薛成龍

（嘉峪關(guān)索通預(yù)焙陽極有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

罐式煅燒爐的溫度控制是影響煅燒石油焦質(zhì)量的主要因素[1]，而預(yù)熱空氣進(jìn)氣量是保證煅燒爐火道溫度恒定的重要環(huán)節(jié)[2]。目前罐式煅燒爐的溫度控制只能由員工依靠經(jīng)驗(yàn)手工進(jìn)行。這無疑存在諸多弊端：第一，人工調(diào)節(jié)溫度誤差較大，不能實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證；第二，員工精力有限，溫度不能及時(shí)調(diào)節(jié)，使罐式煅燒爐溫度忽高忽低，會(huì)縮短罐式煅燒爐的使用壽命；第三，罐式煅燒爐爐面溫度高，作業(yè)環(huán)境差，不利于員工職業(yè)健康安全；第四，罐式煅燒爐自動(dòng)化程度低，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，企業(yè)人工成本居高不下。

罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制系統(tǒng)，通過安裝在罐式煅燒爐火道墻上的光電溫度傳感器檢測(cè)罐式煅燒爐溫度，根據(jù)溫度設(shè)定值和相應(yīng)控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)安裝在罐式煅燒爐空氣道入口的風(fēng)門執(zhí)行器的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)熱空氣進(jìn)氣量的目的，從而實(shí)現(xiàn)罐式煅燒爐溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)PLC可編程控制系統(tǒng)選用西門子SIMATIC S7-300系列。西門子SIMATIC S7-300系列模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0支持多種信號(hào)類型，可以直接接收光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號(hào)；SIMATIC S7-300系列CPU模塊支持SCL結(jié)構(gòu)化控制語言編程，適合于公式計(jì)算、復(fù)雜的最優(yōu)化算法、管理大量的數(shù)據(jù)或重復(fù)使用的功能[3]，可以很方便地將一套控制算法應(yīng)用到32罐罐式煅燒爐的控制中，大大提高了編程效率，降低了調(diào)試難度。

為節(jié)約投資，工程師站和操作員站合二為一，通過以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)通訊，同時(shí)通過以太網(wǎng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至調(diào)度中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 溫度信號(hào)MATLAB曲線函數(shù)擬合

光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號(hào)與溫度值呈非線性關(guān)系，傳感器廠家僅提供了對(duì)應(yīng)的分度表。為了處理毫伏信號(hào)到溫度值的轉(zhuǎn)換，一般的做法是在PLC中采用二維查表算法，這種算法非常耗費(fèi)CPU掃描時(shí)間，CPU掃描時(shí)間達(dá)292ms（見圖2），導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)利用MATLAB曲線函數(shù)擬合功能對(duì)光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號(hào)與溫度值的關(guān)系進(jìn)行曲線函數(shù)擬合。

將廠家提供的溫度對(duì)應(yīng)分度表輸入MATLAB，利用Curve Fitting Tool選擇曲線類型，軟件自動(dòng)完成曲線擬合，并給出擬合函數(shù)表達(dá)式（見圖3）。最終得出的擬合函數(shù)表達(dá)式為：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 查表法CPU掃描時(shí)間

其中：x為光電溫度傳感器的輸出的毫伏值

y為毫伏值所對(duì)應(yīng)的溫度值

R-square越接近1，說明擬合度越好。如圖4所示，根據(jù)MATLAB輸出的曲線函數(shù)擬合結(jié)果得知R-square達(dá)到了0.99993。這說明通過擬合出的函數(shù)表達(dá)式可以真實(shí)反映光電溫度傳感器變送輸出的毫伏信號(hào)與溫度值的關(guān)系。

利用最終得出的擬合函數(shù)表達(dá)式在STEP7編程軟件中采用SCL編程實(shí)現(xiàn)處理毫伏信號(hào)到溫度值的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，改進(jìn)后CPU的掃描時(shí)間僅為9ms（見圖5），大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，消除了系統(tǒng)運(yùn)行滯后的現(xiàn)象。

4 STEP7 SCL編程

圖3 溫度信號(hào)MATLAB曲線函數(shù)擬合

圖5 MATLAB擬合函數(shù)法CPU掃描時(shí)間

圖6 STEP7 SCL編程示例

圖7 程序結(jié)構(gòu)圖

西門子SCL結(jié)構(gòu)化控制語言是一種類似于計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言的編程方式，它符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3和PLCopen基礎(chǔ)級(jí)認(rèn)證，語法規(guī)范接近計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言中的PASCAL 語言[4]，支持間接尋址和數(shù)組操作，適用于公式計(jì)算、復(fù)雜數(shù)學(xué)算法和過程優(yōu)化。本項(xiàng)目使用SCL結(jié)構(gòu)化控制語言編程，利用間接尋址和數(shù)組大大減少了編程工作量，減小了程序出錯(cuò)的幾率，加快了程序調(diào)試進(jìn)度。

圖6所示為風(fēng)門執(zhí)行器開度反饋信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換的SCL示例程序。程序采用for語句循環(huán)執(zhí)行SCALE子程序，SCALE子程序是STEP7內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)庫，作用是模擬量到工程量的轉(zhuǎn)換。SCALE子程序的輸入地址采用間接尋址的方式，在循環(huán)語句中自動(dòng)遞增，批量實(shí)現(xiàn)模擬量到工程量的轉(zhuǎn)換。這種編程方式非常適合處理批量重復(fù)的程序代碼。以此類推，32罐煅燒爐每一罐的調(diào)溫控制算法、負(fù)壓控制算法等也是重復(fù)的，采用這種編程方法就可以方便的批量處理了。

顯而易見，采用循環(huán)調(diào)用子程序的方式批量處理重復(fù)的程序代碼，當(dāng)需要調(diào)整控制算法時(shí)，只需要修改調(diào)用的子程序就可以了，無需逐一修改大量重復(fù)的程序代碼，可以達(dá)到“一次修改，全局生效”的目的，大大減少了編程的工作量，加快了程序調(diào)試的進(jìn)度，也減小了程序出錯(cuò)的幾率。

本系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖7所示，按功能不同編寫帶有參數(shù)的算法模塊，在子程序中利用循環(huán)指令和間接尋址進(jìn)行算法模塊多次復(fù)用，最終所有子程序在主程序中調(diào)用執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了功能清晰、易于閱讀的結(jié)構(gòu)化控制程序。

5 WINCC組態(tài)畫面

人機(jī)界面的友好程度直接決定了控制系統(tǒng)易用性。罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)上位機(jī)采用西門子WINCC組態(tài)軟件，軟件歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SQL數(shù)據(jù)庫，這為后面用VBA腳本實(shí)現(xiàn)自由報(bào)表提供了便捷的方法。

如圖8所示，為減少操作員切換頁面的次數(shù)，本系統(tǒng)將罐式煅燒爐32罐分為8組全部展示在總覽畫面上，不僅可以查看每罐的實(shí)時(shí)溫度、負(fù)壓、閥門開度等數(shù)據(jù)，還可以按單罐或一組切換手自動(dòng)控制模式，方便操作員靈活操作。

圖8 WINCC總覽畫面

圖9 WINCC歷史趨勢(shì)曲線

圖10 WINCC自由報(bào)表VBA腳本示例

圖11 WINCC自由報(bào)表畫面

圖12 WINCC參數(shù)設(shè)置畫面

為方便查看歷史趨勢(shì)曲線，本系統(tǒng)可分別按照組或數(shù)據(jù)類別查看歷史趨勢(shì)曲線（見圖9），并可將歷史趨勢(shì)曲線打印輸出。

為了實(shí)現(xiàn)靈活的報(bào)表功能，本系統(tǒng)采用VBA腳本和office Web Components組件，實(shí)現(xiàn)了按班、日、月、自由時(shí)間等不同時(shí)間范圍自動(dòng)查詢、生成生產(chǎn)記錄報(bào)表，解決了人工填寫生產(chǎn)報(bào)表煩瑣、易錯(cuò)的弊病，同時(shí)節(jié)約了大量紙質(zhì)記錄表格，達(dá)到環(huán)保降耗的目的。

如圖10所示，VBA腳本示例了從WINCC SQL數(shù)據(jù)庫中查詢指定時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，然后按照?qǐng)?bào)表格式自動(dòng)生成報(bào)表。

圖11為最終實(shí)現(xiàn)的WINCC自由報(bào)表畫面。操作員可選擇按班、日、月查詢報(bào)表，也可以自由選擇時(shí)間范圍查詢報(bào)表數(shù)據(jù)，同時(shí)隨時(shí)可將生成的報(bào)表打印輸出。

為保證清罐或檢修過程中控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本系統(tǒng)設(shè)置了按組允許使能控制的功能，如圖12 所示。只有勾選的組按照控制算法進(jìn)行自動(dòng)控制，未勾選的組則不參與任何控制，此時(shí)總覽畫面上未勾選的組顯示為灰色。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上下限報(bào)警值，能夠以變色、閃爍的方式提醒操作員超限報(bào)警，并在報(bào)警記錄列表中顯示報(bào)警信息。

6 結(jié)論

罐式煅燒爐自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)投運(yùn)后，提高了罐式煅燒爐的自動(dòng)化控制水平，解決了人工調(diào)溫的諸多弊端，提高了煅燒石油焦的質(zhì)量，延長了罐式煅燒爐使用壽命，有利于員工職業(yè)健康安全，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，縮減了企業(yè)人工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。