基于plc的加熱爐控制系統(tǒng)設計

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1、基于西門子PLC的加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的設計摘要：傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產(chǎn)生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便。這種溫度控制系統(tǒng)對改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。本文題材來源于2010年第四屆西門子杯控制技能仿真挑戰(zhàn)賽賽題，對過程控制的工藝過程和控制算法和過程進行了較為詳細的闡述。關鍵詞：加熱爐；PLC；溫度控制

2、系統(tǒng)；中圖分類號：TP472文獻標識碼：A1.系統(tǒng)總體概述1.1被控對象工藝流程概述4如圖1所示。被控對象為過程工業(yè)領域常見的加熱爐單元，通過加熱爐對流傳熱與輻射傳熱將一定流量的物料A加熱至工藝要求的溫度。圖1加熱爐整體圖待加熱物料A流量為F1101，溫度為常溫20℃4，經(jīng)由上料泵P1101泵出。流量管線上設有調(diào)節(jié)閥V1101，調(diào)節(jié)閥有前、后閥XV1101和XV1102，以及旁路閥HV1101。待加熱物料A被分為兩路，一路進入換熱器E1101預熱，預熱后與另外一路混合進入加熱爐。兩路物料A管道上分別設有調(diào)節(jié)閥V1102和V1103。正常工況時，大部分待加熱物料A直接流向加熱爐對流段

3、，少部分待加熱物料A流向換熱器，其流量為F1102。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入加熱爐F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力為P1101，燃料流量管線設調(diào)節(jié)閥V1104。空氣經(jīng)由變頻風機K1101送入燃燒器，空氣量為F1104。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使輻射段爐管內(nèi)的物料A迅速升溫。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，在對流段進行余熱回收。對流段煙氣出口處的煙氣溫度為T1105。煙氣含氧量AI1101設有在線分析檢測儀表。煙道內(nèi)設有擋板DO1101。出對流段、入輻射段的物料A溫度為T1102。從輻射段爐管出來的溫度為T1103的高溫物料A進入換熱器E1101，進行溫

4、度的微調(diào)。最終產(chǎn)品（熱物料A）的溫度為T1104，流量為F1105，出口管道上設流量調(diào)節(jié)閥V1105。爐膛壓力為P1102，爐膛中心火焰溫度為TI1101。制系統(tǒng)。1.2擾動分析加熱爐是傳熱設備的一種，同樣具有熱量傳遞過程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它同樣符合導熱與對流傳熱的基本規(guī)律。但加熱爐屬于活力加熱設備，首先由燃料的燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過輻射傳遞給管壁，然后又管壁傳給工藝介質(zhì)，工藝介質(zhì)在輻射室獲得的熱量約占熱負荷的70％～80％，而在對流段獲得的熱量約占熱負荷的20％～30％。因此加熱爐的傳熱過程比較復雜。加熱爐的最主要控制指標往往是工藝介質(zhì)的出口溫

5、度，此溫度為控制系統(tǒng)的被控變量，而操縱變量為燃料油的流量。2.加熱爐控制算法方案2.1閥門流量控制對物料進口閥門V1101、物料出口閥門V1105、物料進入換熱器管程閥門V1103和另一路冷物料閥門V1102進行流量控制，以確保物料的流量穩(wěn)定從而保證出口物料溫度的恒定。我們采用單回路對每一個控制閥門進行流量控制，控制器可以采用傳統(tǒng)的PID控制算法。2.2加熱爐的燃燒控制假設某燃料M的碳含量為T1，氫的含量為T2，由燃燒化學可知，需要氧氣量為T1＋T2/4，轉(zhuǎn)換為空氣量為5×（T1＋T2/4）。那么理論上最佳的空燃比是5×（T1＋T2/4）：M，在這個比值下可以達到空氣中的氧氣和燃料

6、的充分燃燒，煙氣中無一氧化碳和氧氣。但是，實際上完全燃燒所需的空氣量要超過理論上計算的量，要有一定的過?？諝?，由于煙氣的熱損失占加熱爐熱損失的絕大部分，當過?？諝饬吭龆鄷r，一方面使爐膛內(nèi)溫度降低；另一方面使煙氣熱量損失增加。因此，過?？諝饬繉Σ煌剂隙加幸粋€最優(yōu)值，以滿足最經(jīng)濟燃燒要求，對于液體燃料最有過?？諝饬考s為8％～15％。過?？諝饬客ǔＳ眠^?？諝庀禂?shù)來表示，即實際空氣量Qp和理論空氣量Qt之比a＝Qp/Qt。也可以近似的表示為a＝21/(21－O2)，對于液體燃料，最佳值約為2％～4％。3.加熱爐PLC控制加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構成如圖2所示，它由PLC主控系統(tǒng)、移相觸發(fā)模

7、塊整、閥門、加熱爐、傳感器等5個部分組成。該加物料溫度希望穩(wěn)定在80℃工作，加熱爐溫度控制實現(xiàn)過程是：首先傳感器將物料的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號，PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進來的電壓信號轉(zhuǎn)化為PLC可識別的數(shù)字量，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行處理，給移相觸發(fā)模塊，再給閥門一個控制信號，這樣通過控制閥門的開關大小來控制燃料流量，也既加熱爐溫度控制得到實現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起重要作用[2]。4圖2加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本組