管式加热炉 PLC控制系统设计研究

尹珊珊

浙江真空设备集团有限公司 浙江 台州 318000

摘 要：PLC系统具有非常优良的控制性能，被广泛的应用于生产工作中，促进了生产效率的不断提高。本文结合管式加热炉的运行要求，对其PLC控制系统进行了科学合理的设计，分别进行了硬件和软件系统的设计，有助于促进管式加热炉管理水平的不断提高，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。

关键词：管式加热炉；PLC；控制系统

1 前言

加热炉作为一种重要的生产设备，在生产制造领域发挥着非常重要的作用。管式加热炉主要用于原油加热，在其工作过程中需要对出口原油的温度进行系统全面的控制，这就需要对其运行过程中的工艺参数进行实时的监控，确保其始终在合理的范围内。为了对管式加热炉的整个运行过程进行有效的监控，结合其运行控制要求设计了相应的PLC控制系统，有助于提高运行控制质量，为管式加热炉的安全运行提供可靠保障。

2 控制系统硬件构成

由于管式加热炉配套控制系统的输入和输出点数较少，并结合其运行控制的要求，选用SIMATIC S7-200系列和CPU224型的PLC元件。整个控制系统主要是由上位机、下位机西门子S7-200 PLC、EM235模块、温度检测变送器、调节阀、通用串口线以及转接头等部分构成的，其具体的结构形式如下图所示。

图1 控制系统硬件结构示意图

3 系统硬件设计

3.1 PLC选型

调节器在工作过程中能够接收由温度检测变送器发送而来的各种信号，并且对其进行分析处理后做出相应的逻辑控制判断，并将控制指令发送至调节阀上，进而能够形成一个完整的闭环控制系统。PLC在本质上是一种调节器，其能够进行编程和逻辑控制，具有非常强大的控制功能，并且操作非常简单，只通过梯形图就能进行相应的编程实用。通过选用PLC作为下位机，能够针对系统的运行要求提供一定的调试控制功能，同时，PLC与上位机之间的通讯主要是通过PPI协议实现的，进而确保数据传输的安全。PLC和上位机通过相应的转换器与通用串口之间进行有效的连接，为控制器与监控软件提供了稳定的远程通讯和数据交互能力，进而确保了远程监控功能的顺利实现。

3.2 传感器设计

为了对燃烧室内和出口处原油温度进行有效的监控，并且还要满足工业生产的运行需求，选择当前非常常用的热电偶温度传感器，其能够将检测到的热信号转变为相应的电信号，再通过变送器的处理后转变为与温度之间具有线性关系的标准电信号。由于热电偶是由两种不同材质导体构成的，这就会在两者之间形成一定的热电效应，其在导体上表现为热电势，再通过热电势就能计算出真实地温度值。加热炉所采用的燃料为燃料油，在其燃烧过程中，加热炉室内的温度不会超过1300℃，所选用的温度传感器为S型热电偶；而对于温度的较低的原油出口，选用T型热电偶就能够满足温度监测需求。

3.3 调节阀设计

图1中的调节阀a主要用于燃烧器燃料流量的有效控制，通过控制燃料量就能对燃烧过程中的能量转化进行相应的控制调节，也就间接对原油的加热温度进行调节控制；调节阀b主要用于加热炉原油输送量的调节控制，其在工作过程中能够接收由控制器传输而来的控制信号，进而实现原油油量的实时调节控制，以满足加热炉的燃烧需求。

调节阀主要有3种不同的类型可供选择，由于该调节阀工作过程中需要接触到易燃易爆的物质，因此，为了确保运行安全，不能选择电动调节阀，而需要选用操作简单和安全性较高的气动调节阀。同时，考虑到系统的安全运行，调节阀的气开气关形式要进行科学合理的设计，当事故发生时，需要立即停止加热炉的加热升温，避免由于温度过高而造成爆炸，因此，调节阀a和b需要选择气开式调节阀，进而为系统的安全运行提供可靠保障。

3.4 上位机设计

通过进行价格和性能的对比分析，本文所设计的上位机为台湾研华工控机，其主要配置为：Pentium III处理器，128M内存，15G硬盘，能够满足系统的安全运行需求。

4 PLC硬件设计

通过对控制任务进行系统全面的分析研究，可以得到2个输入数字量，分别表示为控制系统的启动与停止；3个输入数字量，分别表示为加热炉的启动、停止以及调节阀b；输入1个模拟量表示为燃烧室的温度；输出1个模拟量表示为调节阀a。控制系统所采用的软件元一共有10个，分别为：原油出口温度设定值和检测值、控制系统的自动和手动输出值、PID参数、采样时间以及手动/自动切换输出等。I/O外部接线图结构如图2所示。

图2 PLC I/O外部接线结构图

5 PLC软件设计

PLC软件设计也就是根据管式加热炉的控制要求编制相应的PLC控制程序，其中使用最多的就是梯形图程序，可以采用经验设计法进行编制，其具体的编制如下所示。

5.1 控制系统流程图

加热炉燃烧室的加热升温主要是依靠燃料油燃烧所释放的热量，为了满足不同的温度控制需求，可以通过调节阀a对燃料油的流量进行有效的调节，进而实现加热原油温度的有效控制。PLC控制系统发出启动指令之后，调节阀a收到指令信号后，打开并启动燃烧器进行预热操作，随着燃料的不断燃烧，燃烧室的温度逐渐升高，当其升高到设定值后，调节阀b就会收到打开的指令信号，将输送原油开启后，进而对其进行加热升温，相应的控制系统运行，对原油的出口温度进行科学合理的控制，管式加热炉就能正常运行。

5.2 梯形图控制程序的设计

主程序：通过将PID的运行参数传输到PLC的寄存器中进行存储运行，结合加热炉的运行特点，将采样的周期设定为0.1s，就能对系统进行有效的监测，其中的中断时间设定为100ms，积分时间设定为0s。

采集程序：为了满足管式加热炉的运行采集需求，通过将加热炉内温度检测变送器所收集的温度数据传输至PID_PV中进行更进一步的处理。

6 结语

总而言之，为了进一步提高管式加热炉的运行效率，避免安全事故的发生，就要对其整个运行过程进行实时的监控，确保其各项运行参数始终处于控制范围内。通过将PLC应用于管式加热炉的运行控制工作中，并结合其运行特点，设计具有针对性的控制系统，进而为加热炉的安全运行提供可靠保障，一旦发现异常的运行参数就能及时采取有效的应对措施，将所造成的不利影响限制在合理的范围内，从而促进企业生产水平的不断提高。

参考文献：

[1] 许川佩, 彭圣华. 基于PLC的自动化生产线控制系统[J]. 仪表技术与传感器, 2016(02):91-92.

[2] 马学成. 基于PLC和触摸屏的硬胶囊生产控制系统[J]. 工业仪表与自动化装置, 2017(02):115-121.

[3] 魏静敏, 单冲. 基于PLC的自动灌装生产线控制系统设计与实现[J]. 科技视界, 2013(05):159-160.

[4] 王蕊. 间歇式化学反应器分程控制系统的实现[J]. 现代化工, 2014(27):246-246.

[5] 肖军, 耿青涛 . 基于PLC的管式加热炉串级-分程控制系统设计[J]. 辽宁化工, 2020(07):34-35.

作者简介:尹珊珊，（1987.12 ）性别：女，民族：汉族，籍贯：浙江台州，

学历:本科，现有职称:中级工程师，研究方向:PLC控制系统设计。