基于plc的加热炉控制系统设计

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1、基于西门子PLC的加热炉燃烧控制系统的设计摘要：传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。本文题材来源于2010年第四届西门子杯控制技能仿真挑战赛赛题，对过程控制的工艺过程和控制算法和过程进行了较为详细的阐述。关键词：加热炉；PLC；温度控制

2、系统；中图分类号：TP472文献标识码：A1.系统总体概述1.1被控对象工艺流程概述4如图1所示。被控对象为过程工业领域常见的加热炉单元，通过加热炉对流传热与辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度。图1加热炉整体图待加热物料A流量为F1101，温度为常温20℃4，经由上料泵P1101泵出。流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段

3、，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温

4、度的微调。最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101。制系统。1.2扰动分析加热炉是传热设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于活力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传递给管壁，然后又管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占热负荷的70％～80％，而在对流段获得的热量约占热负荷的20％～30％。因此加热炉的传热过程比较复杂。加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温

5、度，此温度为控制系统的被控变量，而操纵变量为燃料油的流量。2.加热炉控制算法方案2.1阀门流量控制对物料进口阀门V1101、物料出口阀门V1105、物料进入换热器管程阀门V1103和另一路冷物料阀门V1102进行流量控制，以确保物料的流量稳定从而保证出口物料温度的恒定。我们采用单回路对每一个控制阀门进行流量控制，控制器可以采用传统的PID控制算法。2.2加热炉的燃烧控制假设某燃料M的碳含量为T1，氢的含量为T2，由燃烧化学可知，需要氧气量为T1＋T2/4，转换为空气量为5×（T1＋T2/4）。那么理论上最佳的空燃比是5×（T1＋T2/4）：M，在这个比值下可以达到空气中的氧气和燃料

6、的充分燃烧，烟气中无一氧化碳和氧气。但是，实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论上计算的量，要有一定的过剩空气，由于烟气的热损失占加热炉热损失的绝大部分，当过剩空气量增多时，一方面使炉膛内温度降低；另一方面使烟气热量损失增加。因此，过剩空气量对不同燃料都有一个最优值，以满足最经济燃烧要求，对于液体燃料最有过剩空气量约为8％～15％。过剩空气量通常用过剩空气系数来表示，即实际空气量Qp和理论空气量Qt之比a＝Qp/Qt。也可以近似的表示为a＝21/(21－O2)，对于液体燃料，最佳值约为2％～4％。3.加热炉PLC控制加热炉温度控制系统基本构成如图2所示，它由PLC主控系统、移相触发模

7、块整、阀门、加热炉、传感器等5个部分组成。该加物料温度希望稳定在80℃工作，加热炉温度控制实现过程是：首先传感器将物料的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给阀门一个控制信号，这样通过控制阀门的开关大小来控制燃料流量，也既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用[2]。4图2加热炉温度控制系统基本组