plc在热媒加热炉控制中的应用

plc在热媒加热炉控制中的应用

应用ppp技术的加热炉是一个集数据采集、安全锁保护、程序控制、流程调整、上层通信、人机对话于一体的综合网络系统。这也是ppp应用中最具代表性的系统之一。一、基本参数设置热媒炉的安全保护控制参数通常有熄火、热媒流量、热媒出炉温度、助燃风压力、燃料(油或燃气)压力、排烟温度及多炉管的偏流等,其中前3项参数非常重要直接关系运行人员和设备的安全。1、紫外线火焰检测系统以油或燃气为燃料的大型炉火焰的保护关系到人机的安全,为此,采用具有在线自动诊断功能的紫外线火焰检测器,它能以12次/min的频率自动在线对火焰探测器进行自检,一旦有任何异常就会立即报警,并通过PLC的程序和外部的硬件分两路切断燃料供应,达到双保险的目的。2、护热媒流量计保证有足够的热媒流量是炉体安全运行的前提,在一般的小型炉上通常都采用设置差压开关,间接保护热媒流量。该方法简单经济,但易于产生错误信息,因而需在大型炉上再设置一套热媒流量计。考虑到热媒系统的常年连续运行,压降过大电耗就会增大,使运行成本增高,为此,选用阿牛巴流量计作为流量检测元件。该流量计具有成本低、运行可靠、维护量少的特点,而且它的压降几乎可以忽略。3、温度变送器plc程序为了防止15000kW热媒炉管(共9根并行炉管)中的热媒偏流,在每根炉管出口处各设置1个由PLC编程自动控制的温度变送器,在检测各炉管温度偏差的同时,间接地监测炉管偏流情况。该温度变送器的PLC程序是将测取的9个温度值从小到大依次排列,然后分别去掉两个最小温度值和两个最大温度值,将余下的5个温度值进行求和取平均值,该平均值即为热媒的出炉温度值,并将它与设定的报警温度值比较,其结果决定热媒出炉温度是否超标。另外,还可将该平均值与9根炉管的温度值分别进行比较,如果其偏差值超过规定范围,就会发出报警信号,提醒操作人员作适当处理。采用以上方法测温可在不停炉的情况下分别更换温度变送器,由于5个温度变送器同时出现故障的可能性几乎为零,所以该方法可靠性高,较传统的流量计检测偏流具有如下优点。(1)敏感方面(2)成本很低(3)维修方便4、气泵加压检测法除上述3种主要安全保护外,在以气体为燃料的大型热媒炉中对燃气关断阀的泄漏保护则是更重要的一项安全措施,在一般较小的热媒炉中常采用压力开关检漏法。该方法虽然成本较低,但由于受气源压力变化的影响,检测的可靠性较差,为此选用了另一种气泵加压的检测法。该方法是利用装于检漏器内的电动气泵对两台关断阀之间的管道空间进行加压,当其压力高于气源压力一定值时,气泵停止,用差压开关对其进行检测,在规定的时间里如果差压没有超出规定值,可认为两阀门检漏合格发出检漏合格信号,PLC只有获得此信号后才可使程序向下进行,否则报警停炉。这种检漏方法不受气源压力影响,检测结果准确可靠。二、称重压延系统的应用1、质量流量计的测量及校正燃油流量调节回路在小型炉中一般不专门设置,但在大型炉中不论是从燃烧效果,还是节能以及稳定燃烧和保证炉温控制精度各方面考虑,都是很必要的。为保证系统工作可靠,采用了进口的质量流量计为回路提供流量信号。作为调节对象的调节阀,其流量特性直接关系到回路的效果,而调节阀的实际工作线性度很差,主要是由于阀自身的特性因素及其调节对象的影响。为了获得良好的调节品质,利用PLC的查表功能对其进行校正,具体作法是先测出对象的流量特性,然后将其划分成十等分进行修正,使修正后的总特性为一近似线性。流量值等分法与通常采用的阀位等分法有着本质的区别,采用流量值等分法可使各段之间的放大系数更为接近,有利于提高系统的整体精度。经过现场实际运行结果表明,流量值等分法具有线性度好,反应快,跟踪准确等优点。2、孔板流量计的选用良好的供风是保证稳定燃烧的另一个必要条件,由于风回路中的阻力件较多,可能会影响到风的流量,另外,随着运行时间的增长,烟回路中的积碳也是影响风量的重要因素。因此在系统中增设了风流量自动调节回路,以补偿参数变化所造成的影响,保证供风稳定。同时在风回路中,除必须采用与油回路同样的线性校正环节外,还要考虑风流量计的选型问题,很多厂家的风流量计采用孔板作为流量检测元件,作者认为这不是一个好的选择,一是孔板流量计成本较高,安装和拆卸工作极不方便;二是由于孔板流量计的压损较大,即不可重复压降很大,这在较小热媒炉上可能不会有太大的影响,而在风机功率达到75kW的系统中,这样的压损所带来的能量损失是很大的;三是孔板流量计对截流件上下游的直管段的要求很高,从而增加了占地面积。综上所述,采用阿牛巴流量计,这种流量计具有拆卸方便,压损小,对直管段无特殊要求的特点,在其上下游直管段的长度分别为3倍管道内径和2倍管道内径时,即可获得较好的测量精度,当上游直管段为10倍管道内径时,测量精度可达1%。由此可见其完全能够满足加热炉的控制要求,尤其是它的压降很小,可忽略不计。仅此一项每年节约的电能也是很可观的,同时在风机选型时可低选一档,减少了一次投资,甚至在加热炉运行时可对其进行检修和拆卸,而不会影响加热炉的安全运行。3、风力发电系统的应用有了稳定的供风量和燃料流量控制回路,这仅仅是控制燃烧的第一步,要达到燃料的燃烧充分,还要有最佳的供风量和燃料配比,以及相应的比例调节,而且热媒炉在最大负荷到最小负荷之间变化时,由于热媒炉本身结构和燃烧器配风的原因,使得其最佳的风燃配比不是一个常量,是随负荷而变的。因此,对这一比例进行了聚点的现场实际调试,使各点的比值都达到最佳,并将其拟合成一条曲线存于PLC中。在热媒炉运行中,PLC根据负荷大小自动查找出最佳比例值作为风量和燃料流量的设定比值,传送给风量和燃料流量调节回路,同时采用了氧化锆氧量计对风量和燃料流量配比进行监视,若有不足,可对其进行及时的修正,这更进一步保证了燃烧质量。为了保证燃料的良好雾化和稳定的燃烧,本系统还设有燃料油温度和雾化气压力调节回路。燃油温度是通过调节进入燃油换热器的蒸汽量来实现的,其目的是使燃油的粘度达到一定的要求,以利于雾化。控制雾化气压力的目的也是为了保证雾化质量和防止脱火。三、从积分控制角度考虑最大条件下的pid积分作用热媒炉系统是一个时变的非线性系统,加纯滞后的高阶大惯性对象,采用简单的PID调节很难达到理想的控制效果。在人工控制时,不是根据数学模型控制,而是根据经验对系统的动态信息特征的定性认识进行直觉推理,确定控制策略,并控制输出使之与系统动态响应偏差及其变化率等有关特征量呈现一定的定量关系。图1为典型的二阶系统单位阶跃响应曲线。通常采用偏差与其变化率的积e·de/dt作为特征量,来反映系统误差的变化趋势。在AB段和CD,e·de/dt>0,说明误差正在增大,在BC和DE段,e·de/dt<0,说明误差正在减小。在PID控制中利用该特征量,可以使积分作用更加符合人的控制特征。在控制系统中引入积分作用是用于减少和消除系统误差的,但这种积分控制也存在着一些缺点,一是积分作用针对性不强,有时甚至会与系统的客观需要相驳;二是可能导致积分饱和,使系统的反应速度大为降低;三是积分参数不易整定,往往是因积分过强而使系统产生振荡。人工操作一般具有某种选择性,而在常规PID的积分作用中则包括了对控制不利的信息,缺乏选择性。在图1中,AB和CD段的e·de/dt>0,说明误差正在增大,可以使PID产生作用,以使误差的绝对值朝减小的方向变化,并迅速减小误差。而在BC或DE段,e·de/dt<0,说明误差的绝对值正在减小,可将PID控制中的积分作用去掉,停止积分作用,以利于系统借助惯性向稳态过渡。在时刻a、c、e处,虽然e=0,但de/dt≠0,说明在某一时刻系统误差虽然等于0,但很快将变为不平衡,此时若停止积分作用,则调节器控制作用削弱,不利于系统及时消除误差。当e=de/dt=0时,应使积分作用分离。另外,由于加热炉惯性大,具有较大的滞后,往往是输出指令处于饱和点,例如出炉温度低于设定值时,控制输出就会要求增加燃料量,但由于延迟作用的存在,温度不会很快提高,而控制器就会继续增加输出,致使输出达到100%。相反,当出炉温度增加时,也会出现类似情况,甚至使输出为0,经过一段时间后,一个新的动作周期又重新开始,这样就会使炉温在一个很大的范围内波动。解决的办法就是在线监视偏差的变化率de/dt,根据de/dt的符号,在一个范围内决定输出的动作与否和方向。使调节在温度状态发生变化时,就开始起作用,而不完全依据设定值与过程值的偏差。基于以上分析,对出炉温度采用以下控制策略。(1)当e·de/dt<0时,积分作用分离。(2)当e·de/dt>0时,积分作用启动。(3)在e=de/dt=0时,积分作用分离。(4)在e·de/dt中有一个为0而另一个不为0时,积分启动。四、系统正常工作工况在15000kW热媒炉应用PLC自动控制系统前,其调节指标较差,出炉温度的稳态误差在±4℃左右,当工况发生变化时,其误差更大。应PLC自动控制系统后,15000kW热媒炉投运至今,其出炉温度的稳态误差一般都小于±1℃,大部分情况下都保持在±0.5℃之内。当系统工况变化时,其跟踪特性较好,各调节阀的动作平稳,没有振荡现象。各中间参数,例如燃料流量、助燃风流量以及燃料油温度和雾化气的压力等都非常平稳。另外,由于采用了氧化锆进行风燃比的修正调节以热媒炉在最小负荷到最大负荷(20%～110%)之间工作