熱媒爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法及應(yīng)用

高 瑋,張路寧，賀 佳

(1.沈陽德豐自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽 110032;2沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

熱媒爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法及應(yīng)用

高 瑋1,張路寧2，賀 佳2

(1.沈陽德豐自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽 110032;2沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

熱媒爐是給原油加熱的設(shè)備，在東北輸油管道中起著重要作用。 針對(duì)原有的控制系統(tǒng)不足，采用基于美國A-B公司的ControlLogix系統(tǒng)的控制方案，結(jié)合熱媒爐工作原理，將啟停點(diǎn)火邏輯控制、自動(dòng)燃燒回路控制、RTU遠(yuǎn)程通信整合到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)。結(jié)果表明，達(dá)到了優(yōu)化燃燒節(jié)能的設(shè)計(jì)效果。

熱媒爐；滯后控制；溫度調(diào)節(jié)；參數(shù)模擬

在原油輸送過程中為避免原油凝結(jié)和壓頭衰減，一般都在一定距離建立輸油中繼站，除了要保持原油的一定壓力外，還要維持原油溫度在一定的范圍內(nèi)，過低則凝結(jié)，過高則容易產(chǎn)生汽化，對(duì)油泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅油泵的正常運(yùn)行。熱媒爐的主要作用就是通過燃油的火焰對(duì)流加熱，帶動(dòng)換熱介質(zhì)-熱媒的溫度，經(jīng)過熱媒換熱器的作用提高原油出口溫度，保證原油的正常傳輸。

熱媒爐的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括點(diǎn)火、燃油、鼓風(fēng)、熱媒換熱和原油換熱等系統(tǒng)。系統(tǒng)中模擬儀表、執(zhí)行器、變送器及控制元件多，以熱媒溫度和原油溫度作為最終的控制目標(biāo)，具有多個(gè)控制回路、多因素相互耦合的特點(diǎn)，是多變量、非線性、典型的滯后控制系統(tǒng)[1-6]。

我國自20世紀(jì)80年代后期通過引進(jìn)、自行制造逐步在石油、化工領(lǐng)域使用熱媒爐[7-9]。其控制系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷3個(gè)階段，即人工手動(dòng)控制、多回路控制器自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制。隨著自動(dòng)控制設(shè)備及控制方法的不斷進(jìn)步，對(duì)已有熱媒爐控制系統(tǒng)實(shí)施新的技術(shù)改造成為必然。為此，針對(duì)某客戶舊有熱媒爐的系統(tǒng)控制水平偏低、原油輸送壓力及溫度波動(dòng)較大、熱媒爐總體效率低下等問題進(jìn)行全面技術(shù)改造。

1 控制結(jié)構(gòu)和方案

本設(shè)備原有的控制系統(tǒng)采用混合控制系統(tǒng)，邏輯控制采用MODICON小型PLC，過程控制采用美國 POWELL公司MICON S-32雙回路控制器 ，經(jīng)過近多年運(yùn)行、維護(hù)，備件消耗殆盡，且相關(guān)公司經(jīng)過重組已很難獲得支持，因而控制系統(tǒng)故障頻出。S-32雙回路控制器需要專用編程器，不但編程繁瑣，且人機(jī)界面不好，維護(hù)十分困難。因此，在熱媒爐改造中采用美國A-B公司的ControlLogix集成架構(gòu)，該平臺(tái)系統(tǒng)將PLC和小型DCS控制融合在一起，集成順序、過程、傳動(dòng)控制功能，支持梯形圖、功能塊、結(jié)構(gòu)化文本、順序功能圖通用編程語言，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，適合小型PLC和DCS 混合控制系統(tǒng)，可保證高精度復(fù)雜過程控制[10-11]。人機(jī)界面HMI采用觸摸屏Panelview1000，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 熱媒爐控制系統(tǒng)框圖

控制節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用基于Producer/Consumer模式的開放式網(wǎng)絡(luò)-ControlNet網(wǎng)(控制網(wǎng))，它為對(duì)等通信提供實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)、5M bit/sec的通訊速率、10ms的網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間(NUT)，對(duì)于離散和連續(xù)控制的應(yīng)用均具有確定性和可重復(fù)性，足以滿足大多數(shù)的實(shí)時(shí)控制和過程控制。控制程序通過編程軟件RSLogix5000實(shí)現(xiàn)，采用梯形圖和功能塊指令編寫邏輯控制和過程回路控制，其程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化以及類似面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，利用別名標(biāo)簽(Alias Tag)方便程序的預(yù)先編寫和移植，可將程序做成標(biāo)準(zhǔn)程序，然后再指定對(duì)應(yīng)的I/O地址即可[12]。

同時(shí)外接通訊模塊采用Modbus RTU方式，方便與中控室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息交換。CPU2#與ML1500第一個(gè)串口之間采用DF1通信協(xié)議，通過MSG通信指令將數(shù)據(jù)寫入ML1500的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)(定義好的N9文件)。ML1500的第二個(gè)串口支持ModbusTMRTU Slave模式，在串口通訊配置里定義好Modbus起始寄存器地址30001，它對(duì)應(yīng)ML1500內(nèi)部N9:0數(shù)據(jù)文件，不需要編程。

通信參數(shù)：

波特率：19200；校驗(yàn)：無；節(jié)點(diǎn)地址：1；Control Line ：No handshaking。

通信地址：

Modbus 輸入寄存器地址：30001～300060；

ML1500對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)文件地址：[ N9:0～N9:59]各值均為整數(shù)。

30001：熱媒入爐溫度 (℃)；30002：熱媒出爐溫度(℃)；30003：原油出換溫度(℃)；

30004：燃料油溫度(℃)；30005：煙氣出爐溫度(℃)；30006：排煙溫度(℃) ；

30007：爐膛溫度(℃) ；30008：熱媒流量(kL/h)；30009：燃料油流量(L/h)；

30010：煙氣含氧量 (%)；30011；助燃風(fēng)量(kL/h)。

2 程序結(jié)構(gòu)

熱媒爐控制系統(tǒng)由啟停爐控制保護(hù)系統(tǒng)、燃料油系統(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、煙氣含氧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、原油換熱系統(tǒng)、熱媒溫控系統(tǒng)、吹灰除塵系統(tǒng)等組成,包含多個(gè)工藝流程[2]。

2.1 啟停爐程序

熱媒爐的工況比較復(fù)雜，相互關(guān)聯(lián)、互鎖的條件比較多，原有熱媒爐采用MICON S-32模擬回路控制器的啟停爐工藝過程比較繁瑣，并且隨著新型儀表、控制器和變送器功能的增加，一些控制回路已無必要。經(jīng)過簡化后，熱媒爐的啟停爐的控制程序框圖如圖2所示。

圖2 啟停爐控制程序框圖

2.2 熱媒溫度調(diào)節(jié)程序

主要控制回路有煙氣含氧量調(diào)節(jié)回路、熱媒溫度控制回路、原油溫度控制回路，回路之間相互作用。

熱媒爐系統(tǒng)屬于大滯后系統(tǒng)，熱量經(jīng)過熱媒換熱器和原油換熱器兩個(gè)環(huán)節(jié)作用于原油出口換熱溫度，滯后效果非常明顯，所以可把熱媒溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和原油調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)來處理。熱媒溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制原理如圖3所示。

由圖3可知，熱媒溫度發(fā)生變化時(shí)，由于控制器作用，燃油調(diào)節(jié)閥輸出變化，同時(shí)燃油流量發(fā)生變化，隨后助燃風(fēng)風(fēng)閥輸出變動(dòng)，最后隨著熱媒的熱交換平衡達(dá)到平衡工作曲線中一對(duì)應(yīng)點(diǎn)。這是最簡單的一種情況，實(shí)際上影響這一曲線的因素很多，包括燃油壓力、霧化風(fēng)壓力、燃燒火嘴孔徑尺寸變化等[13]。因此，在熱媒爐實(shí)際運(yùn)行中，確立助燃風(fēng)與燃油的對(duì)應(yīng)曲線十分重要的。

圖3 熱媒溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.3 風(fēng)油擬合曲線

圖4為經(jīng)過參數(shù)擬和后的曲線，運(yùn)行時(shí)根據(jù)燃油值，按照擬和曲線進(jìn)行線性插值，求得對(duì)應(yīng)的助燃風(fēng)值進(jìn)行控制。測(cè)量數(shù)據(jù)通過熱媒爐實(shí)際運(yùn)行逐點(diǎn)實(shí)測(cè)，每組測(cè)量點(diǎn)均調(diào)整風(fēng)閥和油閥，并觀察煙氣含氧量，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，記錄實(shí)際閥門開度和流量。煙氣含氧量作為擾動(dòng)參與熱媒溫度調(diào)節(jié)回路的控制中，其本身并不直接參與控制。煙氣含氧量調(diào)節(jié)回路屬于定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過偏差控制其輸出量，而助燃風(fēng)風(fēng)量與燃油流量則屬于隨動(dòng)系統(tǒng)，它們之間通過風(fēng)油擬合曲線實(shí)現(xiàn)最佳控制比。ControlLogix的內(nèi)部功能塊FGEN(如圖5所示)支持參數(shù)擬和曲線和線性插值，根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)值確定參數(shù)點(diǎn)后(每臺(tái)熱媒爐工況不同，測(cè)量儀表和執(zhí)行器的校準(zhǔn)也不同，因此數(shù)值也各不同)，在HMI上有單獨(dú)的設(shè)置畫面，如有變化可隨時(shí)調(diào)整，如圖6所示。

圖4 助燃風(fēng)閥開度與燃油量的對(duì)應(yīng)曲線

圖5 ControlLogix內(nèi)部功能塊FGEN

圖6 HMI參數(shù)設(shè)置畫面

2.4 回路控制器設(shè)計(jì)

熱媒控制器的設(shè)計(jì)采取常規(guī)的PI控制即可，其實(shí)際參數(shù)可根據(jù)爐子實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)可利用ControlLogix的PID指令選擇死區(qū)PID調(diào)節(jié)和積分分離PID調(diào)節(jié)，設(shè)置死區(qū)范圍和控制變量CV上下限幅值[14]。前者可避免助燃風(fēng)閥的頻繁抖動(dòng)，后者可避免助燃風(fēng)閥長時(shí)間處于積分飽和狀態(tài)；當(dāng)CV達(dá)到上下限幅值時(shí)，積分項(xiàng)將停止累積，同時(shí)亦可調(diào)整模擬量模塊配置中輸入濾波參數(shù)和斜坡輸出參數(shù)，前者可去除環(huán)境噪音的影響，提高輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，后者可使輸出以適當(dāng)斜率達(dá)到要求值，系統(tǒng)不會(huì)受到大的沖擊，可平穩(wěn)變化。在手動(dòng)切換到自動(dòng)控制時(shí)，PID指令將對(duì)跟蹤值按積分項(xiàng)做積分運(yùn)算，直到逼近按偏差運(yùn)算產(chǎn)生的控制變量，從而完成平滑過渡。在自動(dòng)轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制時(shí)，PID指令會(huì)從自動(dòng)控制PID運(yùn)算最后輸出開始跟蹤輸出的變化，作為手動(dòng)輸出。這種手動(dòng)/自動(dòng)控制的無擾動(dòng)切換對(duì)熱媒爐的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，在HMI的畫面中可以用柱狀圖直觀清晰顯示自動(dòng)/手動(dòng)輸出狀態(tài)，且可自由無擾動(dòng)切換，如圖7所示。

圖7 HMI主控畫面

原油溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對(duì)簡單，它與熱媒溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過熱負(fù)荷的變化聯(lián)系在一起，其輸出控制量主要控制熱媒三通閥的開度，根據(jù)原油的溫度變化調(diào)整流經(jīng)原油換熱器的熱媒流量。其控制原理如圖8所示。

圖8 原油溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

原油溫度控制器的設(shè)計(jì)與熱媒溫度控制器的設(shè)計(jì)類似。

3 結(jié)束語

熱媒爐控制系統(tǒng)根據(jù)爐子的特點(diǎn)和運(yùn)行要求，調(diào)整熱媒溫度的給定值和原油出換溫度的給定值，當(dāng)有偏差時(shí)，原油溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)最先啟動(dòng)，然后熱媒溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作，其中要加上煙氣含氧量修正值。整個(gè)系統(tǒng)搭建在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上，多臺(tái)爐子可協(xié)調(diào)工作，操作界面PanelView1000可同時(shí)監(jiān)控幾臺(tái)爐子的運(yùn)行情況，保證運(yùn)行的可靠、安全和平穩(wěn)，滿足長周期安全生產(chǎn)的要求。

熱媒爐的改造實(shí)踐說明，ControlLogix系統(tǒng)可完全替代小型DCS混合控制系統(tǒng)的控制且具有強(qiáng)大的通訊功能。

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ImprovementofHeatMediumFurnacesAutomaticControlSystem

GAO Wei1,ZHANG Luning2，HE Jia2

(1.Shenyang T-FINE Automation Company，Shenyang 110032，China；2.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Thermal medium heating furnaces are important equipments used to heat crude oil transported by pipe lines in the northeast of China.Based on the working principle of the furnace and the control method of ControlLogix system developed by A-B company of United States,the logic control of start and stop of ignition,the automatic loop control of combustion,and the RTU remote communication are integrated into a control system to improve the functions of the heating control system.The optimized combustion and energy saving results are achieved by the proposed control system.

heat medium furnaces;hysteresis control;temperature regulation;parameter simulation

2013-01-18

高瑋(1976—)，男，工程師，研究方向：熱能控制;通訊作者：張路寧(1957—)男，副教授，研究方向：熱能工程.

1003-1251(2014)04-0057-05

TP273+.1

A

趙麗琴)