基于PCS7的沸騰爐節油自動點火控制系統的設計與應用

吳明亮 趙 坤 吳明永 張曉東

(1.蘭州理工大學機電工程學院，蘭州 730050；2.蘭州城市學院培黎石油工程學院，蘭州 730070)

沸騰爐是一種新型節能燃燒設備，具有高效、節能的點火技術。傳統沸騰爐大多采用手動方式點火，操作過程復雜，爐內溫度不易控制，操作不當就會帶來一系列的問題，而且操作人員危險性高、工作強度大，點火周期長[1]。以新疆奎屯銅冠冶化有限公司年產30萬t硫酸的沸騰爐為背景，結合全集成PCS7系統設計開發出以S7-400 PLC為核心的自動點火DCS系統，該系統具有結構簡單、維護工作量小及運行費用低等優點。

1 系統構成①

沸騰爐點火控制系統由油泵、調節閥、燃燒器、現場儀表、操作箱、低壓配電柜及上位工控機等組成(圖1)。沸騰爐內均布4臺燃燒器，各燃燒器獨立工作，互不影響。燃燒器內裝有點火槍、電弧槍、油管、壓縮空氣管和助燃風管，油槍和點火槍采用氣動推進裝置，點火開始時油槍和點火槍被推入爐內，結束時退回原位，避免油槍和點火槍長期處于高溫環境中，延長使用壽命。

圖1 點火控制系統結構示意圖

點火前，油泵啟動，油角閥關閉，此時輕柴油通過回油管回到油箱。助燃風管道上設置伺服電動機調節風量，一般與爐膛壓力差保持在3～5kPa。點火時油壓控制在650kPa左右，由壓縮空氣將輕柴油霧化后噴入爐內，同時電弧槍持續發火15s。點火成功后，通過合理調節空燃比，將爐溫逐漸提升到900℃左右，然后將硫鐵礦投入爐內，通過調控爐底風機和開爐風機之間的風量，將爐膛負壓保持在-10～20Pa范圍內，從而使硫鐵礦懸浮于硫化床之上，將硫鐵礦引燃。

2 系統配置

控制系統采用的PCS7系統是一種模塊化的基于現場總線的新一代過程控制系統，結合了傳統DCS和PLC系統的優點，系統所有的硬件基于統一的硬件平臺，可以根據需要選用不同的功能組件進行系統組態。系統上位機由一臺工程師站和若干臺操作員站組成。上位機選擇研華工業型計算機，內配有千兆以太網卡，計算機內裝有PCS7 V7.1版本軟件，可用于程序編寫、硬件組態、網絡組態、數據庫的建立/維護及人機界面組態等。下位機由IM153-2通信模塊、電源模塊、模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數字量輸入模塊DI及數字量輸出模塊DO等組成。

控制系統硬件結構如圖2所示。系統由IM153-2通過Profibus-DP現場總線與DCS相融合，由開關量和模擬量采集模塊將現場所需數據信號傳遞到現場控制器CPU中，通過一定的邏輯運算，將執行命令傳輸給現場點火執行機構。Profibus-DP現場總線的數據傳輸速率為9.6kbit/s～12.0Mbit/s，用于現場控制站的 CPU 主站和分布式ET200M 從站之間的數據通信，實現現場信號的采集和處理[2]。帶光電轉換的工業以太網交換機Simatic X204-2構成光纖環網，傳輸速率快，將操作管理層的工程師站、操作員站與現場控制站上的CP443-1連接起來，實現上位機與控制站S7-400 CPU之間的通信。Simatic X204-2交換機具有冗余環網管理功能，任何一個節點斷開都不會影響到網絡的正常運行。

3 軟件設計

本系統軟件是基于PCS7過程控制的強大集成功能平臺設計的。PCS7是集DCS、總線I/O和PLC為一體的新型全集成控制系統[3]，具有高度的可靠性和穩定性，運算速度快，容量大，客戶/服務器結構從上到下組態，具有友好的人機界面，能靈活、可靠地嫁接于舊系統之上。

3.1 點火流程

圖3 自動點火系統程序流程

點火程序流程如圖3所示。點火前首先檢查油壓、壓縮空氣壓力和助燃風壓是否正常，然后對沸騰爐進行全爐膛吹掃(本系統設定吹掃時間為60s)，吹掃完成后關閉吹掃閥；吹掃閥到位信號收到后進點火槍，點火槍到位后開啟霧化閥，然后啟動點火器；此時開啟油角閥，點火器持續發火15s后退出點火器。通過火檢裝置檢測點火是否成功，若點火失敗，關閉油角閥，然后關閉霧化閥，最后開啟吹掃閥對沸騰爐進行全爐膛吹掃，按照上述步驟重新點火。

點火成功后要通過控制助燃風量和輕柴油流量找到最優空燃比，精確、有效地控制爐膛溫度。程序編寫采用PCS7的編程組件梯形圖、SCL及CFC等多種語言進行編寫，清晰直觀，簡單可靠。通過編寫空燃比自尋優程序(圖4)，使空燃比自動達到最佳值，節約原料，減少空氣污染。因此，控制空燃比到一個預定的理想范圍對降低柴油排放量是非常重要的[4]。

3.2 聯鎖保護

聯鎖保護系統是工業過程控制系統中必須設計的安全保護程序，為了保證沸騰爐的安全運行，當工藝控制參數發生異常時應使沸騰爐停止運行[5]。本點火控制系統的聯鎖保護系統的信號主要包括：緊急停車、火檢無火、壓縮空氣壓力低/高、油壓低/高、助燃風壓力低及燃料喪失等，其中任何一個信號出現時就會發出聯鎖停車信號。模擬量聯鎖信號設置了聯鎖延時，防止這些變量的瞬間波動導致誤停車。DCS聯鎖邏輯如圖5所示，實際進行DCS組態時，每個聯鎖信號都增加了旁路軟開關，使操作人員可以根據實際生產需求有選擇地將聯鎖回路投入運行，設計更為人性化。聯鎖保護設計不僅可以提高整個控制系統的可靠性，保證生產的安全運行，還有利于防止設備本體受到意外事故的損壞，延長設備使用壽命。

圖5 DCS聯鎖邏輯示意圖

3.3 監控畫面

本系統上位監控畫面采用WinCC設計而成。WinCC組態軟件提供了適用于工業的圖形顯示、消息報警、過程值歸檔及報表打印等模塊[6]。根據點火工藝流程，筆者設計了操作簡單、更為人性化的人機界面(圖6)：使用圖形化操作方式的人機界面，能夠顯示工藝流程畫面和動態運行參數，使查詢更方便、靈活；監控中心可以通過歷史曲線對數據進行分析，也可以自動生成、打印報表；點火過程中出現的故障均以聲光形式報警，并分出報警等級，操作人員可以將報警記錄打印，進行故障分析；設置了不同的管理權限，只有賦予權限的用戶才能進行允許的操作。

圖6 WinCC 監控界面

4 結束語

基于PCS7過程控制平臺設計的沸騰爐自動點火控制系統操作簡單、功能完善、可靠性高，點系統程序流程簡單清晰，程序通過多種方法混合編寫，穩定可靠，且聯鎖控制方案設計合理，完全可以克服手動點火的缺點，實現沸騰爐點火操作程序的簡單、安全和可靠運行。經新疆奎屯銅冠冶化有限公司的投產使用，證明該系統具有廣泛的實用價值。