西门子S7-300 PLC在天然气热风炉中的应用

段谟喜，孙益敏

（江西铜业集团公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

西门子S7-300 PLC在天然气热风炉中的应用

段谟喜，孙益敏

（江西铜业集团公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

介绍了天然气炉燃烧前的管道氮气置换、检漏、炉体清扫及点火程序的逻辑关系，简单叙述了天然气燃烧的安全条件。在程序编写设计时，充分利用西门子软件库中自带的PID功能块，实现对热风炉温度、压力的PID控制；结合西门子SCL编程语言的优点，处理外部模拟量数据和复杂的函数公式计算，提升程序的执行效率。在设备控制层与执行层之间使用西门子的profibus-DP总线进行数据交换，解决了DCS监控与PLC执行之间的主从关系。

检漏 ；清扫 ；SCL高级语言；FB41；PID

1 引言

为了治理大气污染，国家出台了相关法律，全面治理燃煤锅炉，加快清洁能源的推广，并针对污染物的排放出台了更为严格的限制政策；同时加大了超标排放的处罚力度。为了响应国家的号召，加快能源的转换，减少污染物的排放，2012年江铜制定了清洁能源发展规划，决定在贵溪冶炼厂实施天然气能源计划，要求在2015年底完成天然气替代现有燃料技术改造。备料车间作为燃煤大户，2台燃煤热风炉将全部拆除，改为节能、高效的一体化天然气炉，并采用厂家提供的成套控制设备。

2 天然气炉及控制系统

2.1 天然气炉的组成

天然气炉具有清洁卫生、燃烧充分、热效率高、温度稳定、操作简单等特点，其组成结构分为：炉体、烧嘴、烟管、防爆阀、风机、燃气阀组仪表、燃气电气控制系统。其中最核心的部分是天然气烧嘴的结构和控制系统的程序编写［1］，烧嘴的结构必须符合最优的物质燃烧学，有利于降低单位能耗；控制系统根据燃烧物质的性质及工艺要求而定，但一般都会把安全、经济的方案作为控制的第一要素。热风炉燃烧的工艺流程图如图1。

图1 天然气炉工艺流程

2.2 控制系统的选择

由于天然气控制系统在国外发展比较成熟，可以购买成套的设备及控制系统（内置单片机控制），这种产品一般安全稳定、使用方便、维修简单。这方面的代表品牌有：西门子、Honeywell、丹拂斯等。当然也可以用PLC、DCS等设备自编控制程序。但无论是购买的成套设备还是自编程序，其关键是如何在燃烧喷嘴点火前控制天然气与氧气的混合比，只有这样才能做到既安全可靠，又能保证充分燃烧。我们选择的是厂家利用PLC自编控制程序。

3 上位机系统

3.1 PLC与DCS的通信

本控制系统采用西门子S7-300 PLC控制、操作，监控采用DCS。PLC与DCS之间的数据进行实时交换，针对于现场电磁环境，为了保证操作的安全性和稳定性，对燃气调节阀的开度、变频器的频率控制采用硬接线连到PLC输入模块，作为PLC的输入信号，其他不参与控制的监控数据采用profibus-DP通信方式［2］传输到DCS系统中进行监视。对于DCS与DP通信，需要对DP模块的GSD文件进行配置，参数设置需要注意两点：（1） DCS设为主站，PLC为从站，波特率一致；（2）PLC下载时把调试模式去掉。

3.2 触摸屏设置

触摸屏与PLC用以太网进行了通信，现场控制柜设置1块10寸的触摸屏，既可以进行监控，也可以设备调试、操作。一般参数设置好后，不允许修改，当工艺参数发生变化，需要修改时，要求登录到管理员级别，防止没有授权的人修改参数。

4 下位机程序设计

PLC控制软件采用STEP7 V5.5 SP2编程软件，编程语言丰富，特别是SCL高级语言［3］，用它能够实现非常复杂的算法，适合建立各种各样的数学模型来实现控制任务。

4.1 设备控制方式

设备启动方式采用以下三种方式：

（1）调试方式。 设备调试期间需要对单台设备进行调试，利用上位机对单台设备进行起、停的操作，设备间没有联锁关系，不存在联跳功能，便于对设备的调试及监控。

（2）现场方式。 在现场操作箱上把转换开关切到就地位置，从现场操作箱上发出启动、停止指令，实现对设备的操作，这样方便设备的维修和紧急停车。

（3）自动方式。 按照程序预先设定的工艺流程启停设备，是设备正常运行的一种方式，自动方式有设备的联锁关系及安全联锁条件，只有全部条件满足后方能启动设备。

4.2 程序设计

程序采用模块化设计，思路清晰、易读、易懂。按照燃烧设备功能划分为：点火、风机、阀门、火力、报警、模拟量等FC块；对于功能相同的设备，编写为功能块FB，便于重复调用，如：电机、阀门的启动、停止。为了提高控制系统的快速响应、稳定性，引入西门子PLC自带温度PID功能块。

4.2.1 热风炉连锁及程序结构

首先，在热风炉启动前对热风炉安全联锁要求进行自检：（1）燃气压力是否正常；（2）燃气阀组的阀门进行压力检漏；（3）用氮气对管道进行清扫。这三项自检合格后，开始启动风机，进行炉内清扫。这一步非常重要，主要是防止天然气泄漏产生的燃气累积，在点火时发生意外爆炸事故。清扫完毕后，点火枪点火。火焰检测正常后，打开主火阀，主火燃烧、主火火焰检测，完成了从点火到燃烧的过程。这些过程中需要注意：（1）热风炉的炉门，点火前应完全开启；（2）排烟风机处于开启并有一定的运转速度，保证炉内有一定的负压；（3） 连续多次点火失败后，应间隔一段时间再启动；（4）火焰检测同燃烧同时存在，一旦没有检测到火焰，将关闭系统；（5）对阀门的检漏，依靠现场仪表的正常运转。在整套系统中对于现场仪表的要求较高，必须保证绝对正常，否则可能带来严重后果。点火启动逻辑关系如图2。

图2 点火逻辑关系

4.2.2 应用SCL高级语言处理数据

SCL语言是西门子PCS7开发语言中的一种，由于其采用的是类似Pascal高级语言通俗易懂，可以简化程序的编写、提高运行效率、同时便于程序的阅读和保密，近年来越来越被广泛使用。在程序控制中需要对空气、天然气的流量、温度、阀门的调节等模拟量的采集和输出等数据进行处理，下面以模拟量数据处理部分为例，设定 AI_IN为模拟量读取值，data为最终的运算值：

这段语句解释为:

（1）如果输入值小于量程最小值，则data=start；

（2）如果输入值大于量程最大值，则data= substitute；

（3）如果输入值在量程最小值和最大值范围内， 则 data=（Upper-Lower）/（Substitute-Start）*AI_IN。

可以看出，这种编程比梯形图更加简单且富有逻辑性。

4.2.3 PID温度控制

西门子的控制功能块中，分别引入FB41、FB58功能块［4-5］。FB41能实现PID连续变化的模拟量［6］，FB58为专业温度PID控制功能块，实现对温度的精准控制。PID的初始化可以在OB100中调用1次，将参数C0-RST置位；而PID的调用在OB35中完成，调用时间200ms。建立数据块DB58用于设置PID的常用参数如：控制器采用时间、死区宽度、比例系数、积分微分时间等。其主要参数P、I、D值依靠经验进行反复试验调整到最佳状态，确保温度的时间设定值与实际测量值相差不大。

5 结束语

本系统以西门子S7-300 PLC为控制核心，现场上位机采用触摸屏控制，利用profibus-DP总线通讯实现了DCS的远程操作、监控等功能。这套天然气燃烧控制系统自投入运行以来具有运行稳定，操作使用方便等特点，提高了生产效率。

［1］吴彬,阵军, 段清波. 天然气电石炉气双燃料燃炉PLC控制系统的实现[J]. 中国氯碱, 2012(2):22-25.

［2］张秀龙. 龙刚领. 基于Profibus-DP网络实现操作员站直接控制从站问题的研究[J]. 自动化技术及应用, 2014, 33(3):49-51.

［3］刘国栋. S7-SCL语言在轧钢设备中的应用[J]. 山西冶金, 2014(6):47-49.［4］张林. FB41在南疆钢铁基地煤气混合调压站的应用[J]. HMI及PLC控制系统, 2013(3):71-72.

［5］徐兰君， 邵卫宏. 西门子PLC在工业热处理电炉中的运用[J]. 工业炉, 2007(4):41-43.

［6］董春雨, 林清周. 西门子PLC内嵌PID块的高炉炉压调节应用[J].科技创新与应用, 2012(3):3.

Application of Siemens S7-300 PLC inthe Gas Hot Stove

DUAN Mo-xi, SUN Yi-min
（Guixi Smelter, Jiangxi Copper Corporation, Guixi 335424, Jiangxi, China）

In this paper, the logical relationshipsamong the pipeline N2-replacement, leak test, cleaning and ignition program before natural gas furnacecombustion are introduced, the natural gas safety conditions are described briefly. When the program is designed, combined with Siemens software library PID function block, to achieve the temperature of the hot stove and pressure PID control. Using Siemens SCL programming language,the external analog data processing and complex function formula can be treated,the program execution efficiency is improved. Applying Siemens profibus-DP bus for data exchange between control layer and device layer, the master-slave relationship between the DCS and PLC control is solved.

leak test；cleaning；SCL higher language；FB41；PID

TF806

B

1009-3842（2016）06-0076-03

2016-09-04

段谟喜（1983-），男，江西九江人，工程师，主要从事设备管理工作。E-mail：goldlongy@163.com