電桿養(yǎng)護(hù)窯自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

王帥 宋佳凝（大慶油田工程建設(shè)有限公司）

建材公司混凝土構(gòu)件廠共有16個(gè)電桿養(yǎng)護(hù)窯，混凝土產(chǎn)品養(yǎng)護(hù)時(shí)通過人工控制閥門，使得養(yǎng)護(hù)窯內(nèi)噴出蒸汽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。但是存在溫度控制難度大、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、鑄鐵球閥易損壞的實(shí)際困難。公司對標(biāo)國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，分析加熱方式[1]，采取了更換電磁閥門、加裝測量溫度、濕度傳感器、設(shè)置PLC控制程序讀取數(shù)據(jù)、裝配配電柜、電腦進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程控制等方式，解決了實(shí)際困難。

1 工作原理

通過1根主管線和16根分管線將鍋爐制造出的蒸汽輸送至16個(gè)電桿養(yǎng)護(hù)窯，窯底鋪管線，每隔20公分預(yù)留蒸汽孔洞，電桿成品放入窯內(nèi)，蓋上混凝土蓋板密封后，利用蒸汽加以養(yǎng)護(hù)。混凝土電線桿蒸養(yǎng)過程中分為：升溫期、恒溫期和降溫期三個(gè)階段。在升溫期，控制好升溫速度，使混凝土形成一定的強(qiáng)度，用來抵抗升溫過程中對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞[2]。在恒溫期，混凝土強(qiáng)度得以發(fā)展，必須保證有足夠的恒溫時(shí)間和相應(yīng)的恒溫溫度，否則達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在降溫期，盡量使電線桿在不影響強(qiáng)度的情況下，實(shí)現(xiàn)降溫冷卻并且進(jìn)入到脫膜工序。電桿養(yǎng)護(hù)窯見圖1、電桿產(chǎn)品見圖2。

圖1 電桿養(yǎng)護(hù)窯Fig.1 Power pole curing kiln

圖2 電桿產(chǎn)品Fig.2 Power pole products

2 養(yǎng)護(hù)窯使用存在問題

2.1 溫度控制難度大

蒸汽從管線預(yù)留孔洞噴出，充滿養(yǎng)護(hù)窯，通常采用人工溫度計(jì)測量的方式或通過經(jīng)驗(yàn)值決定養(yǎng)護(hù)的時(shí)間和養(yǎng)護(hù)的溫度，經(jīng)常發(fā)生燙傷的情況。另外由于沒有科學(xué)的測量儀器，有一定概率導(dǎo)致生產(chǎn)的電桿因養(yǎng)護(hù)不達(dá)標(biāo)而報(bào)廢，嚴(yán)重時(shí)連帶電桿模具也會(huì)報(bào)廢。

2.2 人工勞動(dòng)強(qiáng)度大

養(yǎng)護(hù)窯蒸汽由一個(gè)總閥門和16個(gè)養(yǎng)護(hù)窯的分閥門控制，養(yǎng)護(hù)窯長度為16 m，休息間到養(yǎng)護(hù)窯距離為400 m，要實(shí)現(xiàn)全部養(yǎng)護(hù)窯的蒸汽開啟或關(guān)閉，需要行走近1 km的距離，加上手動(dòng)開啟或關(guān)閉閥門的時(shí)間約20 min。為了保障閥門開關(guān)的及時(shí)性，往往需要多個(gè)人分片負(fù)責(zé)不同的養(yǎng)護(hù)窯，記錄養(yǎng)護(hù)時(shí)間、測量溫度、及時(shí)開關(guān)閥門。

2.3 鑄鐵球閥易損壞

一是由于多層軟硬疊式密封圈固定在閥板上，當(dāng)閥板常開狀態(tài)時(shí)介質(zhì)對其密封面形成正面沖刷，金屬片夾層中的軟密封帶受沖刷后，直接影響密封性能。二是球閥的開關(guān)是用螺母固定，旋轉(zhuǎn)開關(guān)時(shí)螺母會(huì)松，容易造成球閥漏氣。三是閥門接觸蒸汽會(huì)產(chǎn)生水垢、銹死，雙手不能開關(guān)閥門，這種情況會(huì)采用管鉗開關(guān)，容易造成球閥的損壞。目前每年需要更換部分閥門。

3 技術(shù)改造方案

3.1 管線部分

利用原有的蒸汽管線，調(diào)整出汽孔位置使其均勻分布，對稱設(shè)置以便窯內(nèi)溫度能夠均勻。其他線路都用線槽固定在養(yǎng)護(hù)窯周邊，之后再用槽鋼覆蓋，加強(qiáng)防護(hù)措施，同時(shí)電動(dòng)球閥和溫濕度顯示屏也用鐵板做成盒狀，進(jìn)行保護(hù)。每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯側(cè)面噴好數(shù)字，與軟件控制按鈕對應(yīng)。測溫點(diǎn)布設(shè)在窯高度方向中間部位，接近于電桿中部溫度區(qū)域，避免設(shè)置在出氣口上方。

3.2 閥門部分

拆除所有手動(dòng)球閥，更換為耐高溫防爆中壓電動(dòng)球閥。閥門分為上下兩部分，上半部分為電動(dòng)執(zhí)行器，下半部分為閥門，通過電動(dòng)執(zhí)行器控制閥門，實(shí)現(xiàn)閥門的開和關(guān)。用3根屏蔽信號線將信號傳輸至控制柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)既能通過SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）人機(jī)界面操作[3]，也可通過手動(dòng)操作閥門的開關(guān)。加裝溫濕度信號顯示屏在每一個(gè)窯坑邊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的操作人員實(shí)時(shí)了解溫濕度情況，用5根屏蔽信號線將信號傳輸至控制柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控。安裝后的電動(dòng)球閥見圖3、溫濕度信號顯示見圖4。

圖3 電動(dòng)球閥Fig.3 Electric ball valve

圖4 溫濕度信號顯示屏Fig.4 Temperature and humidity signal display

3.3 控制柜部分

總閘以及各個(gè)小開關(guān)都采用漏電保護(hù)措施，每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯有8根控制線路，分別接入對應(yīng)PLC的數(shù)字模擬量輸入及輸出[4]，球閥的電源通過信號模塊化接觸器供電。再通過一根200 m光纜連接到電腦進(jìn)行信號傳輸。

3.4 PLC自動(dòng)控制設(shè)計(jì)部分

PLC自動(dòng)控制設(shè)計(jì)部分[5]通過采集模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換后得到實(shí)際的溫度或濕度的參數(shù)，設(shè)定值為：

式中：x采集信號值；y為溫度值，℃。

采集的電流信號為0～20 mA（傳輸抗干擾和穩(wěn)定性好），所以x采集信號值最大為20 000，測量溫度值最大為120℃。如果需要設(shè)定值為80℃，根據(jù)公式得出x采集信號值為16 000。首先添加模擬量觸發(fā)規(guī)則，設(shè)置邏輯關(guān)系小于或等于閾值時(shí)開啟通道1繼電器，閾值為采集信號值，也就是x。當(dāng)閾值小于16 000也就是80℃時(shí)打開第一通道繼電器給第一個(gè)中壓球閥開啟噴出蒸汽?？梢愿鶕?jù)需求設(shè)置動(dòng)作的時(shí)間等。規(guī)則設(shè)置界面見圖5。

圖5 規(guī)則設(shè)置界面Fig.5 Rules setting interface

3.5 網(wǎng)絡(luò)保障

因后四廠新廠區(qū)沒有網(wǎng)絡(luò)，搭建臨時(shí)局域網(wǎng)服務(wù)器[6]，通過局域網(wǎng)電腦即可控制設(shè)備。將溫度、濕度傳感器、電動(dòng)球閥用屏蔽信號線與服務(wù)器連接，防止外界信號干擾導(dǎo)致信號傳輸不及時(shí)，再用電信傳輸?shù)姆绞綄⒎?wù)器信息傳輸給電腦，達(dá)到立即通訊和及時(shí)控制的效果。

3.6 軟件保障

安裝服務(wù)器通訊軟件，實(shí)現(xiàn)電腦和數(shù)據(jù)庫連接；安裝參數(shù)設(shè)置軟件，通過相關(guān)參數(shù)設(shè)置，控制時(shí)間、溫度、濕度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；安裝即視控制軟件，實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)至顯示設(shè)備，能夠?qū)?shù)據(jù)庫信息導(dǎo)出，以Excel表格的形式展現(xiàn)，便于數(shù)據(jù)的追溯和修正，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

4 養(yǎng)護(hù)窯操作步驟

1）打開電源總閘和16組養(yǎng)護(hù)窯出氣電源。

2）通過電源開關(guān)上的旋鈕開關(guān)，將所有設(shè)備通電。

3）用橋式起重機(jī)吊住電桿模具吊耳下到窯坑內(nèi)。

4）養(yǎng)護(hù)窯模具放置完畢后，用橋式起重機(jī)將養(yǎng)護(hù)窯蓋板扣在養(yǎng)護(hù)窯頂部，窯蓋卡在方鋼槽內(nèi)。

5）將槽鋼內(nèi)注滿水防止漏汽。

6）開啟電腦打開即視控制軟件，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊對應(yīng)數(shù)字即可控制對應(yīng)養(yǎng)護(hù)窯閥門的開啟與關(guān)閉。

7）養(yǎng)護(hù)的時(shí)間一般為：靜停4 h，升溫2 h，恒溫24 h，降溫6 h，共計(jì)36 h的養(yǎng)護(hù)工藝。如果施工時(shí)環(huán)境氣溫低于5℃，在靜停階段采用蒸汽低溫預(yù)養(yǎng)，預(yù)養(yǎng)溫度為5～10℃，恒溫階段中對普通水泥的溫度要求一般不超過80℃，礦渣水泥，火山灰水泥可以提高到90～95℃，如果溫度過高或低則后期強(qiáng)度降低。溫度應(yīng)保持90%到100%[7-8]。

8）軟件通過服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存，記錄從開啟軟件之后的所有數(shù)據(jù)，通過表格方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行打印和觀察，判斷養(yǎng)護(hù)過程及養(yǎng)護(hù)效果，不斷修正溫度、濕度提升養(yǎng)護(hù)效果。

9）關(guān)閉系統(tǒng)：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊軟件內(nèi)對應(yīng)的蒸汽閥門開關(guān)鍵，在所有閥門關(guān)閉后，點(diǎn)擊電腦的關(guān)機(jī)鍵；關(guān)閉控制柜外的旋鈕開關(guān)，停止所有設(shè)備；關(guān)閉控制柜內(nèi)的總閘，至此所有設(shè)備斷電。

5 應(yīng)用效果分析

1）溫度濕度一鍵控制。通過電腦達(dá)到智能控制作用，養(yǎng)護(hù)窯達(dá)到80℃自動(dòng)停止供應(yīng)蒸汽，未達(dá)到80℃時(shí)開啟蒸汽電磁閥供給蒸汽。電腦和現(xiàn)場顯示屏一目了然，所有的溫度、濕度都可通過調(diào)節(jié)電子閥的開合實(shí)時(shí)掌握和控制，十分方便[9]。

2）生產(chǎn)效率大幅提高。設(shè)備操作只需一人在車間辦公室的電腦上操作即可實(shí)現(xiàn)閥門的即時(shí)開啟和關(guān)閉，各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄，參數(shù)修改快速有效。閥門快速開關(guān)，提高了模具的使用效率，提升了生產(chǎn)效率[10]。

3）生產(chǎn)費(fèi)用大幅降低?；炷翗?gòu)件廠原夏季天然氣用量為每天5 000～6 000 m3，改造后每天可節(jié)約天然氣1 000～2 000 m3，每天可節(jié)約燃料費(fèi)約1 500元，全年可節(jié)約燃料費(fèi)約36萬元。

4）產(chǎn)品質(zhì)量有效提高。未改造前的電桿成品率為80%，改造后的成品率為100%。通過數(shù)據(jù)記錄與分析，總結(jié)出更合適的溫度濕度，借助電腦端自動(dòng)化控制溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間，促使電桿養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)從依靠經(jīng)驗(yàn)跨越到科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測、自動(dòng)化控制，做到產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提升，有效保障油田施工建設(shè)任務(wù)。

6 結(jié)論

在電桿生產(chǎn)過程中，養(yǎng)護(hù)的溫度、濕度和時(shí)間控制，是決定電桿質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的重要因素[10]。傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)工序一般為人工控溫，養(yǎng)護(hù)質(zhì)量易受到人員經(jīng)驗(yàn)不足、參數(shù)控制不精準(zhǔn)的影響。通過對養(yǎng)護(hù)窯的改造，利用溫度、濕度傳感器、PLC控制系統(tǒng)采集溫濕度信息、控制電磁閥門，最終使得養(yǎng)護(hù)過程中窯內(nèi)溫濕度符合電桿養(yǎng)護(hù)的要求，既節(jié)省燃料費(fèi)用，又保證了電桿質(zhì)量。本項(xiàng)目改造的養(yǎng)護(hù)窯，已經(jīng)在混凝土構(gòu)件廠投入使用，投入資金15萬元，經(jīng)測算，改造后每天可節(jié)約天然氣1 000～2 000 m3，每天可節(jié)約燃料費(fèi)約1 500元，全年可節(jié)約燃料費(fèi)約36萬元。同時(shí)溫濕度符合養(yǎng)護(hù)要求，受到操作和管理人員的一致好評。