热炉仪表控制系统优化研究[J].机电工程，2016，06(08):1033-1038.

[2]王和琴，张分电，李延利，刘方俭，宁海春，韩燕君.普光气田酸气加热炉智能控制系统的构建与优化[J].天然气工业，2013，12(09):110-114.

[3]曾丽.化工工业中PLC控制系统的设计与安装的优化措施分析[J].中国石油和化工标准与质量，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