郭帆;曹宏涛;王华强;王联庆
【摘 要】Taking SMPT-1000 heating furnace unit as controlled object which complete the control algorithm and the monitoring interface configuration on SIMATIC PCS7. Through the implementation,the heating furnace system can be automatically controled.%以SMPT-1000加热炉单元为被控对象，在SIMATIC PCS7上完成控制算法和监控界面组态。通过现场实施，实现了加热炉控制系统的自动控制。 【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】加热炉;PCS7;组态
【作 者】郭帆;曹宏涛;王华强;王联庆
【作者单位】西安科技大学，西安710054;西安陕鼓动力股份有限公司 自动化中心，西安710075;西安陕鼓动力股份有限公司 自动化中心，西安710075;西安陕鼓动力股份有限公司 自动化中心，西安710075
【正文语种】中 文
【中图分类】TP273
0 引言
SMPT－1000加热炉是一种典型的传热设备，通过热交换，将被加热物料加热到工艺要求的温度。控制的准确性和灵活性，直接关系到被加热物料的合格率和产量。该文介绍了采用西门子的SIMATIC PCS7控制系统对加热炉生产过程的控制，满足生产工艺要求，高效，环保。 1 加热炉工艺简介
加热炉工艺流程如图1所示。
图1 加热炉工艺流程
物料A经由上料泵P1101泵出，先进入换热器E1101管程预热，再依次进入加热炉F1101的对流段和辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量，被加热成高温热物料A，然后进入换热器E1101壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后达到工艺所要求温度并送出。i3dg
2 基于PCS7的系统结构设计
系统控制对象是SMPT－1000加热炉，PCS7控制系统由工业以太网和过程现场总线Profibus－DP网络组成，系统结构如图2所示。
图2 系统结构图
系统由操作员站OS、工程师站ES以及冗余的AS控制站组成，由过程现场总线Profibus－DP连接检测现场工艺控制变量信息的采集。其中，该系统的AS控制处理单元、过程现场总线Profibus－DP均采用冗余配置。在整个系统的控制中设有手动操作台仪表显示及控制，在采集现场传感器信号时，采用隔离器进行信号隔离、分配。执行器(气动调节阀以及烟道挡板)一般有2路接口，一路为执行器(气动调节阀以及烟道挡板)控制信号接口，另一路
则为执行器(气动调节阀以及烟道挡板)反馈接口。
3 重要控制回路的控制原理
西门子SIMATIC PCS7过程控制系统是西门子公司在TELEPERM系列集散系统和S7系列可编程控制器的基础上，研制开发的新型DCS控制系统。PCS7将传统的DCS与PLC控制系统优点相结合，是面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。PCS7基于全集成自动化系列的模块化硬件和软件部件，可进行无缝扩展和改进，可以根据需要选用不同的功能组件进行系统组态。利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通信，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接受现场传感检测信号采集。
以进料流量A作为直接被控变量，可采用单回路闭环控制系统实现进料流量的控制，对测量信号进行低通滤波后，选用PID控制规律来调节阀门V1101开度以实现进料流量的定值控制，其控制方块图如图3所示。
图3 物料A流量控制方块图
3.2 温度控制
以热交换器E1101为控制对象，被控变量为出料温度TT1104，控制变量为冷物料流量FT1102，通过改变调节阀V1103开度实现对流量FT1102的控制;由于影响出料温度TT1104控制的主要扰动为辐射段出口温度TT1103，而热交换器又是一个相应比较慢的控制过程。综合以上分析，可采用前馈－反馈复合控制系统，其控制方块图如图4所示。
图4 出料温度前馈－反馈复合控制系统框图
3.3 燃烧及负压系统控制
以辐射段出料温度TT1103为主控制对象，燃料流量TT1103为控制变量，燃料流量FT1103为副被控变量，辐射段进料温度TT1102为主要扰动，采用辐射段出料温度前馈－串级控制方案。其控制方块图如图5所示。
图5 加热炉辐射段出料温度前馈－串级控制方块图
4 重要安全逻辑联锁控制
合理可行的正常开车、正常停车以及紧急停车控制方案，对提高生产效率，节能降耗，保护环境也具有重要的意义。PCS7采用先进的SFC控制编程模式，来完成机组的重要逻辑联锁。
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4.1 开车安全控制
开车过程包括进料、炉膛负压自动控制及燃烧自动过程控制的投入。有效缩短开车过程时间，对节省燃料和提高生产效率具有重要意义。开车自动控制程序如图6所示。
打开引风挡板DO1101，进行炉膛吹扫，去除炉膛内可能残存的燃料—空气混合物;投物料A流量自动控制，使物料A以小流量流动;开启燃料泵，打开阀门V1104，放掉燃料管中的残余燃料，关闭阀门V1104;开启鼓风机，根据炉膛温度，调节鼓风速度大小，油点火;点火后依据炉温变化，缓慢开大燃料阀门V1104，并投燃烧过程自动控制;启动炉膛负压控制，保持负压稳定;启动开车阶段温度速率控制，使温度在安全运行的范围内以最快的速率上升。根据物料加热的要求，逐渐提升负荷，使物料A流量逐步增加到要求的设定值，加热炉开车进入正常工况。
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碳浆图6 开车控制流程
4.2 正常停车安全控制
工业生产系统需要定期停车进行系统检修、仪表校正，根据燃烧过程特点以及安全性原则，给出正常停车组态方案。加热炉正常工况下的自动停车控制程序如图7所示。
图7 正常停车控制
退出燃烧过程以及温度自动控制，关闭阀门V1104，停止燃料供应;鼓风机停止工作;退出炉膛负压控制，全关引风挡板DO1101，保持炉膛温度，防止炉内冷却过快而损坏炉衬耐火材料;当炉膛温度降到安全温度以下时，逐步减小物料A流量，最后退出流量自动控制;全开引风挡板，进行炉膛吹扫，使系统进入备用状态。
4.3 紧急停车以及爆管安全控制
加热炉在长期使用过程中，由于物料进料突变、燃料泵失灵等因素，影响系统的正常运作，容易发生炉管爆裂、炉膛灭火等危险情况，严重影响设备及工作人员的安全，因此必须设计紧急停车自动控制。紧急停车自动控制程序如图8所示。
图8 紧急停车控制
退出燃烧过程以及温度自动控制，关闭阀门V1104，停止燃料供应;鼓风机停止工作;退出炉膛负压控制，全关引风挡板DO1101，保持炉膛温度，防止炉内冷却过快而损坏炉衬耐火材料;当炉膛温度降到安全温度以下时，逐步减小物料A流量，最后退出流量自动控制;全开引风挡板，进行炉膛吹扫，使系统进入备用状态。
当待加热物料A的流量F1101的模拟输入信号在开车时，为联锁系统误停车，将引起停车的信号条件，设置了联锁解除功能，以确保加热炉的正常开车;复位按钮避免输入信号在紧急停车后恢复正常而使加热炉自动启动，达到自锁的功能，保证安全。
5 监控系统
监控系统采用PCS7的综合监视系统，该软件是一个基于多任务、多平台、实时性好、开放性好的集成软件包，具有良好的开放性和灵活性，组态简便、高效，内置所有SCADA功能。具有报警实时记录和运行参数曲线记录的功能，以便于发生故障时的数据分析。
5.1 实时过程监控
在加热炉工艺流程图里面，可以对每一个控制器进行参数设置，也可以进行报警参数设置和报警确认。对于工业领域常见的加热炉单元，应装设高低限报警及高高、低低限报警(且高低报警信号须能区分)。当流量和温度处于极限位置时，声光报警系统指示灯通过亮或灭、闪烁或颜区别来显示报警状态;并通过声音报警装置发出报警声提醒操作人员注意。监视实时过程监控画面如图9所示。
图9 加热炉实时监控界面
5.2 实时数据记录
网络滤波器在系统正常运行时，监控界面对出现的紧急故障停车记录和在运行过程中参数的数据记录曲线提供技术分析数据，从而使故障及时消除，同时为加热物料的合格提供分析依据，提高生产效率。
