吴明亮 赵 坤 吴明永 张晓东

(1.兰州理工大学机电工程学院，兰州 730050；2.兰州城市学院培黎石油工程学院，兰州 730070)

沸腾炉是一种新型节能燃烧设备，具有高效、节能的点火技术。传统沸腾炉大多采用手动方式点火，操作过程复杂，炉内温度不易控制，操作不当就会带来一系列的问题，而且操作人员危险性高、工作强度大，点火周期长[1]。以新疆奎屯铜冠冶化有限公司年产30万t硫酸的沸腾炉为背景，结合全集成PCS7系统设计开发出以S7-400 PLC为核心的自动点火DCS系统，该系统具有结构简单、维护工作量小及运行费用低等优点。

1 系统构成①

沸腾炉点火控制系统由油泵、调节阀、燃烧器、现场仪表、操作箱、低压配电柜及上位工控机等组成(图1)。沸腾炉内均布4台燃烧器，各燃烧器独立工作，互不影响。燃烧器内装有点火枪、电弧枪、油管、压缩空气管和助燃风管，油枪和点火枪采用气动推进装置，点火开始时油枪和点火枪被推入炉内，结束时退回原位，避免油枪和点火枪长期处于高温环境中，延长使用寿命。

图1 点火控制系统结构示意图

点火前，油泵启动，油角阀关闭，此时轻柴油通过回油管回到油箱。助燃风管道上设置伺服电动机调节风量，一般与炉膛压力差保持在3～5kPa。点火时油压控制在650kPa左右，由压缩空气将轻柴油雾化后喷入炉内，同时电弧枪持续发火15s。点火成功后，通过合理调节空燃比，将炉温逐渐提升到900℃左右，然后将硫铁矿投入炉内，通过调控炉底风机和开炉风机之间的风量，将炉膛负压保持在-10～20Pa范围内，从而使硫铁矿悬浮于硫化床之上，将硫铁矿引燃。

2 系统配置

控制系统采用的PCS7系统是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统，结合了传统DCS和PLC系统的优点，系统所有的硬件基于统一的硬件平台，可以根据需要选用不同的功能组件进行系统组态。系统上位机由一台工程师站和若干台操作员站组成。上位机选择研华工业型计算机，内配有千兆以太网卡，计算机内装有PCS7 V7.1版本软件，可用于程序编写、硬件组态、网络组态、数据库的建立/维护及人机界面组态等。下位机由IM153-2通信模块、电源模块、模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、数字量输入模块DI及数字量输出模块DO等组成。

控制系统硬件结构如图2所示。系统由IM153-2通过Profibus-DP现场总线与DCS相融合，由开关量和模拟量采集模块将现场所需数据信号传递到现场控制器CPU中，通过一定的逻辑运算，将执行命令传输给现场点火执行机构。Profibus-DP现场总线的数据传输速率为9.6kbit/s～12.0Mbit/s，用于现场控制站的 CPU 主站和分布式ET200M 从站之间的数据通信，实现现场信号的采集和处理[2]。带光电转换的工业以太网交换机Simatic X204-2构成光纤环网，传输速率快，将操作管理层的工程师站、操作员站与现场控制站上的CP443-1连接起来，实现上位机与控制站S7-400 CPU之间的通信。Simatic X204-2交换机具有冗余环网管理功能，任何一个节点断开都不会影响到网络的正常运行。

3 软件设计

本系统软件是基于PCS7过程控制的强大集成功能平台设计的。PCS7是集DCS、总线I/O和PLC为一体的新型全集成控制系统[3]，具有高度的可靠性和稳定性，运算速度快，容量大，客户/服务器结构从上到下组态，具有友好的人机界面，能灵活、可靠地嫁接于旧系统之上。

3.1 点火流程

图3 自动点火系统程序流程

点火程序流程如图3所示。点火前首先检查油压、压缩空气压力和助燃风压是否正常，然后对沸腾炉进行全炉膛吹扫(本系统设定吹扫时间为60s)，吹扫完成后关闭吹扫阀；吹扫阀到位信号收到后进点火枪，点火枪到位后开启雾化阀，然后启动点火器；此时开启油角阀，点火器持续发火15s后退出点火器。通过火检装置检测点火是否成功，若点火失败，关闭油角阀，然后关闭雾化阀，最后开启吹扫阀对沸腾炉进行全炉膛吹扫，按照上述步骤重新点火。

点火成功后要通过控制助燃风量和轻柴油流量找到最优空燃比，精确、有效地控制炉膛温度。程序编写采用PCS7的编程组件梯形图、SCL及CFC等多种语言进行编写，清晰直观，简单可靠。通过编写空燃比自寻优程序(图4)，使空燃比自动达到最佳值，节约原料，减少空气污染。因此，控制空燃比到一个预定的理想范围对降低柴油排放量是非常重要的[4]。

3.2 联锁保护

联锁保护系统是工业过程控制系统中必须设计的安全保护程序，为了保证沸腾炉的安全运行，当工艺控制参数发生异常时应使沸腾炉停止运行[5]。本点火控制系统的联锁保护系统的信号主要包括：紧急停车、火检无火、压缩空气压力低/高、油压低/高、助燃风压力低及燃料丧失等，其中任何一个信号出现时就会发出联锁停车信号。模拟量联锁信号设置了联锁延时，防止这些变量的瞬间波动导致误停车。DCS联锁逻辑如图5所示，实际进行DCS组态时，每个联锁信号都增加了旁路软开关，使操作人员可以根据实际生产需求有选择地将联锁回路投入运行，设计更为人性化。联锁保护设计不仅可以提高整个控制系统的可靠性，保证生产的安全运行，还有利于防止设备本体受到意外事故的损坏，延长设备使用寿命。

图5 DCS联锁逻辑示意图

3.3 监控画面

本系统上位监控画面采用WinCC设计而成。WinCC组态软件提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档及报表打印等模块[6]。根据点火工艺流程，笔者设计了操作简单、更为人性化的人机界面(图6)：使用图形化操作方式的人机界面，能够显示工艺流程画面和动态运行参数，使查询更方便、灵活；监控中心可以通过历史曲线对数据进行分析，也可以自动生成、打印报表；点火过程中出现的故障均以声光形式报警，并分出报警等级，操作人员可以将报警记录打印，进行故障分析；设置了不同的管理权限，只有赋予权限的用户才能进行允许的操作。

图6 WinCC 监控界面

4 结束语

基于PCS7过程控制平台设计的沸腾炉自动点火控制系统操作简单、功能完善、可靠性高，点系统程序流程简单清晰，程序通过多种方法混合编写，稳定可靠，且联锁控制方案设计合理，完全可以克服手动点火的缺点，实现沸腾炉点火操作程序的简单、安全和可靠运行。经新疆奎屯铜冠冶化有限公司的投产使用，证明该系统具有广泛的实用价值。