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产品描述
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引言
催化裂化再生工艺有再生和不再生两种形式。对于不再生工艺，烟气中含有3％～10％的，其回收利用是节约能源保护环境的一项重要课题。对于再生工艺，由于热平衡及再生设备的限制，往往需要改造再生设施，设备投入比较大。此外，重油催化裂化进料中含有较高的贵重金属(如，铂、铑等)，生产运行中引起催化剂失效，助燃剂损失也较大。因此．催化裂化再生工艺常采用不再生工艺，配以后续装置气体。许多炼油厂设置余热锅炉，辅以瓦斯气助燃，回收C0高温再生烟气的物理显热和化学能，同时再生烟气中CO及其他有害气体对大气的污染。
目前，CO焚烧炉和余热锅炉控制系统采用国外进口模块化的集散控制系统(DCS)、顺序控制系统(SCS)，设备价格比较昂贵。另外。由于知识产权保护和技术沟通问题，设备一旦出现问题，现场技术人员无法及时判断、处理异常现象，再生烟气中CO及其他有害气体无法燃烧或爆燃，造成下游装置的余热锅炉炉管温，过热蒸汽品质降低等严重事故。针对以上情况研究和设计了一套立的基于PLC的焚烧自动控制系统，该设计简单易行，设备成本和维护费用较低，降低了对国外技术的依赖性，大幅度地提高了生产的性和性。
1、焚烧炉工艺概况
CO焚烧炉为圆筒形直立结构，其下部为燃料燃烧室，中下部为催化再生烟气与二次风混燃的混合室。催化再生烟气进入焚烧炉后与燃烧后的高温烟气充分混合，使催化再生烟气温度达到着火点(约850℃)，使CO在焚烧炉内绝热燃烧。焚烧后产生的高温烟气进入余热锅炉系统，用于产生3．82 MPa，450℃的中压过热蒸汽。
焚烧炉燃烧室部分采用环形进气、进风系统，进风管环形布设于燃烧室外侧，在燃烧室壁四周开设有均匀分布的若干进气／进风口，使燃气(燃油)从四周径向喷入燃烧室，在燃烧室内形成涡流，使燃料充分燃烧。混合室部分采用同样的设计理念，中下部的再生烟气经多个径向圆孔切向进入焚烧炉，二次风供给系统是沿烟气喷口周边进风，确保再生烟气与燃烧室出口的高温烟气充分强烈混合，使再生烟气在焚烧炉内绝热燃烧。
燃烧器采用油气联合燃烧器，油气管为套装结构，中间为油嘴，外套管为气嘴，油嘴为压力蒸汽雾化油，气嘴采用0．3～0．5 MPa高压瓦斯，可油、气单烧，也可油气混烧。本例以瓦斯气为主，若瓦斯量不足等异常情况发生时，补烧燃料油。
2 、焚烧炉控制系统组成
根据焚烧炉的燃烧工艺，确保装置的运作，并考虑节省投资，焚烧系统原则流程控制图如图1所示。
图1 焚烧系统原则流程控制图
2．1 控制机理
CO在适当的高温且氧气充足的环境下可燃烧并分解为无害气体，而在较低的温度或氧气不足的条件下，则可能无法分解。因此，利用焚烧炉的温度及氧气是控制的关键。CO焚烧炉先利用燃烧器将燃烧室炉膛温度升高，同时用风机使燃烧室炉膛内氧气充足，然后由PLC根据热电偶等温控设备所检测到的温度范围值，按预定程序启动燃气或燃油控制单元，将瓦斯气或燃油送入燃烧室充分燃烧，燃烧室出来的高温烟气与催化裂化再生烟气充分混合，引起CO烟气起燃和燃烧。在CO燃烧过程中会释放出热能，可令混合室温度进一步上升，此时PLC又可控制燃烧器火焰喷嘴的开关进行温度调控，令混合室温度处在配以风机单元提供的二次风一个适当的范围内，既混合室的又保证再生烟气中的CO等有害气体充分燃烧。
2．2 监控对象
(1)焚烧炉本体：包括燃烧室和混合室。工艺中的控制关键点是焚烧炉的温度，包括燃烧室温度、混合室温度、焚烧炉出口温度等。
(2)燃烧器单元：燃烧器单元包括燃烧器本体、点火装置和火焰监测装置。燃烧器本体采用扩散式结构，并配以旋流稳燃器以增强燃烧效果。本燃烧器一共设有六个喷嘴，呈环状排列，可根据工艺要求开启任何一个或多个。点火装置采用伸缩式直接点火方式，选用带信号反馈的高能点火装置，由伸缩式点、点火器和阀组等组成。火焰检测装置是由紫外光进行检测的火焰监视器、信号处理器、控制组件和冷却阀组等构成，用于监测燃烧器火焰。
(3)燃料控制系统：分燃气控制单元和燃油控制单元。燃气控制单元包括自力式调压阀、电动快关阀、电磁放散阀、低压蒸扫电磁阀、燃气气动调节阀、阻火器和燃气高、低压力开关等仪器仪表；燃油控制单元包括自力式调压阀、电磁快关阀、低压蒸扫电磁阀、燃油气动调节阀、阻火器和燃油高、低压力开关等设备。阀门仪器仪表均采用防爆型以确保。PLC根据焚烧炉燃烧室和混合室的温度调节燃气调节阀开度和燃油阀组，以调整燃烧器的燃料量和二次供风量，终修正混合室的温度。
(4)一次和二次助燃风单元：由鼓风机、电动风门、空气过滤器及风管道等组成，为燃烧器提供适宜的助燃风和火焰检测器等设备冷却吹扫，同时为PLC提供连锁信号。
(5)保护单元由燃料高低压报警开关，停机吹扫阀组、泄漏检测组件和上位机DCS紧急控制组件等。
(6)操作控制柜用于现场点火、运行和停机操作，火检处理器、现场显示报警，风机自动控制系统及与上位机DCS与现场仪表转接等。
2．3 控制系统
选用SIMATIC S7-300 PLC作为控制设备，是因为其具有性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、维修方便等特点。向上和上位机DCS通讯，接受上位机的命令，并将燃烧系统的工况如实传送给上位机。向下接受各种模拟量、数字量和开关量信号，同时，控制燃烧器单元、燃料控制系统、一次、二次供风单元和各种现场设备等。为实现燃烧系统的自动控制功能，专门设计控制系统的软硬件部分。其硬件包括仪表、可控阀组、点火装置、火焰监视组件、风机控制组件、保护装置和控制柜内的隔离单元，以及PLC控制。现场各种检测装置将监测信号通过输入输出隔离单元将信号送入PLC控制，进行逻辑运算和相应的控制调节等。
PLC可同时接受燃烧现场操作人员和上位机DCS的操作指令，对燃烧系统的运行过程进行监控。为燃烧系统的和维护改造，PLC采用冗余配置。燃烧控制系统作为整个余热锅炉自动控制的一个相对立的子系统，完成自身功能的同时可受控于余热锅炉DCS控制。控制系统采用SIEMENS Step 7 V5．2软件平台设计完成控制程序。PLC系统控制程序能完成对相应硬件设备控制的同时，自动进行连锁检查，确认设备当动及运行过程的条件，并自动进行自锁并保护。
3 、焚烧炉控制系统设计
3．1 燃烧过程及其控制
当本体设备工况和上下游工艺需启动焚烧炉，其燃烧过程框图如图2所示。当控制系统启动，由风机吹扫炉膛，目的是将炉膛内原有的气体吹扫干净，以防止炉内残留可燃气体，点火时引起爆燃损坏燃烧室，同时为燃烧室足够的氧气。
图2 燃烧过程框图
根据本次工艺要求，为确保再生烟气中的CO能焚烧。控制系统设定的燃烧室温度为1 000℃，混合室设定的温度为850℃。根据燃烧瓦斯量及其组分确定出其燃烧所需的理论一次通风量，保证助燃的瓦斯能在燃烧室内充分燃烧；二次风量应在一次风调整到位的基础上，根据燃烧室温度等参数再进行调整，以确保CO在高温下燃烧。在运行中，要通过总风量的调节，以及一次风和二次风的合理分配来组织合理的炉风空气动力工况和燃烧工况。在燃烧室温度1 000℃，须点燃多个喷嘴或开启燃油系统，加速升温；当炉温达1 100℃时，为了炉膛的及节省能源，可关闭部分喷嘴或燃油系统，此时维持燃烧室温度。
3．2 功能实现
为满足CO焚烧炉的经济运行和生产，焚烧控制系统不仅具有备程序控制、负荷自动调节和保护等功能，各状态指示、报警及控制均可在PLC上自动实现。为此设计若干子程序分别实现自动点火、管道自动吹扫、泄漏检测、自动灭火和燃料等功能。
(1)自动点火：点火过程全部实现自动化，操作人员在点火条件具备工况下点击启动点火按钮或在PLC监控屏幕下启动点火按钮，点火子程序启用，对应设备完成相应的动作。开始风机运行，吹扫电磁阀BW1、电动阀l和2打开，吹扫管道5min后，电动阀1和2关闭，引燃电磁阀GVl和GV2打开，点火装置BE持续点火5s火焰建立，燃气电动阀1和2打开，5s后引燃电磁阀GV1和GV2关闭，调节阀TY1调火，后火焰监视器UV监视燃烧。若无火检信号，则立即关闭所有燃气阀，同时发出“点火失败”报警。
(2)管道自动吹扫：在点火启动前、点火失败后、停机后或运行过程中，都需要对燃烧室及燃料气管道及阀组进行吹扫，以有效地炉膛、管阀和烟道中可能*的可燃气体，以防发生事故。
(3)泄漏检测：燃料气管道联接和电动快关阀及放散阀是否泄漏，关系到燃烧站设备和操作人员的。在燃烧站冷启动前，燃烧室、管道和阀组吹扫后，进行泄漏检测。该子程序分为调节阀TY1泄漏子程序、电动阀BV1泄漏子程序、电动阀BV2泄漏子程序、电磁阀GW1泄漏子程序等。
(4)自动灭火：当燃料信号或上位机DCS发出停炉等信号时，焚烧炉自动灭火进入备起状态或停炉状态，同时在PLC控制柜上声光报警并指示停炉原因如下：风机故障、燃料气高低压报警、火焰监视器无火焰信号、控制阀故障等。
4 、结语
该设计方案经东北某石油化工公司应用证明，基于PLC的焚烧炉控制系统能满足的焚烧的技术指标，能在恶劣的现场环境下长时间稳定运行。经**验收，该焚烧炉所排放的尾气符合国家的排放标准。控制系统故障率低，，充分显示了其适应性强，性高的特点，对于中小型的燃烧控制系统应用有一定的推广。
随着技术的进步，由可编程序控制器（简称PLC）组成的自动控制系统在很多行业和领域都得到了广泛的应用，在食品包装机械及制冷空调行业也不例外。PLC和工业人机界面（HMI）被大量地用于包装机及冷水机组上，例如在吸收式冷水机组上，OMRON的C200Hα、CSl、CJl系列PLC就以其优异的性能（运算功能、网络通讯功能、开放的容易使用的通讯协议等）获得了企业和用户的赞同而得到了广泛的使用。它的网络功能让企业能在自己的服务足不出户就可以监视在各地的用户所使用的机组的运行全部状态和数据，帮助客户解决运行中碰到的问题，提醒客户维护和保养机器，以及帮客户重新恢复机组的控制程序和设定机组运行参数等等。这大大提高了服务的质量和效率，也为企业节省了大量的开支。但是由于成本的原因，这些系列的PLC无法在其他冷水机组如风冷冷水机组、水冷螺杆机、活塞机等产品上应用，为此OMRON推出了另一款机型CPM2AH，这种机型体积小，扩充能力强，性能价格比高，非常适合在食品包装机械及水冷和风冷冷水机组中使用。以下以冷水机组控制为例进行进一步说明。
1 控制系统的配置方案
CPM2AH系列PLC是一款在小机壳内汇聚了的功能和优异的表现的产品。其基本单元有20、30、40、60点四种，包含了数字量输入和高速脉冲输入、继电器输出功能，根据系统开发的需要，可以增加扩展模块，扩展的模块包括开关量输入输出模块，Pt100温度输入模块（TS101／TS102），电流电压输入模块（AD041）和模拟量输出模块（DA041）。在通讯功能上可以：
（1）通过Host bbbb连接到计算机系统；
（2）通过1∶1 bbbb与OMRON其他系列的PLC进行通讯；
（3）通过Compobus／S和Device Net进行远程模块扩展，从而实现集散型控制。
这些功能可以很好地满足机组的控制要求。满足水冷和风冷冷水机组配置要求的控制系统构成见下表：
表1 各类冷水机组所需要的系统配置
上述配置表为一般通用型配置，其冷机组中，由于涉及到压力测量，所以模拟量输入采用电流／电压型输入模块；对于水冷冷水机组，一般考虑2路温度输入，如果需要增加温度测点，可以将TS101模块换成TS102模块，这样可以将温度输入点增加到4路。每套PLC的CPU单元上有两个通讯接口，一个供与触摸屏进行连接，另外一个可以连接到远程计算机实现远程监控。
由于OMRON的PLC产品通用性很强，很多公司的触摸屏都可以和它通讯连接，因此可以根据价格、功能和技术特点来选择相应的触摸屏产品与PLC配套使用。
对于其他有特殊要求，或设计中需要增加模拟量和数字量的情况，还可以酌情增加其他相应的扩充模块以满足要求。
2 控制系统功能
控制系统的功能包括：设备运转控制，运行参数监视，能量自动调节，故障报警记录和系统参数设定等功能：
（1）设备运转控制 可以以三种形式启动机组，本地启动、远程信号启动、定时启动，具体为：1）在远程信号和定时信号都屏蔽的情况下以本地方式启停2）在定时屏蔽、远程信号允许的情况下以远程方式自停3）定时允许的情况下以定时方式启停。在系统无全局故障情况下，以任何一种方式启动后，辅机设备先开启，然后开启主机。当机组中有多台压缩机时，控制系统将根据压缩机运转的时间来确定开启的压缩机编号，以使得机组中各台压缩机保持相对平均的运行时间。
停机也有三种开工，与机组的启动方式相对应。停机时，先将压缩机卸载，然后停止运行。但无论在何种启动的模式下，本地停机均拥有的操作权。
（2）运行参数监视 控制系统可以监视机组运行过程中的运行参数和设备运行状态，显示各重要参数的变化趋势曲线。如冷水出口温度、压缩机的负载情况等：
（3）能量自动调节在机组辅机运转正常，主机启动完成后即进入能量调节过程。可以通过选择冷水入口温度控制或冷水出口温度控制来决定机组是根据入口温度还是出口温度来实现控制。
在入口温度控制或出口温度控制下，比较实际温度和没定温度值，决定机组的上下载。实际温变值大于设定温度值时，机组上载；小于设定温变值时，机组下载。可以根据两者间的温差值来决定上下载的周期长短，温差大则上载或下载，温差小则上载或下载周期相应增长，温差在0.5℃之间可以停止上下载。
（4）故障报警记录 控制系统可以对下列情况进行报警和记录。如果是风冷冷水机组控制系统，则没有冷却水和冷却塔风机的相应报警功能，但会增加融霜和制热运行的故障报警。
冷水泵故障：冷水泵启动，经过延时时间后，如冷水泵连锁信号仍未到，冷水泵故障报警。
断流故障：冷水泵或冷却水泵都启动后，水流延时时间到后，水流开关信号未到，水断流报警。
防冻开关：防冻延时时间到，防冻开关信号未到，防冻报警。
冷水低温报警：延时时间后，如冷水出口温度小于3℃，冷水低温报警。
外部连锁故障：延时时间后，用户外部连锁未到，外部连锁故障。
压缩机过载：延时时间后，热保信号未到，压机热过载报警。
高压报警：延时时间后，高压保护未到，压机高压报警。
低压报警：延时时间后，低压保护未到，压机低压报警。
油压报警：延时时间后，油压保护未到，压机油压报警。
传感器故障：延时时间后，如传感器显示温度值大于200℃．传感器故障报警。
冷却水泵故障：冷却水泵启动，延时时间后，冷却水泵连锁未到冷却水泵故障报警。
冷却塔风机过流：风机启动，延时时间后，过流保护信号未到，风机过流报警。有任何一故障发生，开关量故障输出，系统声光报警。故障排除后，需手动复位。
（5）系统参数设定控制系统可以对下列参数进行设定：
温度修正值，修正传感器采集的实际温度值，默认下修正值为0；
水流开关延时时间（默认为3秒，小为0.5秒）；
低压延时时间（默认为5秒，小0.5秒）；
油压延时时间（默认为50秒，小0.5秒）；
关机延时时间（默认为120秒）；
压缩机少运行时间（默认为120秒）；
允许压缩机启动的停机延时时间（默认为480秒，小为300秒）；
冷却塔风机开温度（默认为28℃，小25℃，大30℃）；
冷却塔风机关温度（默认为23℃，小20℃，大25℃）；
冷水入口温度（默认为12℃，小为10℃）；
冷水出口温度（默认为7℃，小为5℃）。
对风冷热泵机组还有强制除霜运行时间，除霜起始条件和结束条件，制热运行参数等。
此外系统还可以修改控制器内置时钟，从而有效地通过定时功能实现控制，可以通过设定开关机时间，自动定时开启和关闭机组。可以通
过分别设定一周每天的开关机时间，经过与内置的时钟比较自动运行机组。
3 技术特点
OMRON小型CPM2AH系列PLC具有优异的性能价格比，所组成的控制系统具有如下技术特点：
（1）稳定的性能CPM2AH系列PLC外型小巧结构紧凑，OMRON公司长期积累的生产控制经验和严格的技术标准保证了其稳定的性能，即使在恶劣的工业环境下仍然能正常运行。经过高低温的考验，使得该PLC可以适用在特殊的场合。
（2）模拟量功能CPM2AH使用的TS101／TS102温度控制模块，直接连接PT100温度传感器，提升温度测量的精度和性。
（3）通讯功能增强CPM2AH提供内置的RS232C端口和RS422端口。OMRON开放的通讯协议可以方便的实现上位机远程监控功能，用户可以随心所欲自己定制开发通讯监控系统。
（4）高速的程序执行速度快的程序指令执行速度，使得控制过程无误。
（5）很强的扩充能力 模拟量可以增加到12路；系统支持Device Net协议，具有强大的扩充能力，通过远程端子，可以扩充到256点，方便组成集散控制系统。
4 计算机监控
CPM2AH系统可以提供RS232和RS422通讯接口，用户计算机可以根据实际情况直接与PLC相联，构筑自己的计算机监控系统，也可以通过调制解调器实现远程监控。在通讯协议上，OMRON的PLC产品采用统一开放的通讯协议，便于用户开发自己的软件。通讯协议主要有运行状态控制，存储区读写等功能。
一、69盾构机的结构
盾构机全长约60m，主体长约8.1m，S355J2G3钢架，盾壳外径6.19m，长7.550m， 主体部分主要有盘、拼装机、螺旋输送机；后配套有6台台车组成，分别装有传输带、工作电机及泵、变压器、配电柜、浆罐、气罐、空压机；这两大部分分别组成了盘驱动系统、推进系统、拼装系统、出土系统、注浆系统、泡沫系统；另外还有盾尾密封系统、润滑系统、挖系统、齿轮油系统、工业水系统、冷却系统。
二、69盾构机控制系统的要求
盾构机的主要动力是液压驱动，如盘驱动、螺旋输送机驱动、推进系统、拼装系统等；辅以电驱动，如泡沫和膨润土的变频电机等；在施工过程中，油冷却系统是所有含液压工作系统的前提条件，其中盘系统的驱动又增加了水冷却系统；为了保及改善隧道的施工环境，又添加了瓦斯检测系统和隧道通风系统；除了拼装系统和挖系统在各自的拼装和挖模式下运行，推进中的盾构机要同时运行其他所有的系统。
系统中由于需要很多监测的变量和大量的执行机构元件，则包含了大量的流量传感器、行程传感器、温度传感器、压力传感器和少量变频器、电动机以及大量的比例溢流阀、节流阀、比例调节阀等， 由于构成的系统庞大，该系统中需要很多的输入输出点，模拟量信号类型有4-20ma、1-10vDC、热电阻等，为满足施工工艺的要求，选用功能大的PLC产品作为控制系统，要求具有快速性、稳定性；无风扇运行与集中/分布式信号模板的热插拔性；为的组态与基于本产品和图形工程工具的语言相结合；所有项目数据、程序原代码和用户数据存储在CPU中；可以满足自动化过程中的供电中断和故障保护等特殊要求。
组态软件为了能好地与硬件兼容，要求选用相应PLC的组态软件作为监控平台，并能对一些涉及生命和设备的重要参数以多种形式报警，并具备自锁控制；在施工生产过程中能将生产工艺过程动态显示出来，包括设备图形、数字量及模拟量；为了对历史工艺进行分析和记录及故障报警信息，须对历史数据进行记录，间隔时间可依据工艺需要而定；可以按照管理自动生成便于修改的各类报表；能将工艺参数以数字表、模拟表盘、棒图、游标等形式显示，刷新频率可调整；能以一定的时间间隔将重要参数的工艺曲线以趋势图形显示出来，相关的参数可以放在同一画面上；可以对操作记录、报警记录和各种生产报表以汉字形式进行生成和打印。
三、 69盾构机控制系统方案
该控制系统包括三个层次：过程控制级、过程管理级、生产管理级。过程控制级通过控制单元传感器和控制部件监控生产过程，同时接受操作信息，并向上层传递实时数据。过程控制级的所有信息将在过程管理机的操作站和工程师被监控，可完成如下功能：显示、记录、数据加工、报表输出、配置控制回路和修改参数等。生产管理级是企业的生产管理信息系统，通过MPI网用RS485线传输与过程管理级建立联系，监视施工过程中的相关数据和集成系统历史数据，向下层发布生产指令。
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