PLC在焦化廠綜合能源冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

［摘 要］在工業(yè)4.0 的大背景下，焦化廠作為重要的工業(yè)環(huán)節(jié)，面臨提高效率和節(jié)約能源的雙重挑戰(zhàn)。文章旨在探討可編程邏輯控制器（PLC）在焦化廠冷卻系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用，以分析其在提升能源管理效率方面的實(shí)際效果，并通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證其效能。研究發(fā)現(xiàn)，引入PLC 技術(shù)以及高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合PID 算法和模糊邏輯，能顯著提高溫度控制的精確性、響應(yīng)速度及能源效率。此外，通過自適應(yīng)控制策略，PLC 能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整控制參數(shù)，從而確保焦化生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和可靠性。

［關(guān)鍵詞］PLC ；焦化廠能源管理；冷卻系統(tǒng)；溫度控制；智能化

［中圖分類號(hào)］TP273 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0027–03

智能化控制，尤其是PLC 的應(yīng)用，在焦化廠中扮演了關(guān)鍵角色。PLC 的引入不僅提高了操作效率，而且優(yōu)化了能源管理，從而在維持生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)成本。然而，將PLC 技術(shù)有效地應(yīng)用于焦化廠的具體環(huán)節(jié)，如冷卻系統(tǒng)，仍然是一個(gè)待解決的課題。文章旨在探討PLC 在焦化廠冷卻系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用，不僅有助于理解PLC 技術(shù)在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的潛力，也可為其他類似工業(yè)環(huán)境提供參考。

1 PLC控制冷卻系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

1.1 PLC控制冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生問題的因素

焦化廠冷卻系統(tǒng)的性能問題涉及4 個(gè)主要方面，每個(gè)方面包含多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，共同影響著PLC 控制的有效性。

傳感器參數(shù)方面，關(guān)鍵參數(shù)包括精度、校準(zhǔn)周期、對(duì)環(huán)境條件的敏感度以及使用壽命。傳感器的精度直接決定了溫度控制的準(zhǔn)確性，而定期的校準(zhǔn)是確保傳感器精確性的關(guān)鍵步驟?？紤]到工廠環(huán)境的不穩(wěn)定性，傳感器對(duì)環(huán)境條件的敏感度也至關(guān)重要。傳感器的使用壽命對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響，老化的傳感器可能會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。

通信參數(shù)方面，主要包括傳輸速率、信號(hào)完整性、協(xié)議魯棒性和抗干擾敏感性?？焖俣煽康臄?shù)據(jù)傳輸是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)，而信號(hào)完整性則確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。此外，協(xié)議的魯棒性和系統(tǒng)的抗干擾能力直接影響通信的可靠性，因此也需要特別考慮。

控制參數(shù)方面，包括邏輯處理速度、錯(cuò)誤率、控制算法效率以及反饋環(huán)路穩(wěn)定性。邏輯處理速度的快慢直接影響系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)需求變化的響應(yīng)速度，而低錯(cuò)誤率和高效的控制算法可以提高溫度控制的精確性。另外，反饋環(huán)路穩(wěn)定性對(duì)于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

系統(tǒng)參數(shù)方面，需要考慮冗余性、可擴(kuò)展性、與其他工業(yè)系統(tǒng)的集成程度以及升級(jí)能力。冗余性可提高系統(tǒng)的可靠性，使其能夠容忍硬件故障?？蓴U(kuò)展性確保系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)需求，而與其他工業(yè)系統(tǒng)的集成程度可提高整體生產(chǎn)效率。升級(jí)能力是確保系統(tǒng)在未來技術(shù)發(fā)展和工藝變化中保持競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。

通過深入分析和優(yōu)化這些參數(shù)，焦化廠冷卻系統(tǒng)的性能可得到顯著改善，這有助于降低能源消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量，并使系統(tǒng)更好地適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)環(huán)境。

1.2 PLC控制冷卻系統(tǒng)過程中的溫度控制

在焦化廠PLC 控制的冷卻系統(tǒng)中，溫度控制的精確性出現(xiàn)問題主要是由于傳感器的老化或環(huán)境因素（如灰塵、化學(xué)蒸氣的侵蝕）導(dǎo)致的。溫度精度的下降會(huì)直接影響到冷卻系統(tǒng)的效率，可能導(dǎo)致設(shè)備過熱或過冷，影響焦炭的質(zhì)量和能源消耗。溫度的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)變化，影響機(jī)械部件的尺寸精度。不恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂茣?huì)導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力增加，降低設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。

PLC 在溫度監(jiān)測(cè)中的控制過程主要涉及連續(xù)的數(shù)據(jù)采集、處理和反饋調(diào)節(jié)。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻介質(zhì)或設(shè)備的溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸至PLC。PLC 根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度范圍進(jìn)行分析，然后調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的參數(shù)，如冷卻介質(zhì)的流量和溫度。在這個(gè)過程中，溫度精確性可能受到電磁干擾、傳感器誤差或系統(tǒng)延遲的影響。電磁干擾可能導(dǎo)致傳感器信號(hào)失真，而系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間延遲可能導(dǎo)致控制指令與實(shí)際需求不同步，進(jìn)而影響冷卻效果。

以下以具體的例子說明PLC 控制溫度監(jiān)測(cè)時(shí)溫度控制精確性出現(xiàn)問題的詳細(xì)過程。傳感器A 在冷卻系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度，傳感器B 監(jiān)測(cè)冷卻介質(zhì)溫度。在理想情況下，A 和B 應(yīng)當(dāng)協(xié)同工作，確保設(shè)備在最佳溫度下運(yùn)行。然而，如果傳感器A 因環(huán)境因素老化，導(dǎo)致其讀數(shù)偏低，PLC 可能會(huì)錯(cuò)誤地增加冷卻介質(zhì)的流量。這種情況下，即使傳感器B 讀數(shù)正常，由于A的誤差，PLC 系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)造成設(shè)備過度冷卻，影響焦化效率和能源消耗。系統(tǒng)中的電磁干擾可能進(jìn)一步增加傳感器讀數(shù)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致PLC 控制邏輯的判斷失誤。

2 PLC控制冷卻系統(tǒng)分析

在焦化廠的冷卻系統(tǒng)中，精確的溫度控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)可能會(huì)因傳感器的不精確性或環(huán)境因素而導(dǎo)致控制精度不高，進(jìn)而影響到焦炭的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為此，從自動(dòng)化和智能控制的角度出發(fā)，構(gòu)建了高精度溫度智能控制系統(tǒng)—— 焦化溫控智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)（JC-TICS）。通過這一自動(dòng)化系統(tǒng)，可顯著提升溫度控制的精確性和穩(wěn)定性。

JC-TICS 的設(shè)計(jì)允許其安裝在焦化生產(chǎn)線的多個(gè)關(guān)鍵位置。其與冷卻塔、換熱器及循環(huán)泵等設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)高效的熱管理。系統(tǒng)通過高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度分布，利用先進(jìn)的PID 算法和模糊邏輯，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流速和溫度，以適應(yīng)生產(chǎn)線的熱負(fù)荷變化。JC-TICS 的設(shè)計(jì)不僅提高了溫度控制的適應(yīng)性，還通過多自由度控制策略，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)速度。

系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，特別是溫度調(diào)節(jié)閥門和冷卻介質(zhì)流量控制器，采用了PLC 和智能伺服系統(tǒng)，確保精確執(zhí)行溫度調(diào)節(jié)指令。雖然系統(tǒng)誤差無法完全避免，但JC-TICS 采用了校準(zhǔn)算法最小化誤差。即使是微小的溫度偏差，系統(tǒng)也能通過自學(xué)習(xí)功能進(jìn)行自我調(diào)整，保證控制策略的合理性。

JC-TICS 系統(tǒng)主要包括傳感器陣列、PLC 控制單元、伺服控制器以及用戶界面。PLC 控制單元是系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)并作出控制決策；伺服控制器則負(fù)責(zé)精確執(zhí)行這些決策。同時(shí)，系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的溫度補(bǔ)償技術(shù)，即使在極端的工作條件下也能保持高精度的溫度控制。

JC-TICS 的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于，其能通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)溫度精度的持續(xù)優(yōu)化。結(jié)合PLC 的高穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)能夠有效降低能源消耗，提高焦炭生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。此外，JC-TICS 還設(shè)計(jì)了與5G 通信和人工智能技術(shù)的接口，使系統(tǒng)能夠在未來的智能制造環(huán)境中輕松升級(jí)和擴(kuò)展。這種前瞻性設(shè)計(jì)意味著JC-TICS 不僅能滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求，還能適應(yīng)未來可能出現(xiàn)的新技術(shù)和新挑戰(zhàn)。

3 對(duì)比試驗(yàn)

設(shè)定冷卻介質(zhì)的流速在優(yōu)化前后分別為：10 L/min、15 L/min、20 L/min 和25 L/min。對(duì)應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)能夠達(dá)到的溫度控制精度和能源效率，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在試驗(yàn)前，測(cè)得系統(tǒng)在不同流速下的溫度控制精度為±2℃，能源效率為單位時(shí)間內(nèi)冷卻介質(zhì)溫降與消耗能量的比值，系統(tǒng)穩(wěn)定性則由達(dá)到設(shè)定溫度所需時(shí)間來衡量。

進(jìn)行20 組對(duì)比試驗(yàn)后，得到溫度波動(dòng)范圍對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果、響應(yīng)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果及能源效率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2、表3。

從表1、表2及表3數(shù)據(jù)中可以看出，引入了焦化溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，溫度控制的精度得到了顯著提高，調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度的速度加快，同時(shí)能源效率也有了明顯的提升。這些結(jié)果表明，通過優(yōu)化PLC控制系統(tǒng)和實(shí)施改進(jìn)算法，可有效提高冷卻系統(tǒng)的溫度控制精度，這對(duì)于提高焦化廠的生產(chǎn)效率和降低能源消耗具有重要意義。

4 結(jié)論

文章針對(duì)焦化廠冷卻系統(tǒng)中PLC 控制的精確性進(jìn)行了研究，目標(biāo)是通過自動(dòng)化和智能化控制提高系統(tǒng)的溫度控制精度，進(jìn)而提升整個(gè)焦化過程的效率和質(zhì)量。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論。

（1）在焦化廠冷卻系統(tǒng)中，通過優(yōu)化PLC 控制邏輯和引入高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的溫度控制精度得到顯著提升。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠?qū)囟炔▌?dòng)控制在更窄的范圍內(nèi)，并且響應(yīng)時(shí)間更快，能源效率更高。

（2）系統(tǒng)誤差的減小對(duì)于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有直接影響。通過智能化控制策略的應(yīng)用，PLC能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整控制參數(shù)，對(duì)冷卻介質(zhì)的流速和溫度進(jìn)行精確控制，從而確保了焦化生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）提出的PLC 自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，結(jié)合改進(jìn)算法，不僅適用于當(dāng)前的焦化生產(chǎn)需求，而且預(yù)留了與未來技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的升級(jí)空間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前瞻性和靈活性，使其能夠與5G 通信及人工智能技術(shù)無縫結(jié)合，為焦化廠智能化轉(zhuǎn)型提供了有效的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 李琳琳.PLC 在焦化廠焦?fàn)t車輛自動(dòng)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2023，59（7）：173-175.

[2] 邢書琴.PLC 自動(dòng)控制技術(shù)在焦化廠煤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2023（11）：24-26.

[3] 張棟. 焦化廠備煤及配煤綜合系統(tǒng)中PLC 的應(yīng)用[J]. 陜西煤炭，2020，39（3）：190-192.

[4] 黃浩濱.PLC 技術(shù)在焦?fàn)t脫硫脫硝工段中的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng)，2019（16）：167.

[5] 張棋昊. 西門子PLC 技術(shù)在焦化四大機(jī)車的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工研究，2018（7）：101-102.

[6] 朱雪璇.PLC 在焦化廠備煤及配煤自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 中外企業(yè)家，2018（21）：123.

[7] 王志偉，趙鵬，王秀娟，等. 西門子S7-300F 系列安全型PLC 在焦化中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)，2015（1）：39-40.

[8] 王志偉，王秀娟，朱云朋，等. 協(xié)調(diào)PLC 系統(tǒng)在焦?fàn)t生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)，2014（7）：61-62.

[9] 張華平. 焦?fàn)t生產(chǎn)中PLC 干擾及解決方法[J]. 冶金動(dòng)力，2013（3）：81-83.

[10] 苗貴倉(cāng). 施耐德PLC 控制系統(tǒng)在邯鋼西區(qū)焦化廠的應(yīng)用[J]. 金屬世界，2013（2）：28-31.