基于触摸屏、PLC控制的天然气加热炉恒温控制系统
摘 要：本文介绍了触摸屏、PLC控制技术在天然气加热炉恒温控制系统上的应用，并论述了已经成功实施的控制系统的配置和设计特点及改造实施后的效果。
关键词：触摸屏 PLC 变频器 天然气加热炉 恒温控制
1 引言
长期以来，我国能源资源以煤为主，城市煤气、工业炉窑、发电都以燃煤为主。燃烧产物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物，以及大量烟尘污染，使城市空气质量严重恶化。而高效、洁净、方便的天然气能源的合理利用和优化利用，对优化我国能源结构、优化生态城市建设、优化理想人居空间，创造人和自然的和谐环境都具有非常重要的意义。
我厂的七台连续式退火炉和三台斜底式管坯加热炉二十多年来一直以燃煤为主要能源，生产环境较差且由于煤气发生炉的老化，维修成本日益增加，对温度的控制也难以达到要求。碳管车间的一台配套管坯加热炉的煤气发生炉已老化到急需更换的程度，天然气代替燃煤能否达到成本相当并进行恒温控制，直接影响到我厂产品的成本、质量及生产设备的正常运转。
2 问题的提出
碳管车间的斜底式管坯加热炉原来以煤气发生炉产生的煤气供给加热炉对管坯进行加热，加热温度一般在1200℃左右。原有的煤气发生炉由于常年使用已严重老化急需更换，更换成本在30万左右，且控温的精度也一直难以达到要求，直接影响着产品的质量。
在2006年5月份对碳管24米退火炉成功实施煤改气工程的基础上（自控系统由无锡科德燃烧设备有限公司完成），决定对碳机组加热炉进行煤改气改造。天然气退火炉采用工控机、WCC组态软件及西门子S7-300系列PLC来控制，自控系统投入费用达26万元。
考虑到加热炉对控温的精度相对于退火炉而言要低一点，控制系统无需投入过多，故决定实施基于触摸屏、PLC控制的天然气加热炉恒温控制改造方案（我厂和常熟理工学院合作完成）。
3 系统改造方案的实施
3.1 系统的配置
天然气加热炉的三个200KW的顶喷式烧嘴采用大小火控制（每个烧嘴用两根空气管和两根天然气管供气），并在现场安装配置了德国进口的燃烧控制器和国产点火变压器的点火箱进行手动点火和远程自动点火操作，点火不成功在现场及操作室内发出报警信号并返回至PLC，在触摸屏上显示并保存记录；
18.5KW的助燃风机电机用三菱FR-A740-22K变频器控制，在风机出风口处安装压力变送器经SWP201配电模块送至三菱FX2N系列PLC进行恒压控制；
在加热炉高温端安装S型热电偶将温度信号反馈至PLC进行温度采集；
对安装在烟道上的执行器通过PLC进行开度调节；
所有操作均在深圳人机电子的508S-7.7寸触摸屏上完成。
系统的整体配置如图（1）所示：
图（1）系统整体配置图
所有电气元件除点火箱外都安装在室内的GGD标准电柜内，考虑到散热问题将三菱的FR-A740-22K高性能通用型变频器安装在电柜的上部；PLC选用了三菱的FX2N-48MT晶体管输出型可编程控制器，由BK200VA的隔离变压器供电以降低电气干扰；继电器选用了欧姆龙公司的MY4J-24V继电器；人机界面选用了性价比极高的人机电子508S-7.7寸256色的彩色触摸屏，安装在柜面上；继电器和触摸屏电源由双路24V输出的开关电源提供；除PLC电源和变频器电源用柜面按钮控制外其他动作均在触摸屏上完成。
3.2 控制系统的主要特点
（一） 助燃风机的恒压控制：
加热炉助燃风机的风压一般要求恒定在5000Pa左右，SWP201配电模块在给二线制压力变送器提供电压的同时，接收来自变送器的与压力成比例的4~20mA电流信号，经模拟量输入通道传送到PLC与触摸屏上输入的风压参数比较后进行PID运算，再经模拟量输出通道输出4~20mA的电流信号给变频器来改变变频电源频率，控制风压。
（二） 触摸屏的操作界面：
触摸屏的自动运行操作界面如图（2）所示：
图（2）自动运行操作界面
（三） 加热炉恒温控制过程：
当温度升到设定温度时3号大火空气、燃气阀关闭，15S后2号大火关闭，6S后一号大火关闭；当降到设定温度下3℃时，2号大火打开，5S后3号大火打开，再5S后1号大火打开。烟道执行器开度和1~3号大火同步，在预开45°的基础上，2号大火打开时执行器开10°，3号大火打开时再开10°，1号大火打开时再开7°。
（四） 完善的辅助功能：
运行时只要在自动运行方式下设定好炉温和风压，点 运行 按钮，PLC程序将自动开启风机、燃气快切阀，等风压达到1000Pa以上时给1~3号烧嘴送电并依次开大火，待升到设定温度后进入自动控温状态。
停止生产时，按 停炉 按钮，出现“是”、“否”按钮（防止误操作），按“是”则自动停炉，关闭各烧嘴、燃气快切阀，风机以15Hz的频率运行（防止高温下损坏烧嘴），等炉温降到450℃后自动关闭风机。
若设备检修需要暂时降温，则按屏幕上的 设备检修 按钮，程序将自动关闭所有大火，只开小火维持炉温（1000℃左右），进入待炉状态，检修结束按下 正常生产 按钮则回到自动控温状态。
点自动运行方式屏幕上的 功能菜单 按钮可查看故障报警记录、温度曲线并可以返回到手动运行方式，在压力变送器或热电偶失效的情况下进行手动操作以确保生产的正常进行。
3.3 系统故障保护和故障诊断主要特点
点火不成功的话烧嘴控制器将自动切断燃气阀和空气阀的电源并蜂鸣器发出报警声提醒维护人员去排除故障。
变频器具备对电机和变频器本身的完善保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，保护设备不至于损坏。
故障信息除可以在触摸屏上准确地显示故障类型外，还可以在触摸屏上进行存储（最多可存2000条故障信息），极大地方便了维护人员排除故障。
4 改造后控制系统达到的实际效果
（1） 天然气加热炉电控部分总计投入了5万多元，较采用工控机、WCC组态软件、西门子S7-300系列PLC组成的控温系统节省了很多，且达到了大致相当的效果；
（2） 能源消耗大致相当：天然气加热炉正常投用后10月6日到10月24日碳60穿孔机组穿孔577.625吨，用气37920m3，平均每吨耗气65.65 m3；而05年度穿孔9179吨，耗煤1731.85吨 ，按每吨875元计算，合每吨耗煤165.091元 ，按天然气每标方2.49元计算，折合天然气66.3 m3/吨。用天然气比用燃煤略省一点，达到了预期效果；
（3） 操作简便，对操作人员的要求也相对低一点；
（4） 控温效果明显，现在控制的温度在设定温度的±10°之间，比改造前有了很大的改善，提高了穿孔质量。
5 结束语
本系统自投用以来，达到了改造的预期目的，运行良好、控温性能优异、操作简便、安全可靠，且在能耗相当的情况下改善了环境，在同行业有着广泛的推广应用价值。
参考文献
[1] 人机电子公司 EasyBuilder 500使用手册
[2] 三菱公司 FX1S,FX1N,FX2N,FX2NC编程手册
[3] 三菱公司 三菱通用变频器FR-A700使用手册
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