基于DCS的有机热载体炉电控改造

张永行

（宝武装备智能科技有限公司南京分公司，江苏南京 210039）

1 原PLC控制系统的缺点及存在的主要问题

1.1 安全性差

原点火控制阀门为电磁阀，因为工业煤气中含有一定的杂质，导致电磁阀被堵，阀门动作不灵活甚至不动作，存在煤气泄漏至炉膛的可能，有一定的安全隐患。同时，由于电磁阀内有垃圾物，导致点火阶段煤气流量不畅，点火成功率低。

1.2 现场环境差

系统控制柜位于机旁，区域高温高湿，PLC 模块在高温环境下运行，大幅降低了模块的稳定性及使用寿命。同时由于内部设计布局不够合理，强弱电系统布线无区分，内部成套系统及原理图不全且有诸多错误，导致故障不易排查，故障频发。

1.3 现场火焰检测器的结构形式欠佳

直接悬挂在燃烧器上，其防爆等级及防护等级均不符合安全规范要求。

1.4 点火变压器的安装形式欠妥

同样直接悬挂在燃烧器上且设备没有很好的封装，因此电气连接电缆也只能裸露在外面，其防爆及防护等级均不符合安全规范要求，存在严重安全隐患。

1.5 空气流量调节阀没有开度大小反馈信号

阀门开度要现场人工确认，没有和点火信号连锁，导致系统运行存在一定的安全隐患。

1.6 软件设计有欠缺

原PLC 系统显示终端采用的是E-view 触摸屏，各监控点没有做相应的历史趋势记录、操作记录等，遇到问题时无法查询、溯源。如果重新设计、编程组态，费时费力，且该触摸屏使用不到一年就出现触摸不灵敏的现象，性能不稳定，影响操作。

1.7 自动化程度不能满足现场需求

目前所有的监测、控制调节、点火、停炉等操作步骤全部现场手动完成，自动化程度低，增加了操作人员的劳动强度和安全风险。

2 改进措施及方案

对现场控制柜重新设计，并安装现场控制盘，取消原来的S7-300PLC 柜，消除原DCS 系统只能监控不能控制的缺陷；在现场增加防爆及防护等级满足要求的接线箱，将火焰检测器及点火变压器封装起来，以达到防爆及防护要求；更换空气及高煤流量变送器并增加焦煤流量变送器，以便对焦煤流量、高煤流量和空气流量的大小进行监控；更换空气调节阀的阀门定位器，增加开度反馈功能，并接入DCS 控制系统中，参与控制；重新编写控制程序，组态到DCS 中，既可以在现场手动操作，也可以在中控室实现DCS 远程控制。

3 系统软硬件

3.1 系统硬件

3.1.1 现场硬件改造

新增防护等级为IP65的电气操作柜取代原现场PLC 系统控制柜。该新增操作柜的主要功能为：对有机热载体炉进行点火操作，控制柜上有相应的操作按钮及状态指示灯。包括手/自动选择、启动、停止、吹扫、检漏、点火、是否检测到火焰、急停等。

3.1.2 控制室硬件改造

停用原PLC 控制系统，重新设计DCS 控制系统，在3#焦油装置的DCS 系统中增加二块8卡槽底板和10块FBM 卡，其控制核心移至中央控制室，将有机热载体炉过程控制点的信号全部接入现有的DCS 系统，使其控制系统的核心远离恶劣的现场环境，提高了系统安全性、可靠性、稳定性，同时还提高了系统的自动化程度，减轻了操作人员的劳动负荷。除点火时要求操作人员到现场外，对于过程的监控、参数调节等均在中央控制室实现。

3.1.3 新增焦炉煤气总管压力检测

由于原系统中无焦煤压力检测点，而焦煤压力的变化是影响有机热载体炉控制系统稳定的重要因素之一。增加了焦煤压力检测之后，遇到故障时也更便于查找原因、分析溯源等。

3.2 系统软件

DCS应用软件组态主要包括控制组态、显示组态、报警组态、历史组态等，最终为系统提供一个完整的操作界面。

本项目选用FOXBORO 公司提供的I/A’s70 系列DCS 系统，开发工具为该系统提供的ICC 组态器、FOXDRAW、历史数据库、报表工具等。

4 控制策略

4.1 安全点火控制

点火操作分为现场“手动/自动”和远程“手动/自动”两种方式。“手动”点火：“手动”状态下，结合现场操作盘按钮及信号灯，由现场操作人员按照点火步骤依次完成。“自动”点火：“自动”状态下，按“启动”按钮，则由程序自动完成点火操作。在“手动”或“自动”状态下，按“停止”按钮，均可中断点火。在点火程序执行的过程中，电脑画面跟踪显示相关设备的状态和仪表参数。

4.2 有机热载体炉出口温度控制

4.2.1 总体控制思想

温度控制调节在点火完成后即可投入运行，如对炉温升温速度有限制，可手动调节火力大小，在导热油出口温度与设定值偏差较大时投入手动调节，偏差较小时方投入自动调节。

系统正常运行时，当单独烧焦煤时，炉子出口温度通过焦煤流量进行串级调节；当焦煤与高煤混合燃烧时，通过手动调节高煤调节阀以及空气调节阀的开度大小来控制炉膛温度；正常燃烧时，焦煤、空气调节阀在程序内设置一个最小开度，不会因为人为因素导致完全关闭。

4.2.2 温度串级控制

本系统的最终目标是实现炉子的出口温度相对稳定，波动在一定范围之内，因为常规的“双交叉限幅比值控制”方法仍然会出现温度波动过大情况，所以在常规控制方法基础上加入“温度串级”控制，如图1所示。

图1 温度串级-双闭环交叉限幅比值控制框图

燃烧过程中采用双闭环交叉限幅比值控制方法来控制空煤比比例关系，计算得到最佳空煤比比值并转化为安全阀的限值，将安全阀限值分别回馈给煤气PID 控制器和空气PID 控制器，并与设定值进行比较，把比较后的结果作为新的设定值，由执行机构输出控制，从而实现负荷增加时先增风量再增煤气量，负荷减少时先减煤气量再减风量，避免缺氧燃烧。

如图1 所示，设空气进风量为Fk。假设空煤比Kfq（进风量/进煤气量）为Kfqj 时达到最佳燃烧效果，由于燃烧时空气和煤气为比例控制，很容易得出最优进煤气量Fqj 为：

为了保护环境和设备，应尽量避免缺氧燃烧，根据燃烧空煤比例控制关系，煤气进气量设定值不应该高于最优值Fqj。如果煤气初始设定值为Fq-sd0，那么最终的设定值Fq-sd1应为“低选比较器”的输出结果：

同上结论，当设煤气进气量为Fq 时，如果要使燃烧效率最高，则最优的供风量计算公式如下：

同时，为了保证系统安全及系统不会缺氧燃烧，控制系统的供风PID 回路设定值不应该小于最优供风量Fqj。如果本地的供风初始设定值为Fq-sd0，那么经过“高选比较器”得到最终的供风设定Fq-sd1的值为：

当手动设定出口温度后，系统程序风量和煤气可以根据系统程序给定条件自动匹配、自动调节，经过温度串级双闭环交叉限幅控制的一系列动态调整过程，使煤气输入量在设定值区域范围内，供风量和煤气量实现最优的燃烧比例。当以上调节过程稳定后，出口温度控制可以切换到自动控制状态，从而实现出口温度的自动控制。

主流程图画面可以根据系统运行情况选择温度串级或交叉限幅两种控制方式来调节导热油出口温度。同时画面还具备显示各种仪器仪表设备状态和问题报警功能。在I/A’S 系统中，对各模拟量控制点采取历史趋势记录方式，可查询、追踪；状态量控制点也同时采取历史记录方式，即每个状态量发生改变时，在历史库中均有相应记录，方便随时查询。

5 系统组态

5.1 硬件组态

在3#焦油装置的DCS 系统中增加二块8卡槽底板和10块FBM 卡，设备安装在FC2009机柜，信号进CP2005机柜。卡件类型和提供点数如表1所示。

表1 有机热载体炉改造卡板选型表

5.2 动态参数、设备显示和操作

采用电脑中控室集中监控，设备各种动态数据、设备状态能够直接在工艺流程图监控画面上显示。操作人员可以通过程序自动、中央手动、控制盘按钮手动或就地手动几种方法控制设备。

5.2.1 模拟量和PID调节器

参数指示框包括参数位号、参数值、参数单位等信息。手/自动指示块为调节器专用，显示调节器的手动、自动状态。报警指示块指示报警状态，无报警时消失，按下可以确认报警。文字含义：HH（高高）、H（高）、L（低）、LL（低低）、UN（未确认）颜色的含义：红色（HH/LL 报警）、黄色（H/L 报警）、白色（报警消失但未确认）；色彩闪烁时表示报警未确认，不闪烁表示已确认。按下参数指示框可以调出相关显示/操作窗口。

5.2.2 动态机、马达、切断阀等设备

颜色的含义：绿色表示设备未启动；红色表示设备正在运行；桔红色表示故障报警，颜色闪烁表示报警未确认；正常颜色但闪烁表示报警消失未确认。

以上颜色如能覆盖设备所有信息，且设备不在DCS 上操作，则点击设备可以确认设备报警；否则点击设备弹出详细状态指示和操作窗口（OVERLAY）。

5.2.3 联锁和顺控

在流程图上相关位置设置有按钮，按下可调出相应的联锁或顺序控制窗口（OVERLAY），可在OVERLAY 上观察联锁状态并操作。完成后的主流程画面如图2所示。

图2 主流程画面图

画面从左到右依次是点火条件判断、点火步骤、现场设备状态以及指示灯，点火步骤状态是通过程序逻辑运算得到的，结合右侧现场输入的设备状态及指示灯双重监测，从而保证了点火过程安全、顺利地进行。利用不同颜色表示点火步骤运行状态，灰色表示已完成，红色表示正在执行，绿色则表示尚未执行。

5.3 报警组态

5.3.1 报警级别

1级联锁报警；2级参数报警、设备报警；5级通道报警。

5.3.2 报警设备

报警信息会发送给送相关单元操作站的报警键盘和报警列表，并发送至历史库记录。报警可在过程报警画面、流程画面、组显示画面、调节/操作面板上显示和确认。报警发生时：操作员站蜂鸣器报警。操作员站报警键盘上相应画面左边的指示灯闪烁，报警确认后指示灯停止闪烁，报警消失指示灯灭。菜单上Process 按钮红色闪烁，点击可调出过程报警画面，画面以列表形式列出实时或历史报警。所有报警可以实时在指定打印机上打出。在本次“有机热载体炉控制系统在I/A’S 中实现”的改造中，全面、合理选取必要的联锁条件，同时将每个停炉保护条件加入历史库，结合操作员行为记录，以便于对停炉原因进行追溯与分析。在I/A’S 系统中，组态其联锁监控画面。

6 结束语

经过改造后的3#焦油有机热载体炉系统在我公司的同类导热油系统中具有一定的代表性，其安全性和自动化程度进一步得到了提高。并且，自改造之后运行至今，该有机热载体炉系统从未因为相关设备问题而引起联锁停炉，从而提高了生产效率，优化了管理，给整个装置的稳定运行提供了保障。