鐘罩窯控制系統的升級改造

李 凱

（中國石化催化劑有限公司 長嶺分公司，湖南 岳陽 414012）

0 引言

某催化劑公司有兩臺20 世紀90 年代從國外進口的鐘罩窯設備，用于分子篩產品的焙燒。由于使用年限已長，部分設備開始老化，故障率逐漸增高，而且控制系統的自動化程度較低，需要操作人員手動參與設置，這不僅增加了操作人員的勞動強度，降低了控溫精度，而且還不能準確地執行產品焙燒工藝，極大地影響了產品質量。

1 改造前的設備及控制系統介紹

1.1 鐘罩窯設備

鐘罩窯采用窯式設備對物料進行長時間焙燒反應。生產前，先將窯體升起，將堆放物料的活動小車推入窯體內，再將窯體下降，讓物料完全置入窯體內，點火，升溫，焙燒，通過尾氣風機在窯體底部抽吸，讓窯內壓力在微正負壓之間波動，形成良好的焙燒反應氣氛。

1.2 舊控制系統

原設備控制系統如圖1 所示。需要操作人員手動先依次啟動尾氣風機、一次風機、二次風機，再手動開始系統吹掃，吹掃時間完成后，再手動進行1#、2#、3#火嘴的手動點火，然后再對4#、5#、6#火嘴進行手動點火。當6 個火嘴全部點燃后，啟動溫度曲線開始升溫。溫度曲線走完后，熄滅所有火嘴，開始降溫。當溫度降至80℃以下，手動關閉一次風機、二次風機、尾氣風機。

圖1 原設備控制系統Fig.1 Original equipment control system

2 控制系統升級改造

由于生產工藝的特殊性，必須保證物料有40 個小時以上的加熱反應時間，普通焙燒爐無法滿足工藝要求，重新研發需要很長時間，且不能保證完全滿足需要。因此，在生產任務緊張的情況下，只能對兩臺鐘罩爐在設備、原控制邏輯不變的基礎上，對控制系統進行升級改造。

2.1 舊控制系統的功能缺陷

原設備采用老式的溫控表控制，聯鎖邏輯由繼電器實現，由于年久失修，頻繁出問題。備用器件的更換也比較繁瑣，部分功能已經永久失效了。有如下幾個方面需要進行升級改造：

1）控制系統由多個溫控表控制，有控制精度低，響應速度慢，穩定性差等缺點[1]。

2）控制系統的電纜、儀表等使用時間較長，需要更換，以保證信號和控制的精度。

3）系統的數據記錄采用的是有紙記錄儀，且已經喪失記錄功能。

4）電機啟停只能在電機柜柜面操作，比較繁瑣。

5）原調節閥均為模糊控制方式，控制精度不高；繼電器頻繁動作，報修率非常高，一、兩個星期就需要更換一批繼電器。

6）溫度控制的不精確導致爐內溫度分布不均勻，使焙燒出的部分產品不合格，給生產效益帶來較大影響。

2.2 升級改造的難點

因為要在原設備及舊的控制邏輯基礎上對系統進行升級改造，主要有以下幾個方面的難點需要一一克服：

1）需要研究當初鐘罩窯的原始設計圖紙，以確保保留原主要控制聯鎖邏輯關系。為此，設計人員借閱了當初的設計圖紙，對200 多頁全英文的設計圖紙進行了詳細的研究，最后完全掌握了原設計圖紙的控制聯鎖邏輯關系，并在此基礎上，對原有聯鎖邏輯關系進行了優化設計。

表1 系統IO點數表Table 1 System IO points table

2）溫度的精確控制是產品品質的保證，既是重點也是難點。難點在于：①窯體溫區距離較近，加熱相互干擾；②由于是下部3 個溫區，上部3 個溫區，下部溫區的加熱對上部溫區影響較大；③因為設備運行時，尾氣風機會持續運行，窯內壓力會在微正壓和微負壓之間來回波動，對溫度的控制有一定的影響。

3）為了減少操作人員的人工干預，新的控制系統應盡量自動化，保證工藝條件的統一性。

3 系統的升級改造

對系統的升級改造主要分為以下幾個方面：

3.1 電機控制柜的改造

原電機控制柜只能就地現場控制，無法將電機狀態上傳，也無法實現遠程啟停。故對電機控制柜進行了全新設計，使其能夠實現遠程啟停，遠程監測電機狀態。

3.2 舊儀表及電纜的更換

舊儀表及電纜使用時間較長，為保證后期控制系統的信號傳輸及控制精度，將原有的儀表及電纜進行了更換。

3.3 新的控制系統

新的控制系統配備了兩臺電腦作為操作員站，采用S7-300 PLC 對所有信號進行集中處理。

1）控制系統的I/O 點數

本系統的I/O 點數見表1。

2）控制系統的組成

根據系統的I/O 點數，配置了如表2 所示PLC 板卡。

3）控制系統拓撲圖

控制系統的拓撲圖如圖2 所示。

本系統采用S7-300 系列PLC，適用于中等工業控制場合，具有運行穩定可靠等優點，對二進制和浮點運算具有較高的處理能力，同時具有PID 運算功能[2]。

4 控制系統升級改造后

升級改造后的控制系統，如圖3 所示。操作界面一目了然，各種按鈕清晰可見，操作簡單易懂，無需人工干預，控溫精準，能夠很好地滿足工藝曲線進行升溫焙燒，各種監測數據集中顯示，方便查看，還有歷史曲線方便追溯查詢。

表2 PLC板卡Table 2 PLC board

圖2 控制系統拓撲圖Fig.2 Control system topology

圖3 新控制系統操作界面Fig.3 Operation interface of new control system

4.1 爐膛溫度控制

1）點火控制

由PLC 控制器實現自動控制，操作員發出點火命令，系統自動啟動風機對爐膛進行吹掃，吹掃完畢即打開燃氣閥，關小風門并給點火變壓器通電開始打火；系統檢測到火焰，顯示火焰正常即進入溫度控制階段；如果系統未收到火焰燃燒信號，即點火失敗，則程序自動關閉點火電磁閥，并發出聲音報警，人為排除故障后方可再次點火。當爐頂測溫值超過800℃時，可直接通入燃氣點火，不需要吹掃。

2）程序升溫

系統判斷燃燒器燃燒正常后即進入程序升溫階段，根據預先設定好的升溫曲線進行升溫，通過曲線的形勢實時顯示各點溫度值以及升溫時間，使操作員一目了然地看到現在溫度點所處的階段。操作員僅需要設置目標溫度和目標時間，所有的操作都可由程序自動完成。升溫過程中，二次風風量也根據曲線進行調節。在升溫過程中可以隨時對單個燒嘴切換為手動模式，實現手動控制閥門開度。

新的控制系統，可存儲10 條預設升溫曲線，當更改工藝升溫時，只需要選擇相應的曲線即可，無需像之前的溫控表一樣，對每段溫度值進行手動輸入，極大地節省了時間和工作量。

3）4 個溫區的PID 控制

鐘罩窯系統共4 個溫區，但是有6 個火嘴，為了實現對溫度的精確控制，因此采用PID 控制方式。PID 控制是目前應用最廣泛的一項溫控技術，PID 控制系統由模擬PID控制器和被控對象組成，是一種線性控制器，控制規律為：

其中，Kp 為比例系數；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數[3]。

一號溫區在窯體右側下部，由1#、3#火嘴和1#一次風閥控制火力；三號溫區在窯體左側上部，由5#、6#火嘴和3#一次風閥控制火力。二號溫區和四號溫區分別由1 個火嘴和1 個風閥組成。三號溫區和四號溫區由于處于窯體上部，受到下部一號和二號溫區的影響較大，使得各區的PID 參數難以確定，計算復雜，所以在參數設置上，必須以現場設置參數，觀察反饋的結果，并逐步將參數優化至最佳。

經過摸索試驗，最終確定了四區的加熱參數，增益系數分別為1.26、1.26、0.81、1.53，積分時間分別為45.9s、35s、96.3s、13.4s，微分時間分別為11.5s、8.8s、25.6s、3.5s，其他參數這里不再贅述，實際溫度控制做到了±50℃。

4.2 鐘罩窯爐膛壓力控制

鐘罩窯內的系統壓力控制是僅次于窯內溫度控制的重要因素，是滿足工藝要求和保證產品合格率的重要指標。因此，設置PID 控制回路，由爐膛微壓變送器、尾氣風機閥門組成，最終可實現±10Pa 的精準壓力控制。

4.3 燃氣壓力聯鎖保護

鐘罩窯控制系統中，對燃燒器一次風和二次風都設有壓力開關，檢測風壓是否超出安全值。在現行標準中，燃氣系統的風壓報警和聯鎖是強制執行的，避免發生因沒有風壓而造成停爐或燃氣泄漏問題。該系統中壓力安全聯鎖是通過現場壓力開關檢測風壓，當出現風壓異常時，壓力開關送出信號到PLC，PLC 產生報警或聯鎖燃氣閥門關閉。

5 結束語

1）新的控制系統已連續運行15 個月，運行穩定，啟停方便，控制精度超過預期。

2）改造后，窯內無異常溫度死角，可以實現生產的產品全部合格。

3）優化設計的控制系統，降低了操作人員的勞動強度，提高了生產過程的連續化、自動化水平，系統控溫準確。

4）針對本系統專門研發了一套聯鎖邏輯保護關系，確保在各種情形下能保證鐘罩窯系統的安全，大幅改善了現場作業條件。