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得经济、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，其中对工艺过程和控制算法进行了较为详细的阐述。
关键词：加热炉；PLC；温度控制系统
中图分类号:TP472文献标识码:A
1.系统总体概述
1.1被控对象工艺流程概述。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℃，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，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。
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]。
图2 加热炉温度控制系统基本组成
3.1 PLC控制系统的硬件配置
在加热炉温度控制系统中PLC采用德国西门子公司的PLC，其硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制等功能。该系列PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、性价比高。本温度控制系统中PLC我们选择S7－300型，它与外部设备的连接如图3所示。
3.2 PLC控制算法
由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性，这使系统控制出现动态误差。为了减小误差提高系统控制精度，采用PID控制算法，另外考虑到系统的控制对象，采用增量型PID算法[3]。
图3 PLC的I/O接线图
当加热炉刚启动加热时，由于测到的炉温为常温，sp-pv＝△U为正值且较大，△U为PID调节器的输入，此时PID调节器中P起主要作用，使输出较大电路，燃料阀开大。当出口物料温度高于工艺温度时，sp-pv＝△U为负值，经PID调节，使燃料阀减小，使出口物料温度下降。当出口物料温度正好定于设定值，△U为零PID不调节，此时PLC输出的模拟流为正常工艺的电流，系统达到动态平衡。
4. 控制系统调试
系统调试分为两大步骤，一是系统软件调试；二是系统硬件调试。（1）系统软件调试。系统软件调试是在PC机上进行，我们将PLC控制程序输入PC机后，根据运行要求，设定若干数字开关量和模拟量，对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。（2）系统硬件调试。相应的系统硬件也是在实验室里进行，用一个设备来摸仪控制对象。首先检查设备的诸个单元是否合乎要求，其次将软件和硬件结合起来进行测试。并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果[4]。
5. 结论。综上所述，本文充分了解工艺的前提下，所设计的方案基本以工业上常见的控制方案为依据，运用PLC做核心运算，将现场零散的物理量集中到PLC中，简化了现场，也做到了集中控制。这样可以保证方案简单，具有较高的可实施性。减少人为干预，并消除了安全隐患，提高生产效率。也考虑了安全生产的要素，保证了系统能在安全的状况下安全生产。
参考文献
[1]庞庆华,周斌,潘郁.AJ-System柔性辅助调度系统的设计及其开发[J].计算机工程与设计.2003,24(12).
[2]杨长雄.可编程序控制器(PC)基础及应用，重庆:重庆大学出版社，1999.
[3]王伟.串联型模糊神经网络PID控制器的设计，计算机仿真，2002.7.
[4]范顺成.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2000.