基于MCGS連續(xù)立式焦爐控制系統(tǒng)設(shè)計

楊鵬飛 李 文 楊 鈺 高 鵬 羅 哲

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，永州 425199）

焦炭在工業(yè)和生活中的應(yīng)用十分廣泛，特別是在化工、冶金、機械等領(lǐng)域[1]。焦爐是焦炭生產(chǎn)的主要設(shè)備，但傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝（尤其是一些小的焦爐）落后，自動化低，基本靠人工調(diào)節(jié)，這都大大降低了生產(chǎn)率，不僅生產(chǎn)出來的焦炭品質(zhì)也較差，還極易產(chǎn)生污染，特別是原料進口的煤粉、出口產(chǎn)生的焦粉、生產(chǎn)中燃燒時產(chǎn)生的煤氣以及炭化時產(chǎn)生的廢氣[2]。針對以上4種污染物，行業(yè)專家采用了更方便、更可靠的全封閉直立式焦爐，該焦爐可以連續(xù)生產(chǎn)無需停機，同時能大大降低產(chǎn)生的污染物[3-6]。此次所選的立式焦爐結(jié)構(gòu)是在炭化室兩邊各夾一個燃燒室，燃燒室兩邊則夾著兩個蓄熱室。煤氣通常從底部的蓄熱室進入，通過蓄熱室后進入兩側(cè)的燃燒室進行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后則從另一個蓄熱室排出[7]。

本文針對此直立式焦爐的生產(chǎn)工藝和燃燒的特點[8]，結(jié)合過程反饋控制原理，設(shè)計了基于MCGS設(shè)計系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控程序和PLC為核心的電氣控制體系。實現(xiàn)了焦爐溫度控制的智能化，節(jié)省了大批的人力成本。

1 加熱反饋控制方案的實施過程

反饋控制過程的原理就是根據(jù)獲取輸出變量，并將輸出變量與目標值進行比較計算，通過調(diào)節(jié)輸入量從而將輸出量無限接近目標值的過程[9]。對于焦爐的生產(chǎn)工藝，輸出變量即煤氣的使用量以及在限定的結(jié)焦時間內(nèi)焦炭的合格率。目標值則是煤氣的使用量越低越好，輸入量則是煤氣使用量[10]。通過的焦爐的生產(chǎn)工藝的分析發(fā)現(xiàn)焦爐的過程反饋控制主要要解決的問題有3點：一是如何進行實現(xiàn)火道溫度的連續(xù)檢測；二是目標火道溫度的選擇過程；三是反饋后的偏差值如何進行修正[11]。

1.1 火道溫度的檢測

本系統(tǒng)的火道溫度主要是通過熱電偶傳感器采集得到，在燃燒室中，分別在上、中、下部位布置定量熱電偶傳感器，測量燃燒室內(nèi)的內(nèi)部溫度。通過采集得到的電信號轉(zhuǎn)化成量化值并對上中下的量化值取其平均數(shù)得到的即認定為焦爐的溫度[12]。

1.2 目標火道溫度的控制

目標火道溫度是理想情況下火道的溫度值，是在限定結(jié)焦時間下焦炭合格率的一個重要工藝指標，合理的目標火道溫度對焦炭的質(zhì)量也有很大的影響[13]。

1.3 溫度反饋控制策略

火道溫度的過程反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)火道溫度的檢測值與目標火道溫度的控制值進行偏差計算，并通過控制煤氣流量修正火道溫度[14]。但是，焦爐中燃燒室的燃燒反應(yīng)過程復雜多變要建立精準的供熱量與煤氣流量或者溫度與供熱量的數(shù)學模型較為困難[15]。目前，大部分采用的都是一個經(jīng)驗策略，即通過煤氣的普遍燃燒后產(chǎn)生的熱量值與能提高的溫度值進行一個比例計算后作為一個數(shù)學模型，當焦爐需要提高定量溫度時，則通過該數(shù)學模型提供對應(yīng)數(shù)量煤氣量；當需要降低溫度時則，減少相應(yīng)數(shù)量煤氣流量[61]。

2 硬件配置及控制程序

2.1 硬件配置

本設(shè)計選擇的某焦爐系統(tǒng)共有28個室，因此系統(tǒng)采用了4塊CUP224，4個CUP之間通過工業(yè)以太網(wǎng)直接和上位機連接。進行控制和數(shù)據(jù)的處理；采用了S鉑銠10-鉑傳感器其溫度測量范圍0～1600℃；采用EKS變送器，其溫度變送范圍在150～1600℃，精度0.5，輸出信號4～20mADC。

2.2 PID程序設(shè)計

控制系統(tǒng)中輸入/輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換方法：系統(tǒng)中的溫度設(shè)定值為目標火道溫度值SP，火道溫度為控制變量（并非完全過程變量PV，過程變量PV與PID輸出量有關(guān)）。熱電偶溫度傳感器傳回來是溫度信號（電信號），需將該溫度信號通過轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為標準信號才能輸入系統(tǒng)[17]。該系統(tǒng)用的變送輸入信號通過EM235轉(zhuǎn)化后即為數(shù)值信號，在將該數(shù)值信號通過A/D模擬量單元進行輸入。

回路輸出變量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：本設(shè)計中，進行完平均值求解后，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲形式是實數(shù)，輸出時必須是整數(shù)，因此需要將其轉(zhuǎn)換成整數(shù)類型。

PLC無法直接提供將實際數(shù)值轉(zhuǎn)化成整數(shù)的指令，因此需要先將實數(shù)轉(zhuǎn)化為雙整數(shù)，在通過程序?qū)㈦p整數(shù)再次轉(zhuǎn)化為整數(shù)[18]。

2.3 程序設(shè)計

采用1個燈來顯示過程的狀態(tài)。S鉑銠10-鉑傳感器負責檢測加熱爐中的溫度，通過EKS變送器把溫度信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電流信號，經(jīng)過PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行PID調(diào)節(jié)。根據(jù)PID輸出值來控制下一個周期內(nèi)的加熱。選擇的實例總共有28個燃燒室，需要有28個PID回路，而每個PLC只有8個PID控制回路，因此需要有4個CPU來控制。每個PLC控制7路，即每個回路有兩個溫度的值被傳送到PLC中并進行平均值計算后將值傳送到PID模塊中進行計算后傳送到調(diào)節(jié)閥中，進行調(diào)節(jié)。以一路PID回路的編程和圖樣為例，其他的均按照同樣的設(shè)計。I/O點地址分配如表1所示。

表1 I/O點地址分配

主程序的梯形圖如圖1所示，其他子程序無法一一展示。

圖1 程序示意圖

2.4 人機交互的設(shè)計

本系統(tǒng)使用的是基于MCGS設(shè)計系統(tǒng)的一種人機交互模式。該設(shè)計系統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的一種能快速與上位機監(jiān)控程序連接并建立組態(tài)的軟件包，能為用戶提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備驅(qū)動、動態(tài)畫面、過程控制、曲線輸出和實時數(shù)據(jù)輸出等功能[19]。

MCGS運行時主要是調(diào)用對應(yīng)的設(shè)備程序，并將調(diào)用的程序內(nèi)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的部位[20]。連續(xù)直立式焦爐的整個通信及運行示意圖如圖2所示。下位機由智能儀表構(gòu)成，實現(xiàn)對溫度和流量數(shù)據(jù)的采集和控制。

為使MCGS所設(shè)計畫面能隨下位機所檢測到的參數(shù)而動，必須給動畫的原件進行賦值，這就需要定義實時數(shù)據(jù)進行賦值，本系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)參數(shù)定義如圖2所示。

添加具體設(shè)備后進入?yún)?shù)設(shè)計，將PLC中的地址與實時數(shù)據(jù)建立通道連接，從而與建立PC與下位機的連接。并進行一些MCGS運行策略的編寫，從外圍來連接，至此建立了人機界面。

圖2 實時數(shù)據(jù)參數(shù)

以上是本系統(tǒng)的硬件、PID、程序設(shè)計及MCGS人機交互界面的設(shè)計情況，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)焦爐系統(tǒng)的智能控制及監(jiān)測大大提高生產(chǎn)率。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)采用西門子PLC為現(xiàn)場控制器，實現(xiàn)了焦爐火道溫度的良好控制，運行結(jié)果表明，焦爐反饋控制系統(tǒng)在實際的應(yīng)用中整體控制效果良好，大大降低了傳動焦爐容易出現(xiàn)的溫度波動，同時能保證焦爐的連續(xù)工作，促使煤氣的燃燒更充分合理。本文采用的基于MCGS設(shè)計系統(tǒng)的模擬組態(tài)畫面能保證操作人員實時的對焦爐系統(tǒng)的連續(xù)運作進行實時監(jiān)控。