基于PLC的電加熱控制系統在脫硝流化床中的設計與驗證

李海麗 王志勇

摘 要 為了更好地控制脫硝流化床床溫，在傳統控制的基礎上，進行了優化改進。用PLC替代溫控儀，通過對外部三段電加熱爐和內部電加熱棒的功率調節控制床溫，采用開閉環相結合方式，設計了一套基于PLC的電加熱控制系統。通過在脫硝流化床試驗臺架上的試驗，驗證了該設計方案的可行性，為后續工程中的設計與應用提供了參考依據。

關鍵詞 脫硝流化床 電加熱控制 PLC 可控硅電壓調節 閉環負反饋 經驗整定法

中圖分類號 TP273? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0379?04

作者簡介：李海麗（1985-），高級工程師，從事核化工儀表控制設計工作，lihaili825@163.com。

引用本文：李海麗，王志勇.基于PLC的電加熱控制系統在脫硝流化床中的設計與驗證［J］.化工自動化及儀表，2023， 50（3）：379-382.

在化工流程中，鈾的轉化有濕法和干法兩種［1］，由于濕法工藝流程存在需耗試劑量大、設備和管線多而復雜并產生大量廢水等無法回避的缺點，國內外對干法脫硝工藝進行了大量的研究并取得了很大的進展［2］。其中，流化床脫硝還原法是目前國內采用的主流工藝，此反應過程需要吸收一定的熱量。過高或過低的溫度都會影響還原效果，為了保證脫硝過程的順利進行，其中一個重要條件就是流化床床溫需保持在300 ℃左右。床內熱量的供給源于流化床電加熱系統，因此脫硝流化床電加熱系統的溫度控制顯得尤為重要。

傳統的電加熱控制系統一般由空開、接觸器、熔斷器、可控硅電壓調節器及溫控儀等電氣控制元器件組成?；跍乜貎x的電加熱溫度控制較適用于被控溫度、調節對象簡單的系統。而某化工項目中的脫硝流化床，由于設備空間設計的局限性，為保證加熱效果，電加熱系統由內部電加熱棒和外部加熱爐兩部分組成。因此，該脫硝流化床電加熱系統較為復雜，調節對象并不單一。為了更好地控制床溫，在傳統電加熱控制系統的基礎上，對脫硝流化床電加熱控制系統進行優化改進，用可編程邏輯控制器（PLC）代替溫控儀，提出了一種基于PLC的脫硝流化床電加熱控制系統優化設計方法。經過試驗驗證，該設計方案合理可行，達到了預期控制效果。

1 流化床電加熱系統

經過工藝熱量計算和設備結構設計，某化工項目脫硝流化床的電加熱組件設計為兩部分：一部分布置在床內流化-加熱小室內，由多根電加熱棒組成；一部分布置在流化床反應段的外壁上，由3段獨立的電加熱爐組成，如圖1所示。脫硝流化床正常運行時，內外部加熱設備一起工作，通過調節可控硅電壓調節器，控制床內溫度在300 ℃左右。為了更好地調節、控制床內溫度，流化床電加熱系統設置4個溫度檢測點，分別是床內溫度檢測和外部3段電加熱爐內溫度的檢測。

2 控制系統原理及組成

某化工項目中脫硝流化床電加熱控制系統由內部電加熱棒、外部電加熱爐、就地控制柜、溫度檢測儀表及相關電纜組成。與傳統的電加熱器控制系統相比，主要的不同之處在于控制柜內的軟硬件設計不同。

現場檢測溫度送入溫控儀，由溫控計算輸出調節量到可控硅電壓調節器，通過調節可控硅電壓調節器的輸出值改變電加熱器的輸出功率，從而調節溫度值。而基于PLC的優化控制方案中，用PLC代替溫控儀，使控制算法組態更加靈活，方便實現同時對多個溫度測點較為復雜的先進控制，實現溫度調節的優化。

3 基于PLC的優化控制方案

針對某化工項目中脫硝流化床電加熱系統調節對象的多樣性問題，為了更好地控制溫度參數，在以可控硅電壓調節器為控制基礎的前提下，提出了一種基于PLC的優化控制方案，包含基本的電氣控制和PLC控制兩部分。

3.1 電氣控制部分

電氣控制部分主要由空開、接觸器、熔斷器、可控硅電壓調節器及電流互感器等電氣元器件組成。

電氣控制部分設置4臺可控硅電壓調節器，可以分別對床內電加熱棒、上部外加熱爐、中部外加熱爐和下部外加熱爐的輸出功率進行調節。

根據以往的運行經驗，床內電加熱棒在運行過程中，由于料液粘附等各種原因，易出現短路或熔斷的情況。為了能第一時間發現問題，方便檢修維護，在原有傳統設計的基礎上進行了優化設計。在每根電加熱棒和3段外電加熱爐的電氣控制回路中分別設置電流互感器，實時監測每根電加熱棒和外電加熱爐的回路電流，通過就地控制柜中PLC邏輯判斷，可針對每根內部電加熱棒和每段外電加熱爐發出故障報警信號，提醒運行維護人員。并在就地控制柜內分別設置開關，當發現故障信號后，可以及時關閉相應回路，最大程度地降低對整個加熱系統的影響。

3.2 PLC控制部分

PLC控制系統是將PLC控制技術、微電子技術和通信技術相結合的控制系統［3］，主要由CPU、電源模塊、輸入輸出模塊及通信模塊等組成，實現溫度信號的接入、控制算法的編程等功能。PID控制器功能由PLC實現，可以分別以床內溫度、3段外電加熱帶內的溫度為調節對象，根據工藝運行需求，實現閉環或開環控制。通過下位機編程和上位機軟件畫面組態，可以實現操作員切換4段電加熱的控制方式以達到最終控制床溫的目的。實際運行過程中，由于3段外部電加爐需要通過床壁傳熱后才能影響到床溫，反應慢于內部電加熱棒，因此，對于3段外部電加熱爐采取開環控制方式，手動給定一個加熱功率開度，保持穩定的加熱功率；而內部電加熱棒直接影響床溫，反應速度快，內部電加熱棒采用閉環控制方式，實現床溫的自動調節。3段外電加熱爐的溫度通過邏輯判斷，在PLC中設置超溫報警值，一旦超過設定報警值，就自動關閉相應段外部電加熱爐，起到超溫保護作用。

下面著重介紹基于PLC的PID負反饋閉環溫度調節系統的原理與實現。

3.2.1 控制原理

內部床溫的自動控制系統采用閉環負反饋自動控制原理，該控制系統是將測溫儀表、自動控制裝置和執行機構組成一個閉環系統來實現的［4］，具體由內部電加熱棒、可控硅電壓調節器、溫度變送器、PLC控制系統（PID控制器及其他設備）及相關工藝管路組成，控制系統方框圖如圖2所示。

3.2.2 PLC程序設計

在溫度控制中，最重要的程序設計是模擬量信號的處理與PID控制器的設計。

對于模擬量輸入信號，只需每隔一定時間間隔采集一次變送器輸出的溫度信號刷新到PLC。所選溫度變送器測量范圍為0～600 ℃，PLC模擬量輸入模塊采集到變送器輸出的4～20 mA（DC）信號，通過A/D轉換輸入到PLC程序中，CPU對模擬量進行規范化處理。

PID控制器是根據溫度設定值與測量值的差值，按照PID算法計算出控制器的輸出量，調節可控硅電壓調節器的輸出來改變電加熱棒的加熱功率，改變床內溫度，從而達到溫度控制的目的。由PID控制器、被控對象及執行機構等組成PID負反饋溫度調節系統。當廣義對象控制通道時間常數較大或容積遲延較大時，應引入微分動作［5］。如工藝要求無殘差時，應選用比例微分積分動作。由于溫度系統屬于大遲延環節，因此控制器選用比例微分積分同時調節的類型。PLC編程軟件提供了PID集成模塊，通過持續的輸入和輸出變量來控制工藝過程。模塊中需要設置參數，即控制器增益KC、積分時間常數TI和微分時間常數TD。由于可控硅電壓調節器輸出越大，電加熱功率越大，被調溫度值越高，殘差越小，控制器輸出量越小，因此控制器增益為正值，控制器為反作用方式。主程序中設置了殘差大于一定值時，強制PID切手動、調用PID程序塊及設置手自動無擾切換等功能。

電流互感器可以實時監測床內每根電加熱棒的電流值，PLC模擬量輸入模塊對這些電流值采集轉換輸入到PLC程序中，顯示在界面上，通過邏輯判斷，當電流值大于報警限值時，即發出報警信號，顯示在界面上，提醒運行人員處理。

PLC實時采集外部3段電加熱爐的溫度信號，顯示在界面上，在PLC程序中分別設定這3個溫度的上限為480 ℃，當溫度達到上限時，即發出報警信號并聯鎖關閉相應加熱回路以保護外加熱爐，防止超溫燒壞。

3.2.3 參數調試

在被調對象和各工藝系統安裝完成后，系統能否運行在最佳狀態下主要取決于調節器各參數的設置是否得當。因此，PID參數的整定問題是影響系統控制質量的重要因素。系統的整定方法很多，可以歸納為兩大類：一類是理論整定法，如根軌跡法、頻率特性法，這類整定方法基于被控對象數學模型，通過計算方法直接求得調節器整定參數；另一類是工程整定法，一般基于對象的階躍響應曲線或者直接在閉環系統中進行，方法簡單，易于掌握。由于在實際過程控制中，被控對象的數學模型是近似的，理論計算求得的整定參數并不很可靠，而且理論整定法計算過程比較復雜、繁瑣，使用不方便。而工程整定法是一種近似經驗的方法，在實際工程應用中更加實用。因此，該溫度控制系統的PID參數整定選用工程整定法。在眾多的工程整定方法中選用經驗整定法，該方法實質上是一種經驗試湊法。根據運行經驗，先確定一組調節器參數，在系統投運后，人為加入階躍擾動，觀察被調量的階躍響應曲線，并依照調節器各參數對調節過程的影響，修改整定參數值，直到獲得滿意的階躍響應曲線為止。溫度對象調節器參數的經驗數據如下［5］：

比例帶δ 0.2～0.6

積分時間常數TI 3～10 min

微分時間常數TD 0.5～3.0 min

其中，控制器增益KC=1/δ。

4 試驗驗證

通過在脫硝流化床試驗臺架上的驗證，基于PLC的電加熱控制系統可以很好地完成床溫控制功能。

升溫試驗中包含4段溫度控制：

a. 啟動電加熱器，調節控制系統，床體內溫度由室溫升到200 ℃，溫度誤差±5 ℃；

b. 調節溫度控制系統，床體內溫度由200 ℃升到250 ℃，溫度誤差±5 ℃；

c. 調節溫度控制系統，床體內溫度由250 ℃升到300 ℃，溫度誤差±5 ℃；

d. 調節溫度控制系統，床體內溫度由300 ℃升到350 ℃，溫度誤差±5 ℃。

每個升溫階段，電加熱控制系統均可快速響應，使溫度控制在目標溫度的誤差范圍內。

5 結束語

經過優化設計后的脫硝流化床電加熱控制系統，采用PLC控制省去了多個積算儀的設置，算法組態和邏輯編程靈活多樣，可以更加穩定地控制流化床內的溫度，對抗擊床內吸熱反應的干擾更備具魯棒性。另外，該電加熱控制系統還設置了對每一根電加熱棒的超溫報警和開關功能，設置了每一段外電加熱爐的超溫報警和聯鎖斷開功能，可以有效保護電加熱設備，延長其加熱壽命，減少更換維修的頻率，節省生產運行成本。通過試驗，基于PLC的電加熱控制系統設計方案在功能上得到了驗證，為后續工程應用提供了參考數據。

參 考 文 獻

［1］ 姜圣階，任鳳儀.核燃料后處理工學［M］.北京：原子能出版社，1995.

［2］ 熊佳麗，紀雷鳴，劉澤康，等.硝酸鈾酰干法脫硝制備氧化鈾工藝研究［J］.當代化工，2019，48（5）：1036-1038；1064.

［3］ 汪依銳.基于PLC的鍋爐供暖監控系統設計［D］.西安：西安石油大學，2021.

［4］ 朱永忠.基于PLC的高效智能換熱器控制系統設計［D］.揚州：揚州大學，2021.

［5］ 金以慧.過程控制［M］.北京：清華大學出版社，1993.

（收稿日期：2022-03-22）