罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

薛成龍

（嘉峪關(guān)索通預(yù)焙陽極有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

罐式煅燒爐的溫度控制是影響煅燒石油焦質(zhì)量的主要因素[1]，而預(yù)熱空氣進(jìn)氣量是保證煅燒爐火道溫度恒定的重要環(huán)節(jié)[2]。目前罐式煅燒爐的溫度控制只能由員工依靠經(jīng)驗(yàn)手工進(jìn)行。這無疑存在諸多弊端：第一，人工調(diào)節(jié)溫度誤差較大，不能實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證；第二，員工精力有限，溫度不能及時(shí)調(diào)節(jié)，使罐式煅燒爐溫度忽高忽低，會(huì)縮短罐式煅燒爐的使用壽命；第三，罐式煅燒爐爐面溫度高，作業(yè)環(huán)境差，不利于員工職業(yè)健康安全；第四，罐式煅燒爐自動(dòng)化程度低，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，企業(yè)人工成本居高不下。

罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制系統(tǒng)，通過安裝在罐式煅燒爐火道墻上的光電溫度傳感器檢測罐式煅燒爐溫度，根據(jù)溫度設(shè)定值和相應(yīng)控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)安裝在罐式煅燒爐空氣道入口的風(fēng)門執(zhí)行器的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)熱空氣進(jìn)氣量的目的，從而實(shí)現(xiàn)罐式煅燒爐溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)PLC可編程控制系統(tǒng)選用西門子SIMATIC S7-300系列。西門子SIMATIC S7-300系列模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0支持多種信號類型，可以直接接收光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號；SIMATIC S7-300系列CPU模塊支持SCL結(jié)構(gòu)化控制語言編程，適合于公式計(jì)算、復(fù)雜的最優(yōu)化算法、管理大量的數(shù)據(jù)或重復(fù)使用的功能[3]，可以很方便地將一套控制算法應(yīng)用到32罐罐式煅燒爐的控制中，大大提高了編程效率，降低了調(diào)試難度。

為節(jié)約投資，工程師站和操作員站合二為一，通過以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)通訊，同時(shí)通過以太網(wǎng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至調(diào)度中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 溫度信號MATLAB曲線函數(shù)擬合

光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號與溫度值呈非線性關(guān)系，傳感器廠家僅提供了對應(yīng)的分度表。為了處理毫伏信號到溫度值的轉(zhuǎn)換，一般的做法是在PLC中采用二維查表算法，這種算法非常耗費(fèi)CPU掃描時(shí)間，CPU掃描時(shí)間達(dá)292ms（見圖2），導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)利用MATLAB曲線函數(shù)擬合功能對光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號與溫度值的關(guān)系進(jìn)行曲線函數(shù)擬合。

將廠家提供的溫度對應(yīng)分度表輸入MATLAB，利用Curve Fitting Tool選擇曲線類型，軟件自動(dòng)完成曲線擬合，并給出擬合函數(shù)表達(dá)式（見圖3）。最終得出的擬合函數(shù)表達(dá)式為：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 查表法CPU掃描時(shí)間

其中：x為光電溫度傳感器的輸出的毫伏值

y為毫伏值所對應(yīng)的溫度值

R-square越接近1，說明擬合度越好。如圖4所示，根據(jù)MATLAB輸出的曲線函數(shù)擬合結(jié)果得知R-square達(dá)到了0.99993。這說明通過擬合出的函數(shù)表達(dá)式可以真實(shí)反映光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號與溫度值的關(guān)系。

利用最終得出的擬合函數(shù)表達(dá)式在STEP7編程軟件中采用SCL編程實(shí)現(xiàn)處理毫伏信號到溫度值的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，改進(jìn)后CPU的掃描時(shí)間僅為9ms（見圖5），大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，消除了系統(tǒng)運(yùn)行滯后的現(xiàn)象。

4 STEP7 SCL編程

圖3 溫度信號MATLAB曲線函數(shù)擬合

圖5 MATLAB擬合函數(shù)法CPU掃描時(shí)間

圖6 STEP7 SCL編程示例

圖7 程序結(jié)構(gòu)圖

西門子SCL結(jié)構(gòu)化控制語言是一種類似于計(jì)算機(jī)高級編程語言的編程方式，它符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3和PLCopen基礎(chǔ)級認(rèn)證，語法規(guī)范接近計(jì)算機(jī)高級編程語言中的PASCAL 語言[4]，支持間接尋址和數(shù)組操作，適用于公式計(jì)算、復(fù)雜數(shù)學(xué)算法和過程優(yōu)化。本項(xiàng)目使用SCL結(jié)構(gòu)化控制語言編程，利用間接尋址和數(shù)組大大減少了編程工作量，減小了程序出錯(cuò)的幾率，加快了程序調(diào)試進(jìn)度。

圖6所示為風(fēng)門執(zhí)行器開度反饋信號模擬量轉(zhuǎn)換的SCL示例程序。程序采用for語句循環(huán)執(zhí)行SCALE子程序，SCALE子程序是STEP7內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)庫，作用是模擬量到工程量的轉(zhuǎn)換。SCALE子程序的輸入地址采用間接尋址的方式，在循環(huán)語句中自動(dòng)遞增，批量實(shí)現(xiàn)模擬量到工程量的轉(zhuǎn)換。這種編程方式非常適合處理批量重復(fù)的程序代碼。以此類推，32罐煅燒爐每一罐的調(diào)溫控制算法、負(fù)壓控制算法等也是重復(fù)的，采用這種編程方法就可以方便的批量處理了。

顯而易見，采用循環(huán)調(diào)用子程序的方式批量處理重復(fù)的程序代碼，當(dāng)需要調(diào)整控制算法時(shí)，只需要修改調(diào)用的子程序就可以了，無需逐一修改大量重復(fù)的程序代碼，可以達(dá)到“一次修改，全局生效”的目的，大大減少了編程的工作量，加快了程序調(diào)試的進(jìn)度，也減小了程序出錯(cuò)的幾率。

本系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖7所示，按功能不同編寫帶有參數(shù)的算法模塊，在子程序中利用循環(huán)指令和間接尋址進(jìn)行算法模塊多次復(fù)用，最終所有子程序在主程序中調(diào)用執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了功能清晰、易于閱讀的結(jié)構(gòu)化控制程序。

5 WINCC組態(tài)畫面

人機(jī)界面的友好程度直接決定了控制系統(tǒng)易用性。罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)上位機(jī)采用西門子WINCC組態(tài)軟件，軟件歷史數(shù)據(jù)存儲采用SQL數(shù)據(jù)庫，這為后面用VBA腳本實(shí)現(xiàn)自由報(bào)表提供了便捷的方法。

如圖8所示，為減少操作員切換頁面的次數(shù)，本系統(tǒng)將罐式煅燒爐32罐分為8組全部展示在總覽畫面上，不僅可以查看每罐的實(shí)時(shí)溫度、負(fù)壓、閥門開度等數(shù)據(jù)，還可以按單罐或一組切換手自動(dòng)控制模式，方便操作員靈活操作。

圖8 WINCC總覽畫面

圖9 WINCC歷史趨勢曲線

圖10 WINCC自由報(bào)表VBA腳本示例

圖11 WINCC自由報(bào)表畫面

圖12 WINCC參數(shù)設(shè)置畫面

為方便查看歷史趨勢曲線，本系統(tǒng)可分別按照組或數(shù)據(jù)類別查看歷史趨勢曲線（見圖9），并可將歷史趨勢曲線打印輸出。

為了實(shí)現(xiàn)靈活的報(bào)表功能，本系統(tǒng)采用VBA腳本和office Web Components組件，實(shí)現(xiàn)了按班、日、月、自由時(shí)間等不同時(shí)間范圍自動(dòng)查詢、生成生產(chǎn)記錄報(bào)表，解決了人工填寫生產(chǎn)報(bào)表煩瑣、易錯(cuò)的弊病，同時(shí)節(jié)約了大量紙質(zhì)記錄表格，達(dá)到環(huán)保降耗的目的。

如圖10所示，VBA腳本示例了從WINCC SQL數(shù)據(jù)庫中查詢指定時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，然后按照報(bào)表格式自動(dòng)生成報(bào)表。

圖11為最終實(shí)現(xiàn)的WINCC自由報(bào)表畫面。操作員可選擇按班、日、月查詢報(bào)表，也可以自由選擇時(shí)間范圍查詢報(bào)表數(shù)據(jù)，同時(shí)隨時(shí)可將生成的報(bào)表打印輸出。

為保證清罐或檢修過程中控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本系統(tǒng)設(shè)置了按組允許使能控制的功能，如圖12 所示。只有勾選的組按照控制算法進(jìn)行自動(dòng)控制，未勾選的組則不參與任何控制，此時(shí)總覽畫面上未勾選的組顯示為灰色。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上下限報(bào)警值，能夠以變色、閃爍的方式提醒操作員超限報(bào)警，并在報(bào)警記錄列表中顯示報(bào)警信息。

6 結(jié)論

罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)投運(yùn)后，提高了罐式煅燒爐的自動(dòng)化控制水平，解決了人工調(diào)溫的諸多弊端，提高了煅燒石油焦的質(zhì)量，延長了罐式煅燒爐使用壽命，有利于員工職業(yè)健康安全，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，縮減了企業(yè)人工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。