混凝土輸送管熱處理燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳廷軍

[摘 要]本文闡述了混凝土輸送管熱處理生產(chǎn)線燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并全面分析了燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)的組成和控制原理。在燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于S7-300和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建了燃燒硬件控制系統(tǒng)，基于組態(tài)王監(jiān)控平臺(tái)和Step7編程工具開發(fā)了燃燒軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃燒系統(tǒng)的集中管理和分散控制，保證了燒嘴高效燃燒和爐膛溫度均勻，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的效果。

[關(guān)鍵詞]輸送管 燃燒控制 PLC 節(jié)能

中圖分類號(hào)：S763 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）03-0195-03

Heat Treatment Combustion Control System Design of Concrete Delivery Pipe

[Abstract]This paper describes the combustion control design of the concrete delivery pipe heat treatment production line， and a comprehensive analysis of the composition of the gas heating system and combustion principle. Combustion control system design， combustion hardware control system is built based on the S7-300 and PROFIBUS Fieldbus， burning software control system has developed based on the Kingview monitoring platform and Step7 programming tools， Combustion system of centralized management and decentralized control is achieved， the efficient burner combustion and furnace temperature uniformity is ensured， to achieve the energy saving effect is achieved.

[Key words]Delivery pipe Combustion control PLC Energy-saving

0、引言

現(xiàn)有輸送管熱處理生產(chǎn)線采用積放式淬火，生產(chǎn)效率低下，不能滿足生產(chǎn)要求。為了提高輸送管產(chǎn)能和質(zhì)量，設(shè)計(jì)了連續(xù)式淬火輸送管熱處理線，該生產(chǎn)線能夠大大提高輸送管的產(chǎn)能和質(zhì)量，為公司創(chuàng)造更大的效益。由于天然氣加熱具有能源成本低、能利用燃燒生成物的動(dòng)量均勻加熱及在一定限度內(nèi)可以進(jìn)行強(qiáng)化加熱的特點(diǎn)，該輸送管熱處理生產(chǎn)線加熱爐前段采用天然氣加熱方式。

目前，絕大多數(shù)熱處理加熱爐的燃燒控制主要還是采用手動(dòng)控制，燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁康拇笮∮扇斯{經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)，加熱爐溫度波動(dòng)較大，造成燃?xì)獾木薮罄速M(fèi)?；赑LC的燃燒集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了燃燒過程的自動(dòng)控制，保證了燃燒過程的高效、節(jié)能、穩(wěn)定，達(dá)到了爐膛溫度均勻的效果。

1、系統(tǒng)分析

輸送管熱處理生產(chǎn)線加熱爐采用箱式連續(xù)加熱爐，該加熱爐具有無爐門、輸送管采用懸掛方式、爐子高和爐體長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)加熱爐燃燒控制提出了嚴(yán)格的要求。

天然氣加熱處于加熱爐入口段，因此影響燃燒控制系統(tǒng)的因素較多：

（1） 加熱爐爐膛高，會(huì)造成加熱爐上、中、下層溫度不均。

（2） 在入爐口會(huì)受到外部冷空氣的影響，形成爐底進(jìn)風(fēng)，爐頂會(huì)有少量熱量流失的現(xiàn)象。

（3） 爐頂開口部分會(huì)有少量熱量流失。

（4） 冷輸送管進(jìn)入加熱爐，帶動(dòng)爐內(nèi)氣流流動(dòng)以及輸送管吸熱都會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度產(chǎn)生變化。

（5） 排煙系統(tǒng)排煙閥開度調(diào)節(jié)對(duì)爐膛壓力及溫度的影響。

2、系統(tǒng)總體方案

針對(duì)加熱爐天然氣加熱段的特點(diǎn)，在加熱爐入口安裝風(fēng)幕，將燒嘴安裝在加熱爐側(cè)壁上，分為上、中、下三層，在加熱爐上部，安裝4個(gè)排煙閥，通過引風(fēng)機(jī)將加熱爐多余熱量引到回火爐進(jìn)行利用，達(dá)到節(jié)約能源的效果[1]。

加熱爐天然氣燃燒控制系統(tǒng)主要由送風(fēng)系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、燒嘴點(diǎn)火系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)組成。

2.1送風(fēng)系統(tǒng)

送風(fēng)系統(tǒng)如圖1、2所示，由助燃風(fēng)機(jī)向空氣管路送入一定風(fēng)速和風(fēng)量的空氣，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度和助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開度來調(diào)節(jié)空氣管路的壓力，通過空氣壓力來調(diào)節(jié)空燃比例閥的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁看笮〉哪康?。送風(fēng)系統(tǒng)由空氣主管道送出，通過各個(gè)分管道送到每個(gè)燒嘴，一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥控制4個(gè)燒嘴的空氣流量。通過手動(dòng)或自動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥的開度來調(diào)節(jié)空氣流量的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)火焰大小的目的。送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有低壓檢測(cè)開關(guān)和壓力傳感器，當(dāng)空氣主管道壓力過低時(shí)，燃?xì)馇袛嚅y斷電，燃燒系統(tǒng)停止工作；壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣主管道壓力，壓力信號(hào)反饋給PLC，PLC通過程序?qū)χ硷L(fēng)機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持空氣主管道壓力穩(wěn)定。

空氣主管道壓力受燒嘴點(diǎn)火及火焰大小調(diào)節(jié)影響，壓力實(shí)時(shí)變化較大，因此系統(tǒng)采用PID對(duì)空氣主管道壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過西門子S120變頻器控制助燃風(fēng)機(jī)的速度，維持空氣主管道壓力穩(wěn)定。

2.2燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)如圖1、2所示，燃料系統(tǒng)的功能在于保證燒嘴燃燒所需壓力穩(wěn)定的天然氣。燃料系統(tǒng)設(shè)有多重安全措施，包括機(jī)械式安全切斷閥、安全放散閥、高＼低壓檢測(cè)開關(guān)、安全切斷閥。燃?xì)庵鞴艿姥b有壓力傳感器，在工控機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示燃?xì)庵鞴艿缐毫Α８邏汉偷蛪簷z測(cè)開關(guān)對(duì)燃?xì)夤苈穳毫M(jìn)行高低壓限制，當(dāng)壓力過低或過高時(shí)快速斷開燃?xì)馇袛嚅y，起到安全保護(hù)的作用。endprint

2.3點(diǎn)火系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)如圖2所示，點(diǎn)火系統(tǒng)采用點(diǎn)火控制器發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，由點(diǎn)火變壓器進(jìn)行點(diǎn)火，同時(shí)進(jìn)行火焰信號(hào)的檢測(cè)和點(diǎn)火狀態(tài)的顯示、報(bào)警，點(diǎn)火不成功進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)復(fù)位操作，并自動(dòng)進(jìn)行重新點(diǎn)火操作。燒嘴在點(diǎn)火過程中，采用分組點(diǎn)火的方式，避免系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。燒嘴采用空氣過剩系數(shù)固定方式燃燒，確保天然氣與空氣均勻混合進(jìn)而在一定的火焰區(qū)域內(nèi)完全燃燒[2]。

2.4溫度控制系統(tǒng)

燒嘴在加熱爐側(cè)面按上、中、下三層布置，橫向4個(gè)燒嘴為一個(gè)區(qū)，用兩個(gè)熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，一個(gè)只用于檢測(cè)該區(qū)溫度，另一個(gè)熱電偶將采集到的溫度信號(hào)反饋給智能溫控儀表，智能溫控儀表對(duì)該區(qū)燒嘴火焰大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)該區(qū)溫度。

2.5排煙系統(tǒng)

在加熱爐燃?xì)饧訜岫紊喜浚b有四個(gè)排煙閥，通過排煙閥的開度來調(diào)節(jié)爐膛壓力。利用微差壓傳感器檢測(cè)爐膛壓力，壓力信號(hào)反饋給PLC，PLC采用PID進(jìn)行實(shí)時(shí)爐膛壓力調(diào)節(jié)，維持爐膛微正壓。排出的熱量通過引風(fēng)機(jī)引向回火爐，提高熱量的利用率。

3、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)輸送管熱處理生產(chǎn)工藝要求，加熱爐燃燒控制系統(tǒng)采用基于組態(tài)王、智能儀表控制和PLC現(xiàn)場(chǎng)控制的分散控制、集中管理的智能控制系統(tǒng)；采用UPS電源供電，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)采用UPS電源進(jìn)行供電，提高供電系統(tǒng)電源的質(zhì)量，在意外斷電情況下保持燃燒控制系統(tǒng)持續(xù)供電，維持系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，防止意外斷電造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)停止運(yùn)行，導(dǎo)致輸送管報(bào)廢和加熱爐因過快降溫而損壞。

系統(tǒng)由SIEMENS PLC 317-2DP CPU、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)、ET200M遠(yuǎn)程站、S120變頻器、溫控儀表、工控機(jī)、點(diǎn)火控制器、傳感器、執(zhí)行器等組成。下面根據(jù)確定的控制系統(tǒng)方案，按照現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、監(jiān)控層的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。燃燒控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1燃燒控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層的硬件結(jié)構(gòu)

在燃燒控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)層主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、處理、動(dòng)作的執(zhí)行及設(shè)備的手動(dòng)控制等任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備包括傳感器、閥、助燃風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火設(shè)備等。對(duì)于設(shè)備的手動(dòng)控制，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)控制和中控室兩套操作系統(tǒng)，方便系統(tǒng)操作和設(shè)備可靠運(yùn)行。

3.1.1傳感器

傳感器主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集及處理工作，燃燒控制系統(tǒng)傳感器包括一體化熱電偶溫度變送器、壓力傳感器、高/低壓開關(guān)。

一體化熱電偶溫度變送器從加熱爐采集溫度信號(hào)，通過溫度變送器將溫度信號(hào)變換成4～20mA的DC電流信號(hào)，送給ET200M遠(yuǎn)程站。

壓力傳感器包括空氣主管道壓力傳感器和燃?xì)庵鞴艿缐毫鞲衅?，用于反饋管道?shí)時(shí)壓力，PLC控制器根據(jù)反饋的壓力信號(hào)對(duì)空氣主管道壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，燃?xì)庵鞴艿缐毫Ψ答佇盘?hào)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)庵鞴艿缐毫Α?/p>

高/低壓開關(guān)包括空氣主管道低壓壓力開關(guān)、燃?xì)庵鞴艿栏邏簤毫﹂_關(guān)和低壓壓力開關(guān)，當(dāng)空氣主管道壓力低、燃?xì)庵鞴艿缐毫Ω呋驂毫Φ蜁r(shí)，斷開燃?xì)馇袛嚅y，起到安全保護(hù)的效果。

3.1.2閥

閥包括電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥、燃?xì)馇袛嚅y、電磁閥。

電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥采用連續(xù)控制信號(hào)，可以對(duì)閥位做精確調(diào)節(jié)，用于在燒嘴點(diǎn)火完成后，調(diào)節(jié)空氣管道風(fēng)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)燒嘴火焰的大小。

燃?xì)馇袛嚅y屬于液壓作用常閉安全閥，當(dāng)切斷供電后，油壓會(huì)立即釋放，在彈簧作用下，閥門會(huì)在1秒鐘內(nèi)迅速關(guān)閉。燃?xì)馇袛嚅y用于在異常情況下快速切斷燃?xì)?，起到安全保護(hù)的作用。

電磁閥用于在燒嘴點(diǎn)火時(shí)，打開該燒嘴支路燃?xì)?，點(diǎn)火不成功則關(guān)閉該電磁閥，防止燃?xì)庑孤?，?duì)系統(tǒng)起到安全保護(hù)的作用。

燃?xì)馇袛嚅y屬于液壓作用常閉安全閥，當(dāng)切斷供電后，油壓會(huì)立即釋放，在彈簧作用下，閥門會(huì)在1秒鐘內(nèi)迅速關(guān)閉。燃?xì)馇袛嚅y用于在異常情況下快速切斷燃?xì)?，起到安全保護(hù)的作用。

電磁閥用于在燒嘴點(diǎn)火時(shí)，打開該燒嘴支路燃?xì)?，點(diǎn)火不成功則關(guān)閉電磁閥，防止燃?xì)庑孤?，?duì)系統(tǒng)起到安全保護(hù)的作用。

3.1.3 助燃風(fēng)機(jī)

助燃風(fēng)機(jī)用于向空氣主管道吹入空氣，通過調(diào)節(jié)助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)門和助燃風(fēng)機(jī)速度達(dá)到恒定的空氣主管壓力。

3.1.4點(diǎn)火設(shè)備

點(diǎn)火設(shè)備包括點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火控制器、燒嘴。

點(diǎn)火變壓器產(chǎn)生高壓電打火，點(diǎn)火控制器發(fā)點(diǎn)火信號(hào)給點(diǎn)火變壓器后，點(diǎn)火變壓器產(chǎn)生5KV高壓電進(jìn)行燒嘴的點(diǎn)火。

點(diǎn)火控制器用于燒嘴燃燒的自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)測(cè)。當(dāng)點(diǎn)火控制器得到點(diǎn)火命令后，發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)給點(diǎn)火變壓器，在安全時(shí)間內(nèi)接收到火焰監(jiān)測(cè)電流信號(hào)，點(diǎn)火控制器顯示點(diǎn)火成功，否則顯示點(diǎn)火故障，需要重新點(diǎn)火。

燒嘴采用高速燒嘴，該燒嘴的燃燒室體積小、熱負(fù)荷高、出口燃?xì)馑俣瓤?，從而?qiáng)化對(duì)流傳熱，促進(jìn)爐內(nèi)氣流循環(huán)，達(dá)到均勻爐溫的目的。

3.2燃燒控制系統(tǒng)控制層的硬件結(jié)構(gòu)

燃燒控制系統(tǒng)控制層由西門子S7-300控制器、人工智能溫控儀表、ET200M遠(yuǎn)程站、S120變頻器組成。S7-300控制器分為兩條通訊鏈路：一條與ET200M遠(yuǎn)程站通訊，另一條與西門子S120變頻器通訊，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，通信速率187.5Kbps。人工智能溫控儀表基于AIBUS協(xié)議的RS485總線通訊，采用先進(jìn)的人工智能調(diào)節(jié)算法。人工智能溫控儀表在燒嘴點(diǎn)火成功后，根據(jù)設(shè)定的溫升曲線通過對(duì)燒嘴火焰大小的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的溫度調(diào)節(jié)[3]。

3.2.1西門子S7-300控制器

控制器選用西門子CPU317-2DP控制器，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展，指令處理時(shí)間0.6～0.1μS，具有多種不同的通訊接口，用來連接AS-i接口、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，具有模塊信號(hào)診斷功能等。endprint

3.2.2人工智能溫控儀表

溫控儀表選用宇電人工智能溫度控制器，輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線性校正表格，測(cè)量精度高達(dá)0.2級(jí)，采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。

3.2.3ET200M遠(yuǎn)程站

ET200M遠(yuǎn)程站由接口模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊組成，各模塊之間通過背板總線進(jìn)行通訊。ET200M遠(yuǎn)程站負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、處理、與PLC進(jìn)行通訊、輸出等工作。

3.2.4 S120變頻器

助燃風(fēng)機(jī)采用基于模塊化設(shè)計(jì)的西門子S120變頻器，該變頻器由控制單元、功率模塊、存儲(chǔ)卡和BOP20面板組成。

3.3燃燒控制系統(tǒng)監(jiān)控層的硬件結(jié)構(gòu)

燃燒控制系統(tǒng)監(jiān)控層由工控機(jī)、顯示器及工業(yè)以太網(wǎng)組成。工控機(jī)通過RS-485總線與溫控儀表進(jìn)行通訊，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)過程中的實(shí)際畫面與過程參數(shù)變化情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行報(bào)警及記錄，根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)切換、修改設(shè)定值、調(diào)整控制信號(hào)、操縱現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。

4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，即下位機(jī)的PLC控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序。

4.1下位機(jī)PLC控制程序

下位機(jī)PLC控制程序設(shè)計(jì)采用Siemens STEP7控制程序開發(fā)平臺(tái)，上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)采用組態(tài)王組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)。下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)空氣主管和燃?xì)庵鞴軌毫刂?、燒嘴系統(tǒng)的點(diǎn)火和火焰狀態(tài)調(diào)節(jié)、爐膛溫度控制、爐膛壓力調(diào)節(jié)等功能[3]。下位機(jī)主程序流程圖如圖4所示。

爐膛壓力調(diào)節(jié)流程圖如圖5所示。

4.2上位機(jī)監(jiān)控程序

上位機(jī)監(jiān)控程序采用組態(tài)王開發(fā)軟件設(shè)計(jì)了一系列上位機(jī)界面和程序，具體包括參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、燒嘴手動(dòng)點(diǎn)火/關(guān)閉、燒嘴狀態(tài)顯示/故障復(fù)位、燒嘴火焰手動(dòng)調(diào)節(jié)、燒嘴自動(dòng)點(diǎn)火及火焰調(diào)節(jié)、系統(tǒng)故障報(bào)警、實(shí)時(shí)/歷史監(jiān)控曲線繪制、打印報(bào)表等。

上位機(jī)監(jiān)控程序如圖6所示。

5、結(jié)論

本文采用集散控制方法設(shè)計(jì)了輸送管熱處理燃燒控制系統(tǒng)，該燃燒控制系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試，已經(jīng)用于輸送管的生產(chǎn)當(dāng)中。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，燃燒控制系統(tǒng)穩(wěn)定，加熱爐燃?xì)饧訜岫螠囟染鶆颍紵浞?，?jié)能效果良好，輸送管產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能得到明顯提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳光英.現(xiàn)代熱處理爐（第一版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991

[2] 楊獻(xiàn)勇.熱工過程自動(dòng)控制.北京：清華大學(xué)出版社，2000

[3] 高洪斌.西門子PLC與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2006

[4] 陳宗浩.熱處理爐的溫度測(cè)量與控制（第一版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990endprint