管式加熱爐PLC控制系統設計

王 蕊

（唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020）

0 引言

工業革命以來，加熱爐在生產制造領域一直占據著十分重要的地位。管式加熱爐是對原油加熱，為保證加熱爐出口原油溫度適應負荷的需要以及加熱爐的運行安全，各個環節的工藝參數必須嚴格控制，最主要的控制參數是加熱爐出口原油溫度。這里設計了一種保證加熱爐可靠安全運行的控制方案，控制器采用易于構成控制網絡的PLC 實現，PLC 有著運算速度高、指令豐富、功能強大、可靠性高、使用方便、編程靈活、抗干擾能力強等特點。本設計利用PLC 作為下位機；同時，采用MCGS 通過上位機對系統運行狀態進行監控，實現了良好的人機交互功能。

圖1 控制系統硬件配置Fig.1 Control system hardware configuration

1 控制系統硬件構成

管式加熱爐控制系統輸入、輸出點數較少，所以選用SIMATIC S7-200 系列CPU224 型PLC。控制系統包含上位機（MCGS 組態監控軟件）、下位機西門子S7-200（CPU224）PLC、一個EM235 模塊、兩個溫度檢測變送器，兩個調節閥、上位機與PLC 通過RS485 通用串口線、RS232-RS485轉接頭相連接。控制系統硬件配置如圖1 所示[1]。

2 系統硬件選擇

2.1 PLC的選型

調節器用來接收溫度檢測變送器送來的信號，并且作出相應邏輯控制，然后再反饋到調節閥上去，形成閉環控制系統。PLC 是一款既可以編程又可以邏輯控制的調節器，具有龐大的功能并且操作簡單，利用梯形圖編程實用易行。PLC 選取西門子系列S7-200，CPU224（可外接7 個擴展模塊），利用PLC 作為下位機，起到調節器的作用，與上位機通訊采用為PPI 協議。S7-200 與上位機MCGS 通過RS232/RS485 轉換器與RS485 通用串口線連接，保證控制器與監控軟件的遠程通訊功能與數據交互能力，實現MCGS 遠程監控的功能[2]。

A/D 轉換器為FXZN-4AD；D/A 轉換器為FXZN-4DA。

2.2 傳感器的選擇

檢測燃燒室內和出口處原油的溫度，選擇工業中常用的熱電偶溫度傳感器來檢測，它可直接將熱信號轉換為電信號，再由變送器變送為與溫度成線性關系的標準電信號傳輸出去。熱電偶選取兩種材質各異的導體，由于熱電效應的存在，在導體之間將產生熱電勢，根據熱電勢計算出實時溫度的值。因為燃燒器的燃料是燃料油，加熱爐燃燒室內能產生的溫度在1300℃以下，燃燒室內溫度傳感器采用S 型熱電偶，量程為0℃～1300℃。原油出口處溫度相對較低，選用T 型熱電偶，量程為0℃～350℃。

得到了溫度的電信號以后需要將數據傳送出去，并且標準化。因此，需要溫度變送器，將電信號轉換成與溫度成線性相關的電流信號，傳送給模擬量模塊。STT250 能夠把傳感器所得的溫度信號線性的轉化成模擬信號，它是一款兩線制的智能元器件，可以將4mA ～20mA 的電流傳導給與下位機相連的EM232 模塊，進行數據采集的信息傳遞。

2.3 調節閥的選擇

調節閥b 用來調節管式加熱爐原油的輸送量，通過接受控制器所給定的信號，實時地調整輸送到加熱爐內的原油流量，以應對爐內溫度變化引起的加熱精度的改變。調節閥a 是用來控制燃燒器的燃料流量，此閥數值改變直接影響燃燒燃料產生的熱能，減少燃料即減少能量轉化，從而直接控制了燃燒室溫度，間接控制了原油的加熱溫度。

調節閥的種類有3 種，而此處需要加熱的原油和燃燒器的燃料都是易燃易爆的物質，所以此處不能選擇電動調節閥，適宜選擇氣動調節閥，簡單方便，易于控制且安全性好。

調節閥氣開氣關形式的選擇要以安全為前提，當危險事件發生時，加熱爐的燃燒器應該立即停止加熱，避免溫度過高發生爆炸，所以調節閥b 選擇氣開式調節閥。出于對加熱的原油下一道工序和加熱爐精度的考慮，危險情況發生后應停止繼續輸送原油，所以調節閥a 也選擇氣開式。基于此，調節閥的類型選擇常見的單直通氣開式。

表1 PLC I/O及軟元件地址分配表Table 1 PLC I/O and soft component address distribution table

2.4 上位機的選擇

上位機選用臺灣研華工控機，工控機主要配置為：Pentium III 處理器，128M 內存，15G 硬盤。

3 PLC硬件設計

分析控制任務可知，數字量輸入2 個，分別為控制系統的啟動與停止；數字量輸出3 個，分別為加熱爐啟動、加熱爐停止、調節閥b；模擬量輸入1 個，為燃燒室溫度；模擬量輸出1 個，為調節閥a；軟元件10 個，包括原油出口溫度檢測值和設定值、控制系統自動輸出值和手動輸出值、PID 參數（比例系數、積分時間、微分時間）、采樣時間、手動/自動切換輸出等。列出PLC 的I/O 及軟元件地址分配見表1。畫出相應的I/O 外部接線圖如圖2 所示[3]。

圖2 PLC I/O外部接線圖Fig.2 PLC I/O External wiring diagram

圖4 主程序Fig.4 Main program

4 PLC軟件設計

PLC 的軟件設計即編制PLC 的控制程序，使用最多的就是梯形圖程序，采用經驗設計法進行。

4.1 控制系統流程圖

燃燒室內加熱采用的是燃料油，通過調節閥a 調節燃料油流量以控制被加熱原油溫度，發送啟動命令后，調節閥a 打開并啟動燃燒器開始預熱，當燃燒室溫度達到設定值時，調節閥b 打開輸送原油開始給原油加熱，控制系統啟動控制原油出口溫度，加熱爐正常工作。PLC 控制系統流程圖如圖3 所示[4]。

4.2 梯形圖控制程序的設計

主程序：將PID 的參數傳入到PLC 的寄存器中，采樣周期為0.1s，中斷時間為100ms，積分時間為0s。主程序如圖4 所示。

采集程序：將加熱爐內的溫度檢測變送器采集的數據送到PID_PV 中。溫度采集程序如圖5 所示。輸出處理程序如圖6 所示。

圖5 溫度采集程序Fig.5 Temperature collection progr

圖6 輸出處理程序Fig.6 Output handler

5 結語

采用功能強大的PLC 控制器實現下位機的控制，PLC選用了S7200-CPU224，并通過模擬量模塊EM235 實現溫度信號的采集和控制，利用組態軟件與PLC 實時通訊，通過組態畫面與工程畫面實時掌控加熱爐現場數據，并能及時調整參數，監控系統運行情況，可用于對石油加熱的管式加熱爐的控制，對其他工業控制亦有重要的借鑒意義。