基于PLC 的加热炉控制系统的设计∗

吴龙奇 李 领

（1.江苏大学电气信息工程学院 镇江 212013）（2.镇江领强能源工程技术有限公司 镇江 212013）

1 引言

1.1 加热炉控制系统组成

加热炉过程检测与控制采用现场一次检测仪表和PLC 控制系统相结合的方式［1］，由仪控PLC 系统来实现。通过控制燃烧过程中各种参量、数据的采集，输入输出信号的变换、处理、显示、记录、累积、运算、回路控制、逻辑控制、联锁报警等功能［2］，完成加热炉热工过程参数的检测控制的检测和控制。

系统采用上位机和下位机组成，上位机系统采用西门子研发WinCC 系列组态软件［3］，实现数据实时显示、监控、历史纪录、报警记录以及参数设定等。下位机系统采用PLC 构成一个主站和两个从站，采用博图（TIA Portal）编程软件［4］，上位机和下位机系统之间采用工业以太网连接通讯，下位系统主站和从站之间则采用PROFINET总线连接［5］。

1.2 加热炉温度调节系统设计

炉膛温度调节系统主要包含温度测量元件、压力测量设备、流量测量设备、流量调节设备以及其他相关附属设备等。温度测量元件主要是铂铑热电偶，现场测量信号经过补偿导线后引入PLC；压力测量设备主要是测量炉膛压力，通过导压管引入EJA 系列智能变送器，测量信号引入PLC；流量测量主要是空气流量和煤气流量的测量，其中空气流量先经过一次测量元件标准孔板，煤气流量则是经过圆缺孔板，再由导压管引入变送器，最后测量信号引入PLC；流量调节使用高温气动调节阀。通过以上设备配合使用，实现了加热炉温度调控系统数据的采集和控制。

1.3 控制系统软件设计

加热炉燃烧控制系统PLC的组态、编程软件为TIA Portal。根据加热炉工艺流程要求以及电气仪表控制系统特点制定程序结构块。其中系统逻辑控制部分采用梯形图为编程语言，涉及到较为复杂的PID 控制［6］、限幅控制等功能则采用语句表为编程语言。人机交互界面（HMI）使用西门子WinCC系列软件开发，与西门子S7-1500 系列PLC 配合使用，使操作人员直观地观察现场设备状态，实现对设备实时监控、操作以及系统报警信息实时反馈。

1.4 系统网络通讯

加热炉燃控系统网络配置情况如图1 所示。仪控PLC主站主要包括：中央CPU模块，电源模块、工业以太网通讯模块等，并设有两个ET200 从站，以及燃控系统1台助燃风机和两台烟气引风机。

图1 步进式加热炉控制系统

上位机与燃控PLC、燃控PLC 与电控PLC 之间采用标准工业以太网通讯，中间经过工业以太网交换机；PLC 与ET200 从站、风机变频器之间使用PROFINET 总线通讯。在实际使用过程中，风机变频器与PLC通讯偶尔会出现掉线情况，故此在风机变频器与PLC增加一路光纤作为备用，在PLC主控室和风机控制室各安置1 台西门子公司的OSM 光纤交换机［7］，当变频器出现通讯故障时，可以切换到光纤正常通讯，保证网络的稳定性。

2 加热炉控制系统实现

2.1 控制系统信号检测

通过对控制系统的要求的了解，结合工厂实际情况，本系统选取西门子S7-1500PLC。该PLC 能够很好适用于本系统的应用场所，其所配套的扩展模块性能强大，使用灵活且维修方便。同时支持多种编程语言，可根据实际使用需求选择编程语言。模块安装的十分简便，只需将各个模块依照顺序依次安装在导轨上，加以螺栓固定。

步进式加热炉燃烧控制系统的硬件部分主要有：数据采样输入部分、PLC 逻辑控制器以及输出执行器。其中数据采样输入部分主要包括炉膛温度测量，能源消耗数据采集，系统安全信息收集等。控制系统数字量输入信号主要有煤气总管切断阀开关信号、各支管煤气切断阀开关信号等。控制系统数字量输出信号主要有煤气总管切断阀控制信号、各支管切断阀控制信号等。控制系统模拟量输入信号主要有炉膛温度信号、炉膛压力信号、燃气流量信号、空气流量信号等。控制系统模拟量输出信号主要有煤气流量调节阀控制信号、空气流量调节阀控制信号等。

在本研究中为达到期望的炉温稳定状态，满足实际生产中钢坯热处理的工艺要求，采用西门子S7-1500 系列可编程控制器作为控制核心，辅以WinCC 作为人机交互实现系统的过程监控。系统采用两个ET200从站，分别接收加热段和均热段的检测、控制信号。通过ET200从站先将现场检测信号送入PLC 中，与系统中已设定的温度值进行比较，但系统的检测值与设定值出现偏差时，控制系统将偏差值输入到控制器中，形成一个系统的闭环控制环节，控制信号相对应的电动执行机构做出相应动作，以此达到加热炉设定温度。其接收信息主要有加热炉炉温信息、煤气管道压力、空气管道压力、煤气流量、空气流量等。控制信号则包括：煤气流量调节信号和空气流量调节信号。加热炉温度、流量、压力等检测仪器控制界面如图2所示。

图2 步进式加热炉控制界面

2.2 加热炉温度、压力控制系统

针对加热炉各燃烧段温度控制，采用温度为主回路，空煤气流量调节为副回路的炉温控制策略。根据工艺要求，本系统共分为6 个炉温调节回路。分别对应于：加热段上，加热段下，均热1 段上，均热1段下，均热2段上，均热2段下。

对于加热炉各个燃烧段，本研究选取加热段4支热电偶其中的一支，作为该控制段温度控制值。当其中一支热电偶出现故障时，自动切换至另一支热电偶，并发出热电偶断线报警。同时加热炉炉温控制具备以下功能：加热段炉温超温报警功能；加热段炉温左右温差超限报警功能，两支热电偶测量温度误差超过限定值，发出报警信号；温度调节限幅功能，防止坯料过度加热。

加热炉温度、流量设定及控制方式，采用工业加热炉常用的双交叉限幅控制策略，并在此基础上加入补偿信号，提高系统响应速度，保证炉温变化过程中空燃比稳定。双交叉限幅燃烧控制［8］原理如图3所示。

图3 双交叉限幅控制原理图

通过以上工作原理介绍，该控制方式能够在调大烧嘴功率时空气先调大燃气跟随，在调小烧嘴功率时燃气先调小空气跟随。并且在调节过程中空气和燃气受空燃配比系数控制，避免了空气过剩或者燃气过剩。

2.3 加热炉控制安全联锁系统

加热炉燃烧介质采用高炉混合煤气；助燃气体采用空气鼓风机一台；炉内水梁、立柱采用净环水冷却；仪表系统采用压缩空气为动力源；煤气管道采用氮气进行吹扫及放散。

当煤气总管压力、空气总管压力、压缩空气压力、净环水总管压力过低时，系统发出自动停炉信号。煤气总管快切阀迅速完成切断动作，各煤气支管立即切断，同时进行氮气吹扫；炉压控制系统自动打开烟道闸板；热风放散完全打开。系统安全联锁信号参数如表1所示。

表1 联锁信号参数表

3 控制系统软件优化

加热炉控制系统投入一段时间后，发现系统存在一些问题，本研究对于系统作出以下优化。

3.1 加热炉掺冷风机入口风门优化

加热炉烟道尾气排放时温度一般较高，需要掺冷风机对其冷却。常规操作方法是使用风机对尾气直接降温，但在蓄热式加热炉中，通常利用尾气对助燃空气及燃气进行预热，需要保证尾气温度维持在一个合适值。在原本设计中，仅能在HMI画面中控制掺冷风机启动、停止，无法对烟道温度进行精确控制，尤其该温度调节方式具有一定的滞后性。当烟道温度达到掺冷风机启动设定值时，掺冷风机启动，此时烟道温度不会立即下降，一段时间后才有控制效果；当烟道温度达到掺冷风机关闭设定值时，掺冷风机关闭，烟道温度不会立即上升，此时会影响加热炉预热效果，从而引起能源不必要浪费。

本研究在原有基础上增加一套电动执行机构，在PLC中新增控制程序，驱动电动执行机构调节控制。该控制系统采用PI 调节方式，以烟道温度为控制对象，有效改善系统的稳定性。

3.2 加热炉炉底沟槽排水系统优化

加热炉炉底沟槽排水泵采用就地操作方式，其启动、停止具有手自动两种模式。自动模式下，根据液位电极开关信号自动完成高位启泵、低位停泵操作；手动模式由操作人员根据现场实际情况手动进行排水泵启、停操作。因部分设备及操作箱安装在炉底位置，而炉底液位电极检测装置不可靠，会出现排水不及时的情况，从而导致炉底液压、机械设备淹没的事故，影响设备安全运行。

在原有基础上将液位电极检测装置更改为投入式液位变送器，投入式液位变送器可在复杂工况条件下进行液位检测控制，检测信号为4mA～20mA信号，将其引入PLC控制排水泵工作。可根据现场实际情况更改排水泵启动、停止液位高度，实现全自动排水。并在设备异常时可实时监控，保证系统安全稳定运行。

4 控制系统的运行效果

本控制系统经过前期设计、现场安装调试，现已在湖南娄底涟源钢铁有限公司和武钢集团昆明钢铁股份有限公司投入正常生产使用。图4 中的曲线是实际生产过程中，加热炉预热段、加热段及均热段，三段炉温实际数据的一段记录，预热段炉温基本维持在850℃，加热段炉温在1150℃，均热段在1050℃，从炉温曲线可以看出，各段炉温分布均匀，加热炉控制达到系统预期要求，实现节能减排的目标。

图4 加热炉各段温度曲线

5 结语

加热炉控制系统以博图（TIA Portal V14）为编程软件，WinCC 系列软件为人机交互界面开发，采用PLC控制技术，对加热炉温度、压力调节、流量控制以及安全联锁等方面进行控制。测试系统阶段，出现烟道温度不稳定影响燃气预热效果，加热炉炉底排水不及时导致设备进水等故障。经过研究分析，找到问题原因并提出解决措施，完成系统优化设计。系统完成后，加热炉控制系统运行正常，自动化程度高，达到系统预先设计要求，同时也为后期维护、扩展功能提供了便利。