基于PC的加氫反應(yīng)器材料步冷試驗控制系統(tǒng)

于占威，孫 杰

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

0 引言

在石油化學(xué)和石油煉制工業(yè)中，加氫裝置的加氫反應(yīng)器是關(guān)鍵設(shè)備，由于它在高溫、高壓、臨氫條件下操作，因而其材料的選用均按目前世界上通用的納爾森曲線運(yùn)行選取，均采用Cr-Mo鋼，而2.25Cr-1Mo鋼由于在該工藝條件下有較好的綜合性能，而被廣泛采用。但其在375～575℃長時間使用過程中會產(chǎn)生回火脆化［1］。為了評定2.25Cr-1Mo鋼的回火脆化程度，在脆化溫度范圍內(nèi)進(jìn)行長時間的等溫回火脆化是一種傳統(tǒng)的方法，但一般至少幾千小時，甚至幾萬小時，在工程上不是一種理想的方法，而步冷試驗方法是一種加速回火脆化試驗方法，這種方法全部過程為300h左右，就能達(dá)到材料回火脆化的效果，具有快速的優(yōu)點，因而在工程上得到廣泛應(yīng)用。

步冷試驗方法是一種在短時間內(nèi)進(jìn)行快速回火脆化的方法，又稱為階梯冷卻法［2］。步冷試驗是在步冷試驗裝置系統(tǒng)內(nèi)完成的，步冷試驗的結(jié)果與步冷試驗裝置的精度有很大關(guān)系。基于以往步冷試驗控制系統(tǒng)控制能力、控制精度較低的情況，這里提出一種智能控制系統(tǒng)，利用PC機(jī)、智能溫度控制儀和電阻加熱爐等組建了一個步冷試驗控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理及組成

系統(tǒng)的控制對象為2臺電阻爐，控溫范圍為0～1200℃，利用現(xiàn)代微機(jī)控制技術(shù)和接口技術(shù)，并采用了目前比較流行的DCS（分散控制系統(tǒng)）開發(fā)，具有升級、擴(kuò)充容易等優(yōu)點。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度傳感器，整個系統(tǒng)上層由PC機(jī)控制，下層由智能儀表控制，智能儀表通過溫度傳感器采集溫度信息，通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通角實現(xiàn)對電阻爐的溫度控制；智能儀表通過RS485串口實現(xiàn)與上位PC機(jī)的通信，接收并執(zhí)行上位PC機(jī)的命令。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)各個部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型

1.2.1 被控對象的設(shè)計

系統(tǒng)的被控對象為電阻加熱爐，結(jié)合步冷試驗的要求需要專門設(shè)計一種電阻加熱爐，來完成試驗。由于箱式電阻爐的使用范圍廣，不同溫度下可采用不同的電熱元件，且制品的燒成范圍也比較廣，適用于的燒成范圍也比較廣，可根據(jù)具體要求定做不同的規(guī)格，所以這里選用箱式電阻爐。

綜合考慮箱式電爐等溫度場的分布及溫度的均勻性，這里所設(shè)計的箱式電爐的爐膛主體結(jié)構(gòu)［3-4］主要包括爐膛底板、爐膛后板、爐膛側(cè)板、爐口板及爐門組成的封閉工作空間。其中，內(nèi)腔兩側(cè)各布置幾根硅碳棒作為發(fā)熱元件，爐膛底板放置有承燒板。承燒板即為有效工作空間，工件置于其上進(jìn)行熱處理。硅碳棒加熱元件的連接方式采用熱處理設(shè)備通用的星型方式。

1.2.2 測量元件的選擇

溫度傳感器既可分為接觸式和非接觸式，也可分為電器式和非電器式。為了實現(xiàn)熱處理自動控制，熱處理測溫優(yōu)先選用能自動檢測并能發(fā)出電信號的溫度傳感器。

結(jié)合試驗的要求，這里應(yīng)采用熱電偶傳感器［5］。熱電偶是應(yīng)用最廣的接觸式溫度傳感器，它由2根不同成分的均勻金屬絲組成。它們一端焊接在一起，稱測量端（熱端）；另一端分別接到測量儀表電路上，稱參比端（冷端）。測量端隨溫度變化產(chǎn)生不同的熱電勢，以mV信號輸出，其值正比于測量端與參比端的溫差。mV值與電偶絲的材料有關(guān)，與絲的直徑和長度無關(guān)。綜合考慮試驗的要求，選用WRN-130K型K熱電偶［6］，能夠?qū)⒉杉哪M信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給儀表儀器。

1.2.3 溫度顯示與調(diào)節(jié)儀表

溫度顯示與調(diào)節(jié)儀表根據(jù)輸出形式，可以分成數(shù)字量和模擬量2種方式。結(jié)合實際工廠和實驗室中的情況，應(yīng)選用智能溫度調(diào)節(jié)儀［7］。智能溫度調(diào)節(jié)儀采用具有運(yùn)算能力的微處理機(jī)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制算法，因此具有一定的判斷能力。特別適合于流量調(diào)節(jié)、閥門開度調(diào)節(jié)、開關(guān)控制和溫度控制等，既可以與工控軟件配合使用，也可以在上位機(jī)進(jìn)行簡單編程控制。綜合考慮試驗選用日本理化RKC的溫控儀，該產(chǎn)品能夠選用多種算法來控制電阻爐的溫度，帶有RS485串口通信，能夠和上位機(jī)實現(xiàn)通信，并且能夠獨(dú)立完成對電阻爐的控制，完成步冷試驗［8］。這里選用RKC-CB100帶有和上位機(jī)通信的產(chǎn)品。

1.2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

系統(tǒng)的研究對象是電阻爐，通過控制加熱元件（硅碳棒）的通斷來實現(xiàn)溫度的控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用三相交流固態(tài)繼電器［9］，取代了以往的接觸器。主要原因是，接觸器控制精度較低，一般在±5%之間，而且噪音大、耗能高，對電網(wǎng)有干擾。然而固態(tài)繼電器不僅噪音低、耗能少，而且對電網(wǎng)沒有干擾。考慮試驗電阻爐采用硅碳棒為加熱元件，為了使控制性能優(yōu)越，硅碳棒采用星型連接的方法。因此固態(tài)繼電器選用三相交流固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器種類繁多，考慮性價比，這里采用了美格爾三相固態(tài)繼電器MGR-30323840Z，直流控交流40A。

1.3 溫度控制及原理

系統(tǒng)的溫度由上位PC機(jī)、智能儀表和電阻爐共同控制。上位PC機(jī)根據(jù)用戶設(shè)置的步冷試驗溫度曲線與智能儀表通信，控制智能儀表的預(yù)設(shè)溫度SV值，智能儀表采集熱電偶溫度信號，并將其與預(yù)設(shè)溫度SV信號比較，得出偏差，采用智能儀表內(nèi)部自帶的控制算法，對此偏差進(jìn)行修正，求得對應(yīng)的控制量，控制固態(tài)繼電器的輸出，從而控制控制柜的控制電路，使電爐絲導(dǎo)通或關(guān)斷，實現(xiàn)對電阻爐溫度的控制。其控制過程如圖2所示。

圖2 溫度控制過程

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)要求，步冷試驗控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)：一是通過智能儀表對溫度進(jìn)行采集和控制；二是對采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理、管理和分析。因此，系統(tǒng)的需求可以從以上2個方面來分析考慮。系統(tǒng)在C++Builder6.0平臺下開發(fā)實現(xiàn)，具有算法可擴(kuò)展性、溫度可視化、用戶界面友好、控制方案視工藝要求靈活組合等優(yōu)點［10］。提出了多溫度連續(xù)可調(diào)的計算機(jī)控制方法，以滿足復(fù)雜步冷試驗工藝要求，具體功能如圖3所示。

圖3 步冷試驗控制系統(tǒng)軟件功能

為了達(dá)到工藝要求的目的，電阻爐溫度控制時結(jié)合多種控制算法，如P、PI、PID、模糊控制算法和智能控制算法等，這些算法均做成模塊，視工藝要求采用相應(yīng)的算法，以獲得好的控制效果。試驗控制系統(tǒng)采用RKC智能儀表進(jìn)行控制，儀表內(nèi)部已經(jīng)包含有自己的控制算法，因此，可以采用智能儀表本身的算法對電阻爐進(jìn)行控制，同時還可以對儀表的算法參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置，以此達(dá)到試驗的控制要求。

3 實用效果

步冷試驗是一種非常重要的工藝環(huán)節(jié)，對加氫反應(yīng)器裝置的設(shè)計具有重要意義。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在試驗過程中的使用，不僅提高了自動化及監(jiān)控水平，也提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，同時降低了勞動強(qiáng)度，明顯地提高了實用效益。

根據(jù)步冷試驗的實際情況，采用這種控溫方法，精度比較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足了試驗的實際需要、系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、各項指標(biāo)符合設(shè)計要求。從上位計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的使用效果來看，系統(tǒng)不僅降低勞動強(qiáng)度，提高設(shè)備運(yùn)行效率，同時提高了電阻爐的控溫精度，極大地改善了步冷試驗控溫現(xiàn)場的情況，提升了步冷技術(shù)、管理的自動化程度。

4 結(jié)束語

在所設(shè)計的步冷試驗控制系統(tǒng)中，由上位機(jī)通過通信設(shè)備，監(jiān)控此套集散系統(tǒng)，可現(xiàn)場實時監(jiān)督和控制各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并實時打印出所需的溫控曲線。方便了現(xiàn)場操作，提高了工作效率，也提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，同時在降低生產(chǎn)成本，降低消耗方面取得了明顯的效果。

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