李海麗 王志勇

摘 要 為了更好地控制脫硝流化床床溫，在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，進行了優(yōu)化改進。用PLC替代溫控儀，通過對外部三段電加熱爐和內(nèi)部電加熱棒的功率調(diào)節(jié)控制床溫，采用開閉環(huán)相結(jié)合方式，設(shè)計了一套基于PLC的電加熱控制系統(tǒng)。通過在脫硝流化床試驗臺架上的試驗，驗證了該設(shè)計方案的可行性，為后續(xù)工程中的設(shè)計與應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 脫硝流化床 電加熱控制 PLC 可控硅電壓調(diào)節(jié) 閉環(huán)負反饋 經(jīng)驗整定法

中圖分類號 TP273? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0379?04

作者簡介：李海麗（1985-），高級工程師，從事核化工儀表控制設(shè)計工作，lihaili825@163.com。

引用本文：李海麗，王志勇.基于PLC的電加熱控制系統(tǒng)在脫硝流化床中的設(shè)計與驗證［J］.化工自動化及儀表，2023， 50（3）：379-382.

在化工流程中，鈾的轉(zhuǎn)化有濕法和干法兩種［1］，由于濕法工藝流程存在需耗試劑量大、設(shè)備和管線多而復(fù)雜并產(chǎn)生大量廢水等無法回避的缺點，國內(nèi)外對干法脫硝工藝進行了大量的研究并取得了很大的進展［2］。其中，流化床脫硝還原法是目前國內(nèi)采用的主流工藝，此反應(yīng)過程需要吸收一定的熱量。過高或過低的溫度都會影響還原效果，為了保證脫硝過程的順利進行，其中一個重要條件就是流化床床溫需保持在300 ℃左右。床內(nèi)熱量的供給源于流化床電加熱系統(tǒng)，因此脫硝流化床電加熱系統(tǒng)的溫度控制顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的電加熱控制系統(tǒng)一般由空開、接觸器、熔斷器、可控硅電壓調(diào)節(jié)器及溫控儀等電氣控制元器件組成。基于溫控儀的電加熱溫度控制較適用于被控溫度、調(diào)節(jié)對象簡單的系統(tǒng)。而某化工項目中的脫硝流化床，由于設(shè)備空間設(shè)計的局限性，為保證加熱效果，電加熱系統(tǒng)由內(nèi)部電加熱棒和外部加熱爐兩部分組成。因此，該脫硝流化床電加熱系統(tǒng)較為復(fù)雜，調(diào)節(jié)對象并不單一。為了更好地控制床溫，在傳統(tǒng)電加熱控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對脫硝流化床電加熱控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，用可編程邏輯控制器（PLC）代替溫控儀，提出了一種基于PLC的脫硝流化床電加熱控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。經(jīng)過試驗驗證，該設(shè)計方案合理可行，達到了預(yù)期控制效果。

1 流化床電加熱系統(tǒng)

經(jīng)過工藝熱量計算和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，某化工項目脫硝流化床的電加熱組件設(shè)計為兩部分：一部分布置在床內(nèi)流化-加熱小室內(nèi)，由多根電加熱棒組成；一部分布置在流化床反應(yīng)段的外壁上，由3段獨立的電加熱爐組成，如圖1所示。脫硝流化床正常運行時，內(nèi)外部加熱設(shè)備一起工作，通過調(diào)節(jié)可控硅電壓調(diào)節(jié)器，控制床內(nèi)溫度在300 ℃左右。為了更好地調(diào)節(jié)、控制床內(nèi)溫度，流化床電加熱系統(tǒng)設(shè)置4個溫度檢測點，分別是床內(nèi)溫度檢測和外部3段電加熱爐內(nèi)溫度的檢測。

2 控制系統(tǒng)原理及組成

某化工項目中脫硝流化床電加熱控制系統(tǒng)由內(nèi)部電加熱棒、外部電加熱爐、就地控制柜、溫度檢測儀表及相關(guān)電纜組成。與傳統(tǒng)的電加熱器控制系統(tǒng)相比，主要的不同之處在于控制柜內(nèi)的軟硬件設(shè)計不同。

現(xiàn)場檢測溫度送入溫控儀，由溫控計算輸出調(diào)節(jié)量到可控硅電壓調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)可控硅電壓調(diào)節(jié)器的輸出值改變電加熱器的輸出功率，從而調(diào)節(jié)溫度值。而基于PLC的優(yōu)化控制方案中，用PLC代替溫控儀，使控制算法組態(tài)更加靈活，方便實現(xiàn)同時對多個溫度測點較為復(fù)雜的先進控制，實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的優(yōu)化。

3 基于PLC的優(yōu)化控制方案

針對某化工項目中脫硝流化床電加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)對象的多樣性問題，為了更好地控制溫度參數(shù)，在以可控硅電壓調(diào)節(jié)器為控制基礎(chǔ)的前提下，提出了一種基于PLC的優(yōu)化控制方案，包含基本的電氣控制和PLC控制兩部分。

3.1 電氣控制部分

電氣控制部分主要由空開、接觸器、熔斷器、可控硅電壓調(diào)節(jié)器及電流互感器等電氣元器件組成。

電氣控制部分設(shè)置4臺可控硅電壓調(diào)節(jié)器，可以分別對床內(nèi)電加熱棒、上部外加熱爐、中部外加熱爐和下部外加熱爐的輸出功率進行調(diào)節(jié)。

根據(jù)以往的運行經(jīng)驗，床內(nèi)電加熱棒在運行過程中，由于料液粘附等各種原因，易出現(xiàn)短路或熔斷的情況。為了能第一時間發(fā)現(xiàn)問題，方便檢修維護，在原有傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化設(shè)計。在每根電加熱棒和3段外電加熱爐的電氣控制回路中分別設(shè)置電流互感器，實時監(jiān)測每根電加熱棒和外電加熱爐的回路電流，通過就地控制柜中PLC邏輯判斷，可針對每根內(nèi)部電加熱棒和每段外電加熱爐發(fā)出故障報警信號，提醒運行維護人員。并在就地控制柜內(nèi)分別設(shè)置開關(guān)，當發(fā)現(xiàn)故障信號后，可以及時關(guān)閉相應(yīng)回路，最大程度地降低對整個加熱系統(tǒng)的影響。

3.2 PLC控制部分

PLC控制系統(tǒng)是將PLC控制技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的控制系統(tǒng)［3］，主要由CPU、電源模塊、輸入輸出模塊及通信模塊等組成，實現(xiàn)溫度信號的接入、控制算法的編程等功能。PID控制器功能由PLC實現(xiàn)，可以分別以床內(nèi)溫度、3段外電加熱帶內(nèi)的溫度為調(diào)節(jié)對象，根據(jù)工藝運行需求，實現(xiàn)閉環(huán)或開環(huán)控制。通過下位機編程和上位機軟件畫面組態(tài)，可以實現(xiàn)操作員切換4段電加熱的控制方式以達到最終控制床溫的目的。實際運行過程中，由于3段外部電加爐需要通過床壁傳熱后才能影響到床溫，反應(yīng)慢于內(nèi)部電加熱棒，因此，對于3段外部電加熱爐采取開環(huán)控制方式，手動給定一個加熱功率開度，保持穩(wěn)定的加熱功率；而內(nèi)部電加熱棒直接影響床溫，反應(yīng)速度快，內(nèi)部電加熱棒采用閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)床溫的自動調(diào)節(jié)。3段外電加熱爐的溫度通過邏輯判斷，在PLC中設(shè)置超溫報警值，一旦超過設(shè)定報警值，就自動關(guān)閉相應(yīng)段外部電加熱爐，起到超溫保護作用。

下面著重介紹基于PLC的PID負反饋閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)。

3.2.1 控制原理

內(nèi)部床溫的自動控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負反饋自動控制原理，該控制系統(tǒng)是將測溫儀表、自動控制裝置和執(zhí)行機構(gòu)組成一個閉環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)的［4］，具體由內(nèi)部電加熱棒、可控硅電壓調(diào)節(jié)器、溫度變送器、PLC控制系統(tǒng)（PID控制器及其他設(shè)備）及相關(guān)工藝管路組成，控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

3.2.2 PLC程序設(shè)計

在溫度控制中，最重要的程序設(shè)計是模擬量信號的處理與PID控制器的設(shè)計。

對于模擬量輸入信號，只需每隔一定時間間隔采集一次變送器輸出的溫度信號刷新到PLC。所選溫度變送器測量范圍為0～600 ℃，PLC模擬量輸入模塊采集到變送器輸出的4～20 mA（DC）信號，通過A/D轉(zhuǎn)換輸入到PLC程序中，CPU對模擬量進行規(guī)范化處理。

PID控制器是根據(jù)溫度設(shè)定值與測量值的差值，按照PID算法計算出控制器的輸出量，調(diào)節(jié)可控硅電壓調(diào)節(jié)器的輸出來改變電加熱棒的加熱功率，改變床內(nèi)溫度，從而達到溫度控制的目的。由PID控制器、被控對象及執(zhí)行機構(gòu)等組成PID負反饋溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積遲延較大時，應(yīng)引入微分動作［5］。如工藝要求無殘差時，應(yīng)選用比例微分積分動作。由于溫度系統(tǒng)屬于大遲延環(huán)節(jié)，因此控制器選用比例微分積分同時調(diào)節(jié)的類型。PLC編程軟件提供了PID集成模塊，通過持續(xù)的輸入和輸出變量來控制工藝過程。模塊中需要設(shè)置參數(shù)，即控制器增益KC、積分時間常數(shù)TI和微分時間常數(shù)TD。由于可控硅電壓調(diào)節(jié)器輸出越大，電加熱功率越大，被調(diào)溫度值越高，殘差越小，控制器輸出量越小，因此控制器增益為正值，控制器為反作用方式。主程序中設(shè)置了殘差大于一定值時，強制PID切手動、調(diào)用PID程序塊及設(shè)置手自動無擾切換等功能。

電流互感器可以實時監(jiān)測床內(nèi)每根電加熱棒的電流值，PLC模擬量輸入模塊對這些電流值采集轉(zhuǎn)換輸入到PLC程序中，顯示在界面上，通過邏輯判斷，當電流值大于報警限值時，即發(fā)出報警信號，顯示在界面上，提醒運行人員處理。

PLC實時采集外部3段電加熱爐的溫度信號，顯示在界面上，在PLC程序中分別設(shè)定這3個溫度的上限為480 ℃，當溫度達到上限時，即發(fā)出報警信號并聯(lián)鎖關(guān)閉相應(yīng)加熱回路以保護外加熱爐，防止超溫?zé)龎摹?/p>

3.2.3 參數(shù)調(diào)試

在被調(diào)對象和各工藝系統(tǒng)安裝完成后，系統(tǒng)能否運行在最佳狀態(tài)下主要取決于調(diào)節(jié)器各參數(shù)的設(shè)置是否得當。因此，PID參數(shù)的整定問題是影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的重要因素。系統(tǒng)的整定方法很多，可以歸納為兩大類：一類是理論整定法，如根軌跡法、頻率特性法，這類整定方法基于被控對象數(shù)學(xué)模型，通過計算方法直接求得調(diào)節(jié)器整定參數(shù)；另一類是工程整定法，一般基于對象的階躍響應(yīng)曲線或者直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，方法簡單，易于掌握。由于在實際過程控制中，被控對象的數(shù)學(xué)模型是近似的，理論計算求得的整定參數(shù)并不很可靠，而且理論整定法計算過程比較復(fù)雜、繁瑣，使用不方便。而工程整定法是一種近似經(jīng)驗的方法，在實際工程應(yīng)用中更加實用。因此，該溫度控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定選用工程整定法。在眾多的工程整定方法中選用經(jīng)驗整定法，該方法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗試湊法。根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，在系統(tǒng)投運后，人為加入階躍擾動，觀察被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，修改整定參數(shù)值，直到獲得滿意的階躍響應(yīng)曲線為止。溫度對象調(diào)節(jié)器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下［5］：

比例帶δ 0.2～0.6

積分時間常數(shù)TI 3～10 min

微分時間常數(shù)TD 0.5～3.0 min

其中，控制器增益KC=1/δ。

4 試驗驗證

通過在脫硝流化床試驗臺架上的驗證，基于PLC的電加熱控制系統(tǒng)可以很好地完成床溫控制功能。

升溫試驗中包含4段溫度控制：

a. 啟動電加熱器，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，床體內(nèi)溫度由室溫升到200 ℃，溫度誤差±5 ℃；

b. 調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)，床體內(nèi)溫度由200 ℃升到250 ℃，溫度誤差±5 ℃；

c. 調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)，床體內(nèi)溫度由250 ℃升到300 ℃，溫度誤差±5 ℃；

d. 調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)，床體內(nèi)溫度由300 ℃升到350 ℃，溫度誤差±5 ℃。

每個升溫階段，電加熱控制系統(tǒng)均可快速響應(yīng)，使溫度控制在目標溫度的誤差范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的脫硝流化床電加熱控制系統(tǒng)，采用PLC控制省去了多個積算儀的設(shè)置，算法組態(tài)和邏輯編程靈活多樣，可以更加穩(wěn)定地控制流化床內(nèi)的溫度，對抗擊床內(nèi)吸熱反應(yīng)的干擾更備具魯棒性。另外，該電加熱控制系統(tǒng)還設(shè)置了對每一根電加熱棒的超溫報警和開關(guān)功能，設(shè)置了每一段外電加熱爐的超溫報警和聯(lián)鎖斷開功能，可以有效保護電加熱設(shè)備，延長其加熱壽命，減少更換維修的頻率，節(jié)省生產(chǎn)運行成本。通過試驗，基于PLC的電加熱控制系統(tǒng)設(shè)計方案在功能上得到了驗證，為后續(xù)工程應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù)。

參 考 文 獻

［1］ 姜圣階，任鳳儀.核燃料后處理工學(xué)［M］.北京：原子能出版社，1995.

［2］ 熊佳麗，紀雷鳴，劉澤康，等.硝酸鈾酰干法脫硝制備氧化鈾工藝研究［J］.當代化工，2019，48（5）：1036-1038；1064.

［3］ 汪依銳.基于PLC的鍋爐供暖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安石油大學(xué)，2021.

［4］ 朱永忠.基于PLC的高效智能換熱器控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.揚州：揚州大學(xué)，2021.

［5］ 金以慧.過程控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

（收稿日期：2022-03-22）