可編程控制器在熱媒爐自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊曉菊　李艷霞

摘 要：熱媒間接式加熱爐（簡稱熱媒爐）主要完成原油輸送、煉化生產(chǎn)過程中的加熱任務(wù)。熱媒爐的最大特點是控制參數(shù)多，是大延時純滯后系統(tǒng)，控制回路復(fù)雜，原一直采用模擬時序邏輯控制器，不易達到理想的效果，可編程控制器在熱媒爐自控系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過內(nèi)部程序的運算，實現(xiàn)了熱媒爐的最優(yōu)化運行。降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高了熱媒爐效率和解決了環(huán)境污染問題。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；熱媒爐；控制系統(tǒng)

中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）13-130-2

0 引言

熱媒爐是原油長輸管道、煉化生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，主要完成原油輸送、煉化生產(chǎn)過程中的加熱任務(wù)。熱媒爐的最大特點是控制參數(shù)多，是大延時純滯后系統(tǒng)，控制回路復(fù)雜，不易達到理想的控制效果。但如果控制理想的話，節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟效益和社會效益均很顯著。

1 熱媒爐自控系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)熱媒爐的工藝特點及控制要求，結(jié)合熱媒爐檢修規(guī)程，制定熱媒爐控制系統(tǒng)的技術(shù)要求如下：

①熱媒爐運行穩(wěn)定，自控設(shè)備抗干擾性強，質(zhì)量可靠。②系統(tǒng)的性能應(yīng)在原爐的基礎(chǔ)上有所提高，控制可靠、量值傳遞準確。③系統(tǒng)的運行操作應(yīng)簡單、方便，顯示界面設(shè)置合理，參數(shù)讀取直觀，監(jiān)視、維修方便。④燃料油壓力實現(xiàn)自整定。在燃料油管線上安裝了兩臺自力式壓力調(diào)節(jié)閥，通過修改定值達到了穩(wěn)定燃料油進爐壓力的目的。⑤燃料油系統(tǒng)配備三級電加熱器，并通過爐控機實現(xiàn)自動溫度控制。⑥簡化啟停爐操作。在燃料油系統(tǒng)運行正常的情況下，一鍵啟爐，啟爐后PLC檢測“大小火開關(guān)”的狀態(tài)，當(dāng)其處于“小火”位時，加熱爐維持在最低負荷狀態(tài)運行；當(dāng)其處于“大火”位時，加熱爐將進入自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。任何時刻可以手動停爐。⑦完善的加熱爐運行安全保護系統(tǒng)。對于參數(shù)超限或儀表故障等情況能自動停爐，同時產(chǎn)生聲光報警，并且在爐控機上有詳細的信息顯示。

2 PLC控制器的硬件組成及功能

本次熱媒爐改造工程，經(jīng)過技術(shù)和市場調(diào)研，選用了Siemens公司的314型可編程序控制器，做為熱媒爐的控制核心（爐控機）。

①控制器的核心是以Intel 80486為基礎(chǔ)的314型CPU模塊。它完成全部的控制、運算任務(wù)，并監(jiān)控其余功能模塊的工作狀態(tài)。②存儲模塊。是用戶程序或檢測、控制信息的存放載體。③通訊模塊，用于實現(xiàn)與上位機或編程器的信息交流。還可以與其他的PLC連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更復(fù)雜的控制任務(wù)。因上位機及其通訊協(xié)議未確定，所以該模塊及相關(guān)通訊軟件暫未安裝。④I/O模塊。用于開關(guān)量、數(shù)字量或RTD、熱電偶、直流電壓、電流的輸入檢測及開關(guān)信號或直流標準電壓、電流信號的輸出。

3 控制系統(tǒng)軟件介紹

根據(jù)熱媒爐的控制要求，PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序和若干子程序構(gòu)成。用STEP 7編程軟件支持的梯形圖邏輯語言編寫。

該程序是以原熱媒爐自控系統(tǒng)的動作條件和邏輯為基礎(chǔ)，結(jié)合實際運行經(jīng)驗，在保證熱媒爐運行安全的前提下編制而成。

本系統(tǒng)的燃燒控制采用“油風(fēng)流量比值仿真”調(diào)節(jié)，既由人工根據(jù)熱媒爐的負荷百分比，調(diào)節(jié)燃料油流量，然后根據(jù)熱媒爐的煙氣含氧量顯示，調(diào)整助燃風(fēng)流量。由此采集一組數(shù)據(jù)，既建立“閥特性匹配模型”。以此對應(yīng)某一工況下熱媒爐的不同負荷，燃料油的流量是相對固定的，人工調(diào)整助燃風(fēng)的流量，同時保證煙氣含氧量處于4%～6%范圍內(nèi)，這一組參數(shù)就是該爐的最佳閥特性匹配參數(shù)，既該爐在某一確定工況下的最佳燃燒油風(fēng)比例。

4 熱媒爐自動化控制系統(tǒng)

4.1 I/O量分布

①11個AI量。即熱媒入爐溫度、出爐溫度、原油溫度、燃料油溫度、煙氣出爐溫度、排煙溫度、助燃風(fēng)流量、燃料油流量、熱媒流量、煙氣含氧量和三通閥閥位。②10個DI量。即大小火轉(zhuǎn)換開關(guān)、復(fù)位按鈕、啟爐按鈕、停爐按鈕、燃料油壓力開關(guān)、助燃風(fēng)壓力開關(guān)、霧化風(fēng)壓力開關(guān)、火焰故障、熱媒罐位低開關(guān)和熱媒罐位高開關(guān)。③3個AO量。即燃料油調(diào)節(jié)閥開度、助燃風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度和三通調(diào)節(jié)閥開度。④5個DO量。即一為開助燃風(fēng)機、霧化風(fēng)機和吹掃電磁閥，之二為副火電磁閥和點火電極帶電，之三為開主燃料油電磁閥，之四為關(guān)覆蓋電磁閥、開滅火電磁閥、停熱媒循環(huán)泵、霧化風(fēng)機和助燃風(fēng)機，之五為產(chǎn)生報警狀態(tài)信號。（如圖1）

4.2 熱媒爐輔助控制系統(tǒng)及部分參數(shù)設(shè)定

4.2.1 熱媒溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PID程序）

監(jiān)控?zé)崦匠鰻t溫度，根據(jù)熱媒溫度外設(shè)值調(diào)節(jié)輸出，范圍 0-100%，為反作用調(diào)節(jié)。

4.2.2 原油溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PID程序）

檢測原油出爐溫度，根據(jù)原油溫度外設(shè)值調(diào)節(jié)輸出，范圍0-100%（負荷），為反作用調(diào)節(jié)。

P = 10；I = 0.5；D = 0.05。

4.2.3 氧量微調(diào)解系統(tǒng)（PID程序）

當(dāng)該回路置為自動時起作用。它檢測煙氣中的含氧量，與給定值比較，運算后輸出 -10% — +10%，疊加到風(fēng)量調(diào)節(jié)回路，為反作用調(diào)節(jié)。

P = 5；I = 0.5。

4.2.4 燃料油調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PID程序）

在啟爐進行0s時，輸出 0（負荷）；在150s時，輸出0.15（負荷）；在第179s后，檢測燃料油流量，根據(jù)燃料油內(nèi)給定值輸出，范圍0 — 100%，調(diào)節(jié)燃料油調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)作用為反作用。

P = 4；I = 0.1。

4.2.5 報警信息鎖存系統(tǒng)

當(dāng)停爐條件發(fā)生時，產(chǎn)生停爐報警信息，供操作人員檢查越限的工藝參數(shù)。

4.2.6 上位機通訊系統(tǒng)

爐控機上傳的信息分別有原油出爐溫度、加熱爐啟/停狀態(tài)、停爐信息。站控機下傳的信息是爐控機控制參數(shù)的修改、爐控機程序的修改等。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

①熱媒爐控制系統(tǒng)改造前后，僅煙氣含氧量及合理的負荷調(diào)整兩項，經(jīng)委托能源測試中心實際測試，提高爐效2.7%，按企業(yè)原有10臺熱媒爐年實際耗油量23467噸計算，原油價格按4300元/噸計，則每臺爐年節(jié)省燃料油費用為：

0.43×23467×2.7%/10=27.25（萬元）

②熱媒爐控制系統(tǒng)改造前，每臺爐每年的儀表維護費用大約需要5萬元。改造后，系統(tǒng)的各種表計實現(xiàn)了統(tǒng)一的標準化，此項費用約可節(jié)省3萬元。

單臺爐合計年節(jié)省費用約30.25萬元。

年節(jié)約費用30.25×10=302.5萬元。

5.2 社會效益分析

①改善了困擾各站多年的環(huán)境污染問題。熱媒爐控制系統(tǒng)改造后，油風(fēng)配比良好，爐子燃燒充分，從根本上解決了熱媒爐的煙塵污染。②降低了維護人員的勞動強度。舊的自控系統(tǒng)，設(shè)備表計陳舊、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之系統(tǒng)超期服役，導(dǎo)致儀表維護人員的勞動強度很大。

6 結(jié)束語

要保證熱媒爐的高效安全運行，自控系統(tǒng)十分重要。本次熱媒爐改造工程，通過應(yīng)用新技術(shù)、新理論，實現(xiàn)了熱媒爐的優(yōu)化運行，取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。同時提高了維護、運行員工的技術(shù)水平。熱媒爐的優(yōu)化運行機理是非常復(fù)雜的，要完全實現(xiàn)這一目標，還有很多工作要做。

參 考 文 獻

[1] 朱善君，翁章，鄧麗曼，周卓倫.可編程控制系統(tǒng)原理應(yīng)用維護[M].清華大學(xué)出版社，1992：43-229.

[2] 李樹雄.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003：44-258.

[3] 王毅.過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2001：109-227.