高 玮,张路宁，贺 佳

(1.沈阳德丰自动化系统有限公司，辽宁 沈阳 110032;2沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

热媒炉自动控制系统的改进方法及应用

高 玮1,张路宁2，贺 佳2

(1.沈阳德丰自动化系统有限公司，辽宁 沈阳 110032;2沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

热媒炉是给原油加热的设备，在东北输油管道中起着重要作用。 针对原有的控制系统不足，采用基于美国A-B公司的ControlLogix系统的控制方案，结合热媒炉工作原理，将启停点火逻辑控制、自动燃烧回路控制、RTU远程通信整合到一个系统内。结果表明，达到了优化燃烧节能的设计效果。

热媒炉；滞后控制；温度调节；参数模拟

在原油输送过程中为避免原油凝结和压头衰减，一般都在一定距离建立输油中继站，除了要保持原油的一定压力外，还要维持原油温度在一定的范围内，过低则凝结，过高则容易产生汽化，对油泵产生汽蚀现象，严重威胁油泵的正常运行。热媒炉的主要作用就是通过燃油的火焰对流加热，带动换热介质-热媒的温度，经过热媒换热器的作用提高原油出口温度，保证原油的正常传输。

热媒炉的结构复杂，包括点火、燃油、鼓风、热媒换热和原油换热等系统。系统中模拟仪表、执行器、变送器及控制元件多，以热媒温度和原油温度作为最终的控制目标，具有多个控制回路、多因素相互耦合的特点，是多变量、非线性、典型的滞后控制系统[1-6]。

我国自20世纪80年代后期通过引进、自行制造逐步在石油、化工领域使用热媒炉[7-9]。其控制系统发展经历3个阶段，即人工手动控制、多回路控制器自动控制、网络化自动控制。随着自动控制设备及控制方法的不断进步，对已有热媒炉控制系统实施新的技术改造成为必然。为此，针对某客户旧有热媒炉的系统控制水平偏低、原油输送压力及温度波动较大、热媒炉总体效率低下等问题进行全面技术改造。

1 控制结构和方案

本设备原有的控制系统采用混合控制系统，逻辑控制采用MODICON小型PLC，过程控制采用美国 POWELL公司MICON S-32双回路控制器 ，经过近多年运行、维护，备件消耗殆尽，且相关公司经过重组已很难获得支持，因而控制系统故障频出。S-32双回路控制器需要专用编程器，不但编程繁琐，且人机界面不好，维护十分困难。因此，在热媒炉改造中采用美国A-B公司的ControlLogix集成架构，该平台系统将PLC和小型DCS控制融合在一起，集成顺序、过程、传动控制功能，支持梯形图、功能块、结构化文本、顺序功能图通用编程语言，具有强大的网络功能，适合小型PLC和DCS 混合控制系统，可保证高精度复杂过程控制[10-11]。人机界面HMI采用触摸屏Panelview1000，其系统框图如图1所示。

图1 热媒炉控制系统框图

控制节点之间网络结构采用基于Producer/Consumer模式的开放式网络-ControlNet网(控制网)，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务、5M bit/sec的通讯速率、10ms的网络刷新时间(NUT)，对于离散和连续控制的应用均具有确定性和可重复性，足以满足大多数的实时控制和过程控制。控制程序通过编程软件RSLogix5000实现，采用梯形图和功能块指令编写逻辑控制和过程回路控制，其程序设计采用结构化以及类似面向对象的编程方式，利用别名标签(Alias Tag)方便程序的预先编写和移植，可将程序做成标准程序，然后再指定对应的I/O地址即可[12]。

同时外接通讯模块采用Modbus RTU方式，方便与中控室进行数据采集和信息交换。CPU2#与ML1500第一个串口之间采用DF1通信协议，通过MSG通信指令将数据写入ML1500的数据区内(定义好的N9文件)。ML1500的第二个串口支持ModbusTMRTU Slave模式，在串口通讯配置里定义好Modbus起始寄存器地址30001，它对应ML1500内部N9:0数据文件，不需要编程。

通信参数：

波特率：19200；校验：无；节点地址：1；Control Line ：No handshaking。

通信地址：

Modbus 输入寄存器地址：30001～300060；

ML1500对应数据文件地址：[ N9:0～N9:59]各值均为整数。

30001：热媒入炉温度 (℃)；30002：热媒出炉温度(℃)；30003：原油出换温度(℃)；

30004：燃料油温度(℃)；30005：烟气出炉温度(℃)；30006：排烟温度(℃) ；

30007：炉膛温度(℃) ；30008：热媒流量(kL/h)；30009：燃料油流量(L/h)；

30010：烟气含氧量 (%)；30011；助燃风量(kL/h)。

2 程序结构

热媒炉控制系统由启停炉控制保护系统、燃料油系统、助燃风系统、烟气含氧量调节系统、原油换热系统、热媒温控系统、吹灰除尘系统等组成,包含多个工艺流程[2]。

2.1 启停炉程序

热媒炉的工况比较复杂，相互关联、互锁的条件比较多，原有热媒炉采用MICON S-32模拟回路控制器的启停炉工艺过程比较繁琐，并且随着新型仪表、控制器和变送器功能的增加，一些控制回路已无必要。经过简化后，热媒炉的启停炉的控制程序框图如图2所示。

图2 启停炉控制程序框图

2.2 热媒温度调节程序

主要控制回路有烟气含氧量调节回路、热媒温度控制回路、原油温度控制回路，回路之间相互作用。

热媒炉系统属于大滞后系统，热量经过热媒换热器和原油换热器两个环节作用于原油出口换热温度，滞后效果非常明显，所以可把热媒温度调节系统和原油调节系统作为两个相对独立的控制系统来处理。热媒温度调节系统的控制原理如图3所示。

由图3可知，热媒温度发生变化时，由于控制器作用，燃油调节阀输出变化，同时燃油流量发生变化，随后助燃风风阀输出变动，最后随着热媒的热交换平衡达到平衡工作曲线中一对应点。这是最简单的一种情况，实际上影响这一曲线的因素很多，包括燃油压力、雾化风压力、燃烧火嘴孔径尺寸变化等[13]。因此，在热媒炉实际运行中，确立助燃风与燃油的对应曲线十分重要的。

图3 热媒温度调节系统

2.3 风油拟合曲线

图4为经过参数拟和后的曲线，运行时根据燃油值，按照拟和曲线进行线性插值，求得对应的助燃风值进行控制。测量数据通过热媒炉实际运行逐点实测，每组测量点均调整风阀和油阀，并观察烟气含氧量，达到稳定运行状态时，记录实际阀门开度和流量。烟气含氧量作为扰动参与热媒温度调节回路的控制中，其本身并不直接参与控制。烟气含氧量调节回路属于定值调节系统，通过偏差控制其输出量，而助燃风风量与燃油流量则属于随动系统，它们之间通过风油拟合曲线实现最佳控制比。ControlLogix的内部功能块FGEN(如图5所示)支持参数拟和曲线和线性插值，根据以往运行经验数值确定参数点后(每台热媒炉工况不同，测量仪表和执行器的校准也不同，因此数值也各不同)，在HMI上有单独的设置画面，如有变化可随时调整，如图6所示。

图4 助燃风阀开度与燃油量的对应曲线

图5 ControlLogix内部功能块FGEN

图6 HMI参数设置画面

2.4 回路控制器设计

热媒控制器的设计采取常规的PI控制即可，其实际参数可根据炉子实际运行状况进行调试，同时可利用ControlLogix的PID指令选择死区PID调节和积分分离PID调节，设置死区范围和控制变量CV上下限幅值[14]。前者可避免助燃风阀的频繁抖动，后者可避免助燃风阀长时间处于积分饱和状态；当CV达到上下限幅值时，积分项将停止累积，同时亦可调整模拟量模块配置中输入滤波参数和斜坡输出参数，前者可去除环境噪音的影响，提高输入数据的准确性，后者可使输出以适当斜率达到要求值，系统不会受到大的冲击，可平稳变化。在手动切换到自动控制时，PID指令将对跟踪值按积分项做积分运算，直到逼近按偏差运算产生的控制变量，从而完成平滑过渡。在自动转换到手动控制时，PID指令会从自动控制PID运算最后输出开始跟踪输出的变化，作为手动输出。这种手动/自动控制的无扰动切换对热媒炉的稳定运行非常重要，在HMI的画面中可以用柱状图直观清晰显示自动/手动输出状态，且可自由无扰动切换，如图7所示。

图7 HMI主控画面

原油温度调节系统相对简单，它与热媒温度调节系统通过热负荷的变化联系在一起，其输出控制量主要控制热媒三通阀的开度，根据原油的温度变化调整流经原油换热器的热媒流量。其控制原理如图8所示。

图8 原油温度调节系统

原油温度控制器的设计与热媒温度控制器的设计类似。

3 结束语

热媒炉控制系统根据炉子的特点和运行要求，调整热媒温度的给定值和原油出换温度的给定值，当有偏差时，原油温度调节系统最先启动，然后热媒温度调节系统动作，其中要加上烟气含氧量修正值。整个系统搭建在ControlNet网络上，多台炉子可协调工作，操作界面PanelView1000可同时监控几台炉子的运行情况，保证运行的可靠、安全和平稳，满足长周期安全生产的要求。

热媒炉的改造实践说明，ControlLogix系统可完全替代小型DCS混合控制系统的控制且具有强大的通讯功能。

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ImprovementofHeatMediumFurnacesAutomaticControlSystem

GAO Wei1,ZHANG Luning2，HE Jia2

(1.Shenyang T-FINE Automation Company，Shenyang 110032，China；2.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Thermal medium heating furnaces are important equipments used to heat crude oil transported by pipe lines in the northeast of China.Based on the working principle of the furnace and the control method of ControlLogix system developed by A-B company of United States,the logic control of start and stop of ignition,the automatic loop control of combustion,and the RTU remote communication are integrated into a control system to improve the functions of the heating control system.The optimized combustion and energy saving results are achieved by the proposed control system.

heat medium furnaces;hysteresis control;temperature regulation;parameter simulation

2013-01-18

高玮(1976—)，男，工程师，研究方向：热能控制;通讯作者：张路宁(1957—)男，副教授，研究方向：热能工程.

1003-1251(2014)04-0057-05

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赵丽琴)