西門子PLC在沸騰氯化爐控制中的應用設計

于娟+白浪+龍瑤琳

【摘 要】本課題擯棄了傳統的人工模式，建立沸騰氯化爐生產四氯化鈦過程理想模型，采用PLC可編程控制器，并結合PID控制系統，實現對沸騰氯化爐溫度和料層高度的控制。根據K型熱電偶采集到的溫度信號來調節混合物料的傳輸速度和氯氣的輸送速度，根據核子料位計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，較好的實現了沸騰氯化爐的自動化控制。

【關鍵詞】PLC；沸騰氯化爐；組態

0 引言

四氯化鈦是鈦冶煉過程中一個重要的中間產品，目前世界上制取四氯化鈦最普遍的方法是用沸騰氯化法。沸騰氯化又稱流態化氯化，是采用富含鈦的細微顆粒礦料與固體碳質（石油焦）還原劑，在高溫和氯氣流的作用下，呈流態化狀態進行氯化反應，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過程中難以及時設定混合物料進料速度和氯氣流量，難以實現大規模的連續生產，并且原料利用率和生產效率低。沸騰氯化生產四氯化鈦的關鍵設備是沸騰氯化爐，沸騰氯化爐內溫度和料曾高度在沸騰氯化生產四氯化鈦工藝環節中對產品的品質尤為重要。[1-2]因此引入可編程控制器對沸騰氯化爐的控制，讓四氯化鈦生產工藝技術更加合理、更加完善，對國內沸騰氯化技術的向前推進具有積極意義。[3]

本設計方案采用基于西門子PLC可編程控制器，并結合PID控制系統，實現了對沸騰氯化爐溫度和爐內料層高度的控制。

1 整體方案

根據沸騰氯化爐的控制要求，要實現溫度以及料層高的快速有效控制，單純的使用開環控制系統會使溫度或者料層高度朝著單一的方向進行變化，并不能維持在一個特定的工藝生產環境。雖然復合控制系統能夠將開環控制和閉環控制有機的結合起來，克服了傳輸過程中的時間延遲，而且系統穩定性只由偏差控制回路所決定，能夠同反饋控制系統的研究方法進行分析。但是生產過程經簡化處理后，很多干擾在理想化后都可以忽略，控制時只需要根據偏差進行控制，可忽略擾動因素，所以選擇簡單的閉環控制回路就足夠。本設計系統選用PLC作為控制器，利用熱電偶在實際的有溫度差環境中形成的溫差電動勢其輸出到模擬量輸入/輸出模塊，轉化成數字量信號送到PLC中進行PID調節。料位計采集到料面高度后，以4-20mA的電流信號輸入到PLC中。通過PLC的數據處理之后，將控制信號輸出到對應的控制閥，以調節控制閥的開度，實現對溫度和料位高度的控制。整體設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

沸騰氯化爐生產工藝現場的控制技術是相當復雜的，為達到預期效果，需要選取合適的傳感器和控制閥，采用相應的輸入/輸出電壓或電流，在PLC中進行模擬控制。本設計選用硬件如下：

2.1 YJD-HX型星型給料機

星形給料機是機械化和自動控制系統中均勻連續配料、輸送、卸料設備。星型給料機上部料倉的物料靠自重落入葉片的空隙中，隨葉片的旋轉而從其下部輸出，它可以定量而連續地給料，要控制給料的速度就需要控制減速電機的速度，以實現給料速度的連續可控調節。整機具有體積小、重量輕、生產能力強、維修操作方便等特點。

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，記錄儀表和電子調節器配套使用。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中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。K型熱電偶其穩定性和均勻性較好，靈敏度高，線性度好，熱電動勢較大，抗氧化性能強，價格便宜等，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

YT-HL系列核子料位計是利用射線技術，通過伽馬射線與被測物質的相互作用，得到隨物料料面或液體液面變化的射線強度信號，然后監測處理這一信號并轉換為標準電信號，用于連續顯示料位或作為料位控制信號。核子料位計的現場安裝示意如圖3。

2.4 S7-300PLC的硬件選擇

西門子S7系列PLC是西門子自動化產品中的旗艦型產品，具有體積小、速度快、標準化等優點，它使用靈活，功能強大。本設計選用西門子S7-300模塊化的PLC。引入S7-300PLC實現三個方面的控制：控制混合物料的加料速度、控制溫度、監控系統的運行狀態。具體模塊選型如下：

2.4.1 CPU的選型

為實現組態和PLCSIM仿真器的通訊，就需要選擇具有通訊功能的CPU，根據實際條件，選擇CPU315-2DP模塊，在數據的處理速度和指令執行的過程中完全能夠滿足控制要求。

2.4.2 數字量輸入輸出模塊選型

在整個控制系統中，有啟動和停止功能，需要兩個數字量輸入端子；PID控制器中，手/自動模式、比例操作、積分操作、微分操作的相應條件需要四個數字量輸入端子。所以選用SM321數字量輸入模塊，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，核子料位計測量的高度返回值是4～20mA的電流信號，仿真時就選擇4DMU測量型號。考慮到有設定值的模擬輸入，會用到4路輸入入口，所以選擇SM331模擬量輸入模塊，規格為8AI×16位模塊。經過PID控制器處理之后，會將得到的信號經過轉換之后輸出給執行器，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 軟件設計

連接好PLC電源，設備自檢，如果硬件存在問題，就終止程序的運行。反之，執行隨后的程序。采集實時溫度信號，將模擬信號輸入到PLC中，與設定的溫度參數作比較，若在設定值范圍內，就運用PID控制器處理，傳送給執行器，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整；若不在設定范圍內，若小于800℃，應該加大物料輸送速度，若大于1000℃，則應該加大物料輸送速度，氯氣速度可以保持不變也可以適當減小。執行器執行了相應操作之后，還要持續判斷溫度的情況。

繼以上程序之后，要根據料位計采集到的料位高度來控制排渣的情況，料位計所測得的高度會轉換成4-20mA的電流，作為模擬信號傳送到PLC中。若模擬信號小于設定的范圍，則應該將排渣閥的開度調到最小；若模擬信號在設定的范圍內，則通過PID控制器調節，將轉換之后的信號傳送給執行器，給排渣閥的開度做細微調整，以維持適當高度；若模擬信號大于所設定的范圍，則應該增大排渣閥的開度，使料層高度快速下降。以上的操作執行后，還要實時監控料層高度，達到閉環控制的目的[15]。程序流程圖如圖4所示。

4 仿真結果

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

新建組態王與PLCSIM仿真器相互關聯的變量，然后在組態王相對應的地方選擇動作連接。可以在以上面板輸入溫度和高度的設定值，按下啟動按鈕后運行仿真器中的程序，就可以得到仿真結果。實時曲線界面如圖6所示。

在溫度監控圖表中，橫坐標是時間軸，表示的是不同時刻的溫度情況。縱坐標表示的是溫度值，顯示對應時刻溫度的大小。溫度以及高度的數值變化，就在實時曲線中就可以看到它們的變化。當按下停止按鈕之后，閥門沒有信號，溫度就會下降。以溫度監控為例，由于沒有連續的模擬溫度信號輸入，得不到連續的溫度PID控制曲線，這就是本次畢業設計的局限性。沸騰氯化爐的監控曲線如圖7所示。

此次仿真中，由于環節比較多，出現狀況的地方也就相對比較多，根據實際條件，仿真結果達到了PID控制要求。

5 結論

本設計通過建立理想模型，排除沸騰氯化爐中很多被控量之間的相互影響，運用PID控制系統來實現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，結合系統可控量和被控量的特點，確定出控制策略，再設計出PID控制系統的總體方案，控制系統總體結構采用分布式PID控制方式，下位機、上位機相結合。根據控制系統的控制量和檢測量，并結合實際生產環境進行硬件選型。本系統共設計了兩個PID控制器，分別對生產溫度和料層高度進行控制。仿真運行后，對記錄的數據歷史曲線進行了分析，如果所給的輸入信號是連續的檢測信號，系統能實現PID控制。

【參考文獻】

[1]陸和東，練林海.無篩板沸騰氯化法四氯化鈦生產工藝[J].氯堿工業，2009，45（9）：26-29.

[2]宋玉萍.四氯化鈦中的有機雜質分析[D].貴州大學，2008.

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

[4]辛劍.火電廠熱電偶冷端補償分析與研究[D].華北電力大學（北京），2010.

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

[責任編輯：湯靜]