基于PLC的电加热控制系统在脱硝流化床中的设计与验证

李海丽 王志勇

摘 要 为了更好地控制脱硝流化床床温，在传统控制的基础上，进行了优化改进。用PLC替代温控仪，通过对外部三段电加热炉和内部电加热棒的功率调节控制床温，采用开闭环相结合方式，设计了一套基于PLC的电加热控制系统。通过在脱硝流化床试验台架上的试验，验证了该设计方案的可行性，为后续工程中的设计与应用提供了参考依据。

关键词 脱硝流化床 电加热控制 PLC 可控硅电压调节 闭环负反馈 经验整定法

中图分类号 TP273   文献标识码 B   文章编号 1000?3932（2023）03?0379?04

作者简介：李海丽（1985-），高级工程师，从事核化工仪表控制设计工作，lihaili825@163.com。

引用本文：李海麗，王志勇.基于PLC的电加热控制系统在脱硝流化床中的设计与验证［J］.化工自动化及仪表，2023， 50（3）：379-382.

在化工流程中，铀的转化有湿法和干法两种［1］，由于湿法工艺流程存在需耗试剂量大、设备和管线多而复杂并产生大量废水等无法回避的缺点，国内外对干法脱硝工艺进行了大量的研究并取得了很大的进展［2］。其中，流化床脱硝还原法是目前国内采用的主流工艺，此反应过程需要吸收一定的热量。过高或过低的温度都会影响还原效果，为了保证脱硝过程的顺利进行，其中一个重要条件就是流化床床温需保持在300 ℃左右。床内热量的供给源于流化床电加热系统，因此脱硝流化床电加热系统的温度控制显得尤为重要。

传统的电加热控制系统一般由空开、接触器、熔断器、可控硅电压调节器及温控仪等电气控制元器件组成。基于温控仪的电加热温度控制较适用于被控温度、调节对象简单的系统。而某化工项目中的脱硝流化床，由于设备空间设计的局限性，为保证加热效果，电加热系统由内部电加热棒和外部加热炉两部分组成。因此，该脱硝流化床电加热系统较为复杂，调节对象并不单一。为了更好地控制床温，在传统电加热控制系统的基础上，对脱硝流化床电加热控制系统进行优化改进，用可编程逻辑控制器（PLC）代替温控仪，提出了一种基于PLC的脱硝流化床电加热控制系统优化设计方法。经过试验验证，该设计方案合理可行，达到了预期控制效果。

1 流化床电加热系统

经过工艺热量计算和设备结构设计，某化工项目脱硝流化床的电加热组件设计为两部分：一部分布置在床内流化-加热小室内，由多根电加热棒组成；一部分布置在流化床反应段的外壁上，由3段独立的电加热炉组成，如图1所示。脱硝流化床正常运行时，内外部加热设备一起工作，通过调节可控硅电压调节器，控制床内温度在300 ℃左右。为了更好地调节、控制床内温度，流化床电加热系统设置4个温度检测点，分别是床内温度检测和外部3段电加热炉内温度的检测。

2 控制系统原理及组成

某化工项目中脱硝流化床电加热控制系统由内部电加热棒、外部电加热炉、就地控制柜、温度检测仪表及相关电缆组成。与传统的电加热器控制系统相比，主要的不同之处在于控制柜内的软硬件设计不同。

现场检测温度送入温控仪，由温控计算输出调节量到可控硅电压调节器，通过调节可控硅电压调节器的输出值改变电加热器的输出功率，从而调节温度值。而基于PLC的优化控制方案中，用PLC代替温控仪，使控制算法组态更加灵活，方便实现同时对多个温度测点较为复杂的先进控制，实现温度调节的优化。

3 基于PLC的优化控制方案

针对某化工项目中脱硝流化床电加热系统调节对象的多样性问题，为了更好地控制温度参数，在以可控硅电压调节器为控制基础的前提下，提出了一种基于PLC的优化控制方案，包含基本的电气控制和PLC控制两部分。

3.1 电气控制部分

电气控制部分主要由空开、接触器、熔断器、可控硅电压调节器及电流互感器等电气元器件组成。

电气控制部分设置4台可控硅电压调节器，可以分别对床内电加热棒、上部外加热炉、中部外加热炉和下部外加热炉的输出功率进行调节。

根据以往的运行经验，床内电加热棒在运行过程中，由于料液粘附等各种原因，易出现短路或熔断的情况。为了能第一时间发现问题，方便检修维护，在原有传统设计的基础上进行了优化设计。在每根电加热棒和3段外电加热炉的电气控制回路中分别设置电流互感器，实时监测每根电加热棒和外电加热炉的回路电流，通过就地控制柜中PLC逻辑判断，可针对每根内部电加热棒和每段外电加热炉发出故障报警信号，提醒运行维护人员。并在就地控制柜内分别设置开关，当发现故障信号后，可以及时关闭相应回路，最大程度地降低对整个加热系统的影响。

3.2 PLC控制部分

PLC控制系统是将PLC控制技术、微电子技术和通信技术相结合的控制系统［3］，主要由CPU、电源模块、输入输出模块及通信模块等组成，实现温度信号的接入、控制算法的编程等功能。PID控制器功能由PLC实现，可以分别以床内温度、3段外电加热带内的温度为调节对象，根据工艺运行需求，实现闭环或开环控制。通过下位机编程和上位机软件画面组态，可以实现操作员切换4段电加热的控制方式以达到最终控制床温的目的。实际运行过程中，由于3段外部电加炉需要通过床壁传热后才能影响到床温，反应慢于内部电加热棒，因此，对于3段外部电加热炉采取开环控制方式，手动给定一个加热功率开度，保持稳定的加热功率；而内部电加热棒直接影响床温，反应速度快，内部电加热棒采用闭环控制方式，实现床温的自动调节。3段外电加热炉的温度通过逻辑判断，在PLC中设置超温报警值，一旦超过设定报警值，就自动关闭相应段外部电加热炉，起到超温保护作用。

下面着重介绍基于PLC的PID负反馈闭环温度调节系统的原理与实现。

3.2.1 控制原理

内部床温的自动控制系统采用闭环负反馈自动控制原理，该控制系统是将测温仪表、自动控制装置和执行机构组成一个闭环系统来实现的［4］，具体由内部电加热棒、可控硅电压调节器、温度变送器、PLC控制系统（PID控制器及其他设备）及相关工艺管路组成，控制系统方框图如图2所示。

3.2.2 PLC程序设计

在温度控制中，最重要的程序设计是模拟量信号的处理与PID控制器的设计。

对于模拟量输入信号，只需每隔一定时间间隔采集一次变送器输出的温度信号刷新到PLC。所选温度变送器测量范围为0～600 ℃，PLC模拟量输入模块采集到变送器输出的4～20 mA（DC）信号，通过A/D转换输入到PLC程序中，CPU对模拟量进行规范化处理。

PID控制器是根據温度设定值与测量值的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，调节可控硅电压调节器的输出来改变电加热棒的加热功率，改变床内温度，从而达到温度控制的目的。由PID控制器、被控对象及执行机构等组成PID负反馈温度调节系统。当广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作［5］。如工艺要求无残差时，应选用比例微分积分动作。由于温度系统属于大迟延环节，因此控制器选用比例微分积分同时调节的类型。PLC编程软件提供了PID集成模块，通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。模块中需要设置参数，即控制器增益KC、积分时间常数TI和微分时间常数TD。由于可控硅电压调节器输出越大，电加热功率越大，被调温度值越高，残差越小，控制器输出量越小，因此控制器增益为正值，控制器为反作用方式。主程序中设置了残差大于一定值时，强制PID切手动、调用PID程序块及设置手自动无扰切换等功能。

电流互感器可以实时监测床内每根电加热棒的电流值，PLC模拟量输入模块对这些电流值采集转换输入到PLC程序中，显示在界面上，通过逻辑判断，当电流值大于报警限值时，即发出报警信号，显示在界面上，提醒运行人员处理。

PLC实时采集外部3段电加热炉的温度信号，显示在界面上，在PLC程序中分别设定这3个温度的上限为480 ℃，当温度达到上限时，即发出报警信号并联锁关闭相应加热回路以保护外加热炉，防止超温烧坏。

3.2.3 参数调试

在被调对象和各工艺系统安装完成后，系统能否运行在最佳状态下主要取决于调节器各参数的设置是否得当。因此，PID参数的整定问题是影响系统控制质量的重要因素。系统的整定方法很多，可以归纳为两大类：一类是理论整定法，如根轨迹法、频率特性法，这类整定方法基于被控对象数学模型，通过计算方法直接求得调节器整定参数；另一类是工程整定法，一般基于对象的阶跃响应曲线或者直接在闭环系统中进行，方法简单，易于掌握。由于在实际过程控制中，被控对象的数学模型是近似的，理论计算求得的整定参数并不很可靠，而且理论整定法计算过程比较复杂、繁琐，使用不方便。而工程整定法是一种近似经验的方法，在实际工程应用中更加实用。因此，该温度控制系统的PID参数整定选用工程整定法。在众多的工程整定方法中选用经验整定法，该方法实质上是一种经验试凑法。根据运行经验，先确定一组调节器参数，在系统投运后，人为加入阶跃扰动，观察被调量的阶跃响应曲线，并依照调节器各参数对调节过程的影响，修改整定参数值，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。温度对象调节器参数的经验数据如下［5］：

比例带δ 0.2～0.6

积分时间常数TI 3～10 min

微分时间常数TD 0.5～3.0 min

其中，控制器增益KC=1/δ。

4 试验验证

通过在脱硝流化床试验台架上的验证，基于PLC的电加热控制系统可以很好地完成床温控制功能。

升温试验中包含4段温度控制：

a. 启动电加热器，调节控制系统，床体内温度由室温升到200 ℃，温度误差±5 ℃；

b. 调节温度控制系统，床体内温度由200 ℃升到250 ℃，温度误差±5 ℃；

c. 调节温度控制系统，床体内温度由250 ℃升到300 ℃，温度误差±5 ℃；

d. 调节温度控制系统，床体内温度由300 ℃升到350 ℃，温度误差±5 ℃。

每个升温阶段，电加热控制系统均可快速响应，使温度控制在目标温度的误差范围内。

5 结束语

经过优化设计后的脱硝流化床电加热控制系统，采用PLC控制省去了多个积算仪的设置，算法组态和逻辑编程灵活多样，可以更加稳定地控制流化床内的温度，对抗击床内吸热反应的干扰更备具鲁棒性。另外，该电加热控制系统还设置了对每一根电加热棒的超温报警和开关功能，设置了每一段外电加热炉的超温报警和联锁断开功能，可以有效保护电加热设备，延长其加热寿命，减少更换维修的频率，节省生产运行成本。通过试验，基于PLC的电加热控制系统设计方案在功能上得到了验证，为后续工程应用提供了参考数据。

参 考 文 献

［1］ 姜圣阶，任凤仪.核燃料后处理工学［M］.北京：原子能出版社，1995.

［2］ 熊佳丽，纪雷鸣，刘泽康，等.硝酸铀酰干法脱硝制备氧化铀工艺研究［J］.当代化工，2019，48（5）：1036-1038；1064.

［3］ 汪依锐.基于PLC的锅炉供暖监控系统设计［D］.西安：西安石油大学，2021.

［4］ 朱永忠.基于PLC的高效智能换热器控制系统设计［D］.扬州：扬州大学，2021.

［5］ 金以慧.过程控制［M］.北京：清华大学出版社，1993.

（收稿日期：2022-03-22）