西門子PLC在沸騰氯化爐控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

于娟+白浪+龍瑤琳

【摘 要】本課題擯棄了傳統(tǒng)的人工模式，建立沸騰氯化爐生產(chǎn)四氯化鈦過程理想模型，采用PLC可編程控制器，并結(jié)合PID控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對沸騰氯化爐溫度和料層高度的控制。根據(jù)K型熱電偶采集到的溫度信號來調(diào)節(jié)混合物料的傳輸速度和氯氣的輸送速度，根據(jù)核子料位計(jì)采集到的料層高度控制排渣的速度。通過在沸騰氯化爐中引入西門子PLC，較好的實(shí)現(xiàn)了沸騰氯化爐的自動化控制。

【關(guān)鍵詞】PLC；沸騰氯化爐；組態(tài)

0 引言

四氯化鈦是鈦冶煉過程中一個(gè)重要的中間產(chǎn)品，目前世界上制取四氯化鈦?zhàn)钇毡榈姆椒ㄊ怯梅序v氯化法。沸騰氯化又稱流態(tài)化氯化，是采用富含鈦的細(xì)微顆粒礦料與固體碳質(zhì)（石油焦）還原劑，在高溫和氯氣流的作用下，呈流態(tài)化狀態(tài)進(jìn)行氯化反應(yīng)，以此來制取四氯化鈦的方法。然而，人工控制在沸騰氯化生產(chǎn)過程中難以及時(shí)設(shè)定混合物料進(jìn)料速度和氯氣流量，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)，并且原料利用率和生產(chǎn)效率低。沸騰氯化生產(chǎn)四氯化鈦的關(guān)鍵設(shè)備是沸騰氯化爐，沸騰氯化爐內(nèi)溫度和料曾高度在沸騰氯化生產(chǎn)四氯化鈦工藝環(huán)節(jié)中對產(chǎn)品的品質(zhì)尤為重要。[1-2]因此引入可編程控制器對沸騰氯化爐的控制，讓四氯化鈦生產(chǎn)工藝技術(shù)更加合理、更加完善，對國內(nèi)沸騰氯化技術(shù)的向前推進(jìn)具有積極意義。[3]

本設(shè)計(jì)方案采用基于西門子PLC可編程控制器，并結(jié)合PID控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對沸騰氯化爐溫度和爐內(nèi)料層高度的控制。

1 整體方案

根據(jù)沸騰氯化爐的控制要求，要實(shí)現(xiàn)溫度以及料層高的快速有效控制，單純的使用開環(huán)控制系統(tǒng)會使溫度或者料層高度朝著單一的方向進(jìn)行變化，并不能維持在一個(gè)特定的工藝生產(chǎn)環(huán)境。雖然復(fù)合控制系統(tǒng)能夠?qū)㈤_環(huán)控制和閉環(huán)控制有機(jī)的結(jié)合起來，克服了傳輸過程中的時(shí)間延遲，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性只由偏差控制回路所決定，能夠同反饋控制系統(tǒng)的研究方法進(jìn)行分析。但是生產(chǎn)過程經(jīng)簡化處理后，很多干擾在理想化后都可以忽略，控制時(shí)只需要根據(jù)偏差進(jìn)行控制，可忽略擾動因素，所以選擇簡單的閉環(huán)控制回路就足夠。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用PLC作為控制器，利用熱電偶在實(shí)際的有溫度差環(huán)境中形成的溫差電動勢其輸出到模擬量輸入/輸出模塊，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號送到PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。料位計(jì)采集到料面高度后，以4-20mA的電流信號輸入到PLC中。通過PLC的數(shù)據(jù)處理之后，將控制信號輸出到對應(yīng)的控制閥，以調(diào)節(jié)控制閥的開度，實(shí)現(xiàn)對溫度和料位高度的控制。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

沸騰氯化爐生產(chǎn)工藝現(xiàn)場的控制技術(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的，為達(dá)到預(yù)期效果，需要選取合適的傳感器和控制閥，采用相應(yīng)的輸入/輸出電壓或電流，在PLC中進(jìn)行模擬控制。本設(shè)計(jì)選用硬件如下：

2.1 YJD-HX型星型給料機(jī)

星形給料機(jī)是機(jī)械化和自動控制系統(tǒng)中均勻連續(xù)配料、輸送、卸料設(shè)備。星型給料機(jī)上部料倉的物料靠自重落入葉片的空隙中，隨葉片的旋轉(zhuǎn)而從其下部輸出，它可以定量而連續(xù)地給料，要控制給料的速度就需要控制減速電機(jī)的速度，以實(shí)現(xiàn)給料速度的連續(xù)可控調(diào)節(jié)。整機(jī)具有體積小、重量輕、生產(chǎn)能力強(qiáng)、維修操作方便等特點(diǎn)。

2.2 K型熱電偶

K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。如圖2，它通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成，可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。K型熱電偶其穩(wěn)定性和均勻性較好，靈敏度高，線性度好，熱電動勢較大，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等，在氧化性及惰性氣氛中，K型熱電偶是很好的選擇。[4]

2.3 YT-HL系列核子料位計(jì)

YT-HL系列核子料位計(jì)是利用射線技術(shù)，通過伽馬射線與被測物質(zhì)的相互作用，得到隨物料料面或液體液面變化的射線強(qiáng)度信號，然后監(jiān)測處理這一信號并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號，用于連續(xù)顯示料位或作為料位控制信號。核子料位計(jì)的現(xiàn)場安裝示意如圖3。

2.4 S7-300PLC的硬件選擇

西門子S7系列PLC是西門子自動化產(chǎn)品中的旗艦型產(chǎn)品，具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，它使用靈活，功能強(qiáng)大。本設(shè)計(jì)選用西門子S7-300模塊化的PLC。引入S7-300PLC實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的控制：控制混合物料的加料速度、控制溫度、監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。具體模塊選型如下：

2.4.1 CPU的選型

為實(shí)現(xiàn)組態(tài)和PLCSIM仿真器的通訊，就需要選擇具有通訊功能的CPU，根據(jù)實(shí)際條件，選擇CPU315-2DP模塊，在數(shù)據(jù)的處理速度和指令執(zhí)行的過程中完全能夠滿足控制要求。

2.4.2 數(shù)字量輸入輸出模塊選型

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，有啟動和停止功能，需要兩個(gè)數(shù)字量輸入端子；PID控制器中，手/自動模式、比例操作、積分操作、微分操作的相應(yīng)條件需要四個(gè)數(shù)字量輸入端子。所以選用SM321數(shù)字量輸入模塊，SM322輸出模塊就能滿足使用。

2.4.3 模擬量輸入輸出模塊選型

根據(jù)K型熱電偶的輸出量可以選擇模擬電壓量輸入，核子料位計(jì)測量的高度返回值是4～20mA的電流信號，仿真時(shí)就選擇4DMU測量型號?？紤]到有設(shè)定值的模擬輸入，會用到4路輸入入口，所以選擇SM331模擬量輸入模塊，規(guī)格為8AI×16位模塊。經(jīng)過PID控制器處理之后，會將得到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后輸出給執(zhí)行器，去控制物料閥門、氯氣閥門以及排渣閥門的開度，以控制物料速度、氯氣速度和排渣速度。有三個(gè)模擬量輸出，故選擇4AO×16位的SM332模塊就能滿足要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

連接好PLC電源，設(shè)備自檢，如果硬件存在問題，就終止程序的運(yùn)行。反之，執(zhí)行隨后的程序。采集實(shí)時(shí)溫度信號，將模擬信號輸入到PLC中，與設(shè)定的溫度參數(shù)作比較，若在設(shè)定值范圍內(nèi)，就運(yùn)用PID控制器處理，傳送給執(zhí)行器，控制物料閥的開度，而氯氣閥門的開度跟隨物料閥門開度成比例調(diào)整；若不在設(shè)定范圍內(nèi)，若小于800℃，應(yīng)該加大物料輸送速度，若大于1000℃，則應(yīng)該加大物料輸送速度，氯氣速度可以保持不變也可以適當(dāng)減小。執(zhí)行器執(zhí)行了相應(yīng)操作之后，還要持續(xù)判斷溫度的情況。

繼以上程序之后，要根據(jù)料位計(jì)采集到的料位高度來控制排渣的情況，料位計(jì)所測得的高度會轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流，作為模擬信號傳送到PLC中。若模擬信號小于設(shè)定的范圍，則應(yīng)該將排渣閥的開度調(diào)到最?。蝗裟M信號在設(shè)定的范圍內(nèi)，則通過PID控制器調(diào)節(jié)，將轉(zhuǎn)換之后的信號傳送給執(zhí)行器，給排渣閥的開度做細(xì)微調(diào)整，以維持適當(dāng)高度；若模擬信號大于所設(shè)定的范圍，則應(yīng)該增大排渣閥的開度，使料層高度快速下降。以上的操作執(zhí)行后，還要實(shí)時(shí)監(jiān)控料層高度，達(dá)到閉環(huán)控制的目的[15]。程序流程圖如圖4所示。

4 仿真結(jié)果

KingView（簡稱“組態(tài)王”）是北京亞控自動化軟件科技有限公司研制的運(yùn)行在Windows平臺上的監(jiān)控組態(tài)軟件。由于它簡單易學(xué)，擁有豐富的工具箱、圖庫和操作向?qū)?，全中文界面，已被廣泛用于電力、制冷、化工、機(jī)械制造、交通管理等多種領(lǐng)域。在組態(tài)王中，建立好組態(tài)王與仿真器PLCSIM之間的連接，完成組態(tài)王的可視化環(huán)境。其可視化環(huán)境如圖5所示。

新建組態(tài)王與PLCSIM仿真器相互關(guān)聯(lián)的變量，然后在組態(tài)王相對應(yīng)的地方選擇動作連接?？梢栽谝陨厦姘遢斎霚囟群透叨鹊脑O(shè)定值，按下啟動按鈕后運(yùn)行仿真器中的程序，就可以得到仿真結(jié)果。實(shí)時(shí)曲線界面如圖6所示。

在溫度監(jiān)控圖表中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，表示的是不同時(shí)刻的溫度情況?？v坐標(biāo)表示的是溫度值，顯示對應(yīng)時(shí)刻溫度的大小。溫度以及高度的數(shù)值變化，就在實(shí)時(shí)曲線中就可以看到它們的變化。當(dāng)按下停止按鈕之后，閥門沒有信號，溫度就會下降。以溫度監(jiān)控為例，由于沒有連續(xù)的模擬溫度信號輸入，得不到連續(xù)的溫度PID控制曲線，這就是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的局限性。沸騰氯化爐的監(jiān)控曲線如圖7所示。

此次仿真中，由于環(huán)節(jié)比較多，出現(xiàn)狀況的地方也就相對比較多，根據(jù)實(shí)際條件，仿真結(jié)果達(dá)到了PID控制要求。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過建立理想模型，排除沸騰氯化爐中很多被控量之間的相互影響，運(yùn)用PID控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)沸騰氯化爐的自動控制。通過分析沸騰氯化爐的工藝流程及控制要求，結(jié)合系統(tǒng)可控量和被控量的特點(diǎn)，確定出控制策略，再設(shè)計(jì)出PID控制系統(tǒng)的總體方案，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用分布式PID控制方式，下位機(jī)、上位機(jī)相結(jié)合。根據(jù)控制系統(tǒng)的控制量和檢測量，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行硬件選型。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了兩個(gè)PID控制器，分別對生產(chǎn)溫度和料層高度進(jìn)行控制。仿真運(yùn)行后，對記錄的數(shù)據(jù)歷史曲線進(jìn)行了分析，如果所給的輸入信號是連續(xù)的檢測信號，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)PID控制。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]吳中俊，黃永紅.可編程序控制器原理及應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動化：plc Fa，2005：28-34.

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[5]Vol.N.Temperature PID controller[C].海洋生物環(huán)境研究所，2009：101-107.

[責(zé)任編輯：湯靜]