塑料裂解炉控制系统设计

39塑料裂解炉控制系统设计1概述1.1 废塑料的回收利用目前，塑料废物的回收再利用受到不同种类的塑料不能混合在一起的限制，再循环塑料的质量也可能较差。而新技术的整个过程非常简单，把塑料碎片扔进一个熔炉，加热，就可以把塑料转化成直径几微米的纯碳球，而这些微型碳球可传导热和电而且从轮胎到电池再到润滑剂，它可能应用广泛。只要在炉内充满惰性气体而不是空气，塑料中的氢元素还会变成氢气，之后把氢气收集起来用作氢燃料。在高度发展的今天，人类的使用材料，由最开始的青铜时代到铁器时代，一直延伸到现在，使用材料一直不断的变化着。但是各种材料的变化，使用程度，推广程度，都与这个时代的命脉息息相关。而在现在这个时代，随着现代化的加剧，进一步加深工业化，自动化的过程，已经由金属材料逐渐由其他的材料代替，其他的材料的比重不断增加。经过几十年的发展，注塑工业的发展十分迅速，各种类型的注塑机都与之产生，以便满足不同的要求，不同的生产工艺。顾名思义，塑料是一类具有可塑性的合成高分子材料。它与合成橡胶、合成纤维形成了当今日常生活不可缺少的三大合成材料。具体地说，塑料是以天然或合成树脂为主要成分，加入各种添加剂，在一定温度和压力等条件下可以塑制成一定形状，在常温下保持形状不变的材料。 说道塑料的应用前景，就不得不谈塑料的组成。单纯的树脂，如聚乙烯、聚苯乙烯等，称为单一组分塑料。有些塑料除了合成树脂之外，还含有其他辅助材料，如增塑剂、稳定剂、着色剂、各种填料等，称为多组分塑料。 合成树脂是指以煤、电石、石油、天然气以及一些农副产品为主要原料，先制得具有一定合成条件的单体)，进而通过化学、物理等方法合成的高分子。这类化合物的特性类似天然树脂(如松香、琥珀、虫胶等)，但性能又比天然树脂更加优越。 随着中国塑料工业的发展，近几年来中国塑料机械工业的年增长率都在30%左右，利润率增长也远高于工业总产值的增长，是中国机械行业中增长最快的产业之一。目前中国生产的塑料加工机械已可以满足国内的基本需要，但与世界先进水平相比，中国塑料加工机械在质量稳定性、自动化程度等方面还有一定差距。据不完全统计，2002年中国塑机业产值大约为100亿元左右，而同期国内巿场需求大约在200亿元，还有很大的巿场空间。注塑机：注塑机是中国产量和应用量最大的塑机品种，也是中国塑机出口的主力。上个世纪五十年代后期，中国生产出了第一台注塑机，不过由于当时设备的技术含量较低，只能用通用塑料来生产技术要求较低的日用品，如塑料盒、塑料桶、塑料盆等。 1.2塑料裂解的发展前景2011年我国国内废塑料回收量已高达1500万吨，进口废塑料也达到900万吨。废塑料行业规模较大，但大中型废塑料回收再生企业数量仍不多，从事塑料回收再生加工的多以小企业为主，目前至少有2万多家，大多分布在城乡结合处及周边。从各地政府今年的动作来看，吴凌云认为未来废塑料行业的发展趋势将是：由低质量、高能耗向高质量、低能耗、多品种、精细分类、高技术的方向发展，再生塑料回收再利用加工交易市场将逐步走向规范经营，提高产业聚集度，进行规模化发展。技术创新能力的提升将推动通用塑料制造业的发展，科技创新和制度管理创新将大大激发市场活力；国有股份制改造，民营经济崛起，通过新的资本运行和资源配置的调整将形成企业发展的动力；内需对塑料经济增长的作用在加大，为中国通用塑料发展新增了市场空间；国家关于农业发展的决定，加强城市化进程、振兴东北老工业基地、开发西部地区等战略，促使塑料工业将随着整个工业的战略转移，未来逐步由两个三角洲地区向中部地区发展，同时实现区域性战略转变；随着社会主义新农村建设、城市化进程的加快，中国城市化率的提高，对塑料管道、异型材、人造革、合成革等一系列塑料制品的快速需求增长的拉动作用，推动通用塑料的大发展。 2011年国内塑料市场供需基本平衡，市场在基本需求的情况下，宏观经济面对市场的影响就显得更为重要。2011年也将是全球经济形势比较复杂、不确定因素较多、变数也较多的一年，国内的通用塑料市场价格振荡幅度可能超过2010年，市场的底部会随原油的上涨逐步提。 总而言之，中国通用塑料前景在国家宏观经济政策强力推动下，发展势头看好。通用塑料工业发展重点是在促进发展方式转变上下功夫，真正把保持通用塑料平稳较快发展和加快发展方式转变有机统一起来；要推进企业节能减排，要增强品牌企业实力，提高产业集中度；要增强自主创新能力，推进关键技术创新与产业化发展；要加快实施技术改造，提高通用塑料工业总体科技水平。裂解炉产品技术工艺师指裂解炉产品的加工制造方法。包括从原料投入到产品包装全过程的原料配方、工艺路线、工艺流程、工艺流程图、工艺步骤、工艺指标、操作要点、工艺控制等。它不包括该裂解炉产品的设备技术和安装技术。1.3本课题的目的和意义塑料裂解炉是一种废塑料再生利用成套技术中的关键设备，用与废塑料热裂解工艺的规模化生产。本课题的任务是研究一种滚筒式塑料热裂解炉，重点完成裂解炉的控制系统设计。裂解炉控制系统的设计不仅需要一定的塑料热裂解工艺的知识，更重要的是需综合运用机械、传感检测、电气及自动控制、计算机等技术。通过本课题的训练，可以培养学生综合运用所学知识解决工程问题的能力，理论联系实际的工作作风，为今后从事实际工作奠定坚实的基础。1.4本课题的主要任务根据裂解炉的工艺要求，拟定电气系统的总体设计方案，基本要求：实时检测物料和炉体的温度、裂解炉内部的压力以及物料的高度；根据裂解工艺对温度控制的要求（500-500摄氏度），对裂解炉的各部分的输送螺旋进行自动控制；实时显示有关工作参数；具有完善的安全保护和报警措施。根据电气系统的总体方案，完成系统硬件选型计算，控制柜设计：各种传感器的选择、变频器的选型、控制器选择，绘制控制柜电气原理图。在上述工作的基础上，完成控制程序设计：温度、压力以及料位检测开关量的信号采集和处理；裂解温度控制算法及程序设计；控制系统其他控制程序的设计。编写设计说明书，整理全套电气原理图、控制程序流程图，要求说明书和设计图表达正确、工作量达到要求。2裂解炉系统总控制方案2.1塑料裂解炉的原理塑料裂解炉的原理涉及一种将废弃塑料裂解成柴油和汽油的裂解装置。主要是为解决现有的废塑料裂解炉生产不能连续进行，生产效率低，使用寿命短的问题而设计的。它包括炉体、炉膛、裂解气体出口、经冷凝器、储油罐、可燃气出口、水分罐；炉体卧式放置，炉体前端有进料口，进料口上方有投料漏斗，进料口内有推料活塞，推料活塞外端与杠杆连接，杠杆与减速机动力输出轴上的摇臂连接，减速机有皮带与电机连接，炉体后端有渣箱，炉体内有绞龙，绞龙轴外端有链轮通过链条与减速机连接，该减速机有皮带与电机连接。优点是生产能连续进行，使用寿命长。在垃圾场使用该设备处理不可降解的废塑料，使可降解的有机垃圾可用作农田肥料。在工厂里热裂解技术生产乙烯。烃和蒸汽混合物在裂解炉中进行热裂解，形成富含乙烯和其它烯烃的复杂混合物，也生产出粗裂解汽油和燃料油。其它副产品包括丙烯和混合碳四，丙烯和混合碳四象乙烯一样是很有价值的化工原料。废旧塑料裂解所使用的反应器主要有挤出式、搅拌式和流化床等3种。裂解机理：由饱和或氢含量高的烃原料生成乙烯、丙烯等有用的烯烃的一次裂解反应，基本上取决于反应温度和时间，起决定作用的是较高的反应温度或炉管出口温度。二次反应包括一次反应的产品，因为它们由分子化合而成，它们受反应中分子间距离的影响，换句话说，受烃分压的影响。对于裂解系统，我们把烃和稀释蒸汽混合气体的压力称总压(即表现压力)，烃分压是混合物中烃的压力。高烃分压降低乙烯选择性，所以对于给定原料，降低稀释比(稀释蒸汽/烃)或增加炉出口压力，降低乙烯收率。由于丙烯经一次反应裂解，生成乙烯和甲烷，所以丙烯不受这种方式影响，因此，通过改变稀释蒸汽比和压力来改变丙烯/乙烯比是可能的， 但实际上，这些变量象烃进料流量那样保持不变。所以，产品收率分布的控制主要是通过改变COT或炉出口温度实现。2.2塑料裂解炉的工作流程塑料裂解炉的工作流程:先将不用的废旧塑料清洗、破碎，然后通过进料段放入裂解炉内进行热裂解。最后将裂解气和碳渣从出渣段排出。排出的碳渣可以加工成工业原料，也可以通过化学脱色，精馏最后加工成汽油、柴油和煤油等。图2-1 废旧塑料热裂解处理基本工艺流程2.3塑料裂解炉结构分析2.3.1主炉体的结构分析塑料裂解炉主炉体的结构由物料仓、进料段、裂解段、排渣段、引风机、热风道、进料段冷却水泵、热风道冷却水泵构成。（a）物料仓：用来存储裂解所需的物料。（b）进料段：传递输送所要裂解的物料。（c）裂解段：裂解进料段输进技术研制开发的高性能高节能的新型电炉，有单管、双管、卧式、可开启送的物料，产生裂解气和碳渣。（d）排渣段：排出裂解所产生的碳渣。（e）引风机：产生热风使其进热风道，提供裂解所需热量。（f）热风道：引进热风，加热裂解炉筒壁。（g）进料段冷却水泵：当进料段温度过高时，用来冷却保护进料装置。（h）热风道冷却水泵：当热风道温度过高时，用来冷却风道。2.3.2裂解炉炉体的结构分析裂解炉炉体采用管式炉，管式炉基本概念：管式炉均系采用国际先式、立式、单温区、双温区、三温区等多种管式炉型。管式加热炉通常由以下几部分构成： 辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。 对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。 燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。 通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。 为了便于对标准中一些名词的理解，将管式炉各部分的名称说明如下：炉体：炉子本体。通常分为辐射室和对流室两部分，每部分都由炉墙、炉顶和炉底构成。有对流室置于辐射室之上和置于辐射室之旁的两种形式。辐射室是炉子中以辐射方式传热的部分，以吸收燃料燃烧的辐射热为主对炉管进行加热来完成热交换过程。对流室是炉子中以对流方式传热的部分，以吸收烟气余热对炉管进行对流加热来完成热交换过程；辐射段：辐射室、辐射段炉管和周围操作平台结构的总称；对流段：对流室、对流段炉管和周围操作平台结构的总称；炉壳：炉体上围封炉衬（耐火材料和隔热材料）的金属壳体，由墙板、顶板和底板构成，有筒形和箱形两种；炉墙：炉体的四壁，包括墙板和炉衬；侧墙：长方形炉体的长边炉墙，包括侧墙板和炉衬；端墙：长方形炉体的短边炉墙，包括端墙板和炉衬；炉顶：炉体的顶部，包括炉顶板和炉衬；炉底：炉体的底部，包括炉底板和炉衬；炉膛：燃料在其中进行燃烧的炉内空间；辐射段炉管：置于辐射室中的炉管组件。由于操作温度很高，大多数辐射段炉管采用合金钢材或高温合金材料制造；对流段炉管：置于对流室内的炉管组件。通常由若干管束组成，部分管束的管外带有翅片或钉头，以提高换热效率；炉体配管：管式炉设计范围内的配管工程，包括辐射段炉管和对流段炉管的进出口配管，辐射段炉管和对流段炉管两者之间的配管，辐射段炉管和其它附属设备之间的配管，以及燃烧器配管，仪表空气管道，氮气管道，高、中、低压蒸汽管道和消防水管道等等。2.3.3辅助检测元件（1）料位开关：检测进料段的物料上限和下限。（2）高温料位开关：检测排渣段渣位的上限和下限（3）热电偶：检测进料段底部、裂解炉筒壁、裂解炉物料以及风道进出口的温度。（4）压力传感器：检测收集的裂解气压力。3 控制系统硬件设计3.1变频器及相关元器件3.1.1 变频器概述本设计采用ABB变频器，型号为ACS355。因为有4个电机需要变频调速，故采用4个变频器。（1）变频器运行原理ACS355 是一种用来控制异步交流感应电机和永磁同步电机的变频器，它可以安装到墙上或者柜体中。图3-1显示变频器的主回路简图。整流器将三相交流电压转换为直流电压。中间电路的电容器组稳定直流电压。逆变器将直流电压转换为交流电机使用的交流电压。在电路中的电压超过了最大限值时，制动斩波器将把外部制动电阻连接到中间直流电路。图3-1 变频器的主回路简图（2）动力电缆和控制接口 (a)变频器动力电缆接线如下图3-2所示 图3-2 动力电缆接线图 (b)图3-3显示了ACS355变频器的连线。I/O连接可参数定义图3-3 ACS355变频器的连线(c)ABB标准宏的默认I/O连接如下图3-4所示图3-4 ABB默认I/O连接（3）模拟输入的选择开关S1用来选择模拟输入 AI1和AI2的输入信号是电压信号 (0 2 10 V / -1010 V)还是电流信号 (0 4 20 mA / -2020 mA)。与应用宏的默认用法对应的工厂默认设置是：AI1(0 2 10 V)输入信号是电压信号；AI2 (0 4 20 mA) 输入信号是电流信号。（如下图3-5）图3-5 模拟输入选择 3.1.2 变频器基本元器件（1）浪涌保护器浪涌保护器，也叫防雷器。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。（2）隔离开关 隔离开关的作用是断开无负荷的电流的电路，使所检修的设备与电源有明显的断开点，以保证检修人员的安全，隔离开关没有专门的灭弧装置不能切断负荷电流和短路电流，所以必须在电路在断路器断开电路的情况下才可以操作隔离开关从而起到保护的作用。（3）输入电抗器变频器和调速器在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命，所以要在其前面加装输入电抗器，用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器和调速器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输入端加装一个进线电抗器，可以改善变频器的功率因数及抑制谐波电流，滤除谐波电压和谐波电流，改善电网质量。（4）输入滤波器变频器输入端滤波器，是变频器专用滤波器的一种，主要用于对电磁环境要求较高的场合，用于抑制变频器产生的传导干扰和无线电干扰，防止变频器工作时，变频器输入端对电网和其他数字设备产生的干扰，同时具备共模和差模抑制能力。（5）熔断器熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。它是以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。（6）制动电阻制动电阻，是波纹电阻的一种，主要用于变频器控制电机快速停车的机械系统中，帮助电机将其因快速停车所产生的再生电能转化为热能。 （7）交流接触器交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。3.1.3 变频柜的分布变频柜的分布如图3-6所示，有PE母线接地、隔离开关、断路器、熔断器、接触器、浪涌保护器、四个变频器、四个输入滤波器、四个输入电抗器。图3-6 变频柜元件及电缆布置图3.2电气原理图绘制3.2.1 I/O口分配电器原理图的I/O口分配：I0.0至I0.7是8个料位开关；I1.0至I1.3是4个变频器报警；I1.4是急停信号；I1.5是裂解炉停机信号；I1.6是引风机停机信号；I1.7是停机复位；Q0.0至Q0.3是进料段、裂解段、出渣段电动机和引风机；Q0.4至Q0.7是4个变频器上电；Q1.0是裂解炉停机指示灯；Q1.1是引风机停机指示灯；AIW20至AIW38是12个热电偶输入。表3-1PLC I/O 口分配I/O描述连接元件I/O描述连接元件I0.0料位开关1-SL1I1.6引风机停机（现场）-S1:4I0.1料位开关2-SL2I1.7停机复位-S1:6I0.2料位开关3-SL3Q0.0电机M1起动-KA1:A1I0.3料位开关4-SL4Q0.1电机M2起动-KA2:A1I0.4料位开关5-SL5Q0.2电机M3起动-KA3:A1I0.5料位开关6-SL6Q0.3电机M4起动-KA4:A1I0.6料位开关7-SL7Q0.4变频器1上电-KA5:A1I0.7料位开关8-SL8Q0.5变频器2上电-KA6:A1I1.0变频器1报警-U1:21Q0.6变频器3上电-KA7:A1I1.1变频器2报警-U2:21Q0.7变频器4上电-KA8:A1I1.2变频器3报警-U3:21Q1.0裂解炉停机指示灯(现场)-KA9:A1I1.3变频器4报警-U4:21Q1.1引风机停机指示灯(现场)-KA10:A1I1.4急停（现场）-S1:8Q1.2电源连锁控制-KA11:A1I1.5 裂解炉停机(现场)-S1:2Q1.3负压输料机控制-KA12:A1Q1.4电机M5启动-KA13:A1AIW20热电偶3输入-Ex5:6Q1.5电机M6启动-KA14:A1AIW22热电偶4输入-Ex6:6Q1.6备用-KA15:A1AIW24热电偶5输入-Ex7:6Q1.7备用-KA16:A1AIW26热电偶6输入-Ex8:6AIW0压力传感器1检测量-Ex1:6AIW28热电偶7输入-Ex9:6AIW2压力传感器2检测量-Ex2:6AIW30热电偶8输入-Ex10:6AIW4M1反馈转速-U1:7AIW32热电偶9输入-Ex11:6AIW6M2反馈转速-U2:7AIW34热电偶10输入-Ex12:6AIW8M3反馈转速-U3:7AIW36热电偶11输入-Ex13:6AIW10M4反馈转速-U4:7AIW38热电偶12输入-Ex14:6AIW12备用AQW0M1指令转速-U1:2AIW14备用AQW2M2指令转速-U2:2AIW16热电偶1输入-Ex3:6AQW4M3指令转速-U3:2AIW18热电偶2输入-Ex4:6AQW6M4指令转速-U4:23.2.2 元器件列表塑料裂解炉的电气原理元器件的型号、符号、名称如表3-2所示表3-2 元器件列表符号名称型号数目CPU226CNPLC6ES7 216-2BD23-OXB81EM231CN4模拟量输入模块6ES7 231-OHC22-OXB81EM2324模拟量输出模块6ES7 232-OHD22-OXAO1EM2318模拟量输入模块6ES7 231-OHF22-OXAO2BT1BT12铠装热电偶本安型长度250WRNK-44112BP1、BP2电容式压差变送器HM115DR2E25Ai2KM1KM7交流接触器LC1-D25 M7C7KA1KA16中间继电器RXM 2LB2BD16M1M6防爆型三相异步电动机4KW 1430r/minYB2 112M-46F1电涌保护器PR40r 3P 440V1QF7漏电型塑壳断路器Vigi NSE160H 3P/125 EL1QF1断路器C65H-C 25A/3P1QF3QF6断路器C65H-C 10A/2P4QF2断路器C65H-C 20A/3P1FU1FU6超快速熔断器FS00C-25A6FU7FU14熔断器DF6-AB108TC1隔离变压器ABL6TS10U1TC2TC4隔离变压器ABL6TS25U3T1、T2开关电源ABL 1REM240422HW1电源指示灯AC220V白色XB2-BVM1C1QS1隔离开关熔断器组INFD160/3P3F D1SB1蘑菇头按钮60mmZB2BR42C1SB2按钮开关XB2BA21C1XT1XT5接线端子AB1 VV235U93FR1FR2热继电器NR2-25G/Z 0.1-10A2U1U4ABB变频器ACS355-03U-05A6-4+B0634Z1Z4三相输入滤波器AC-CFI3 C 0204RB1RB4波纹电阻器AC-RXHG750W 80R J4L1L4交流输入电抗器AC-JACL0154SL1SL4阻摆式料位开关HJK-LOF11A150C4BdIIBT44SL5SL8耐高温阻摆式料位开关HJK-WOF11A150C4BdIIBT44EX3EX14回路供电热电偶隔离式安全栅NPEXA-C11L12EX1EX2回路供电电流隔离式安全栅NPEXA-C312FA1变频柜散热风扇12038B2H-71FA2控制柜散热风扇9225B1H1触摸屏MT800013.3 S7-200PLC3.3.1 PLC的基本结构（1）电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。（2）中央处理单元中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序中的语法错误。存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （3）输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。3.3.2 PLC的类型本设计中采用的PLC为S7-200中的CPU226 CN，型号6ES7 216-2BD23-0XB8。3.3.3 PLC的工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，每次扫描过程集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定。（a）CPU执行指令的速度；（b）指令本身占有的时间；(c)指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。3.3.4 模拟量扩展模块EM231模拟量8输入为压力传感器的输入模块，A接口为压力传感器1检测量的输入、B接口为压力传感器2检测量的输入、C接口为M1反馈转速的输入、D接口为M2反馈转速的输入、E接口为M3反馈转速的输入、F接口为M4反馈转速的输入、G和H备用。图3-7 EM231模拟量8输入模块EM232模拟量4输入模块的接口为热电偶9、10、11、12的输入。图3-8 EM232模拟量4输入模块接EM232模拟量4输出模块接口为电机M1、M2、M3、M4的指令转速的输出。图3-9 EM232模拟量4输出模块3.4检测和控制元件(1)热电偶热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。设计中采用铠装热电偶 本安型WRNK-441，总计使用12个热电偶。分别用来检测进料段，裂解段，以及风道的温度值。(2)阻摆式料位开关HJK型料位计采用摆动式传动系统。检测板受阻时，主轴静止而电机继续运行，使脱扣器脱扣，致使开关动作切断电机电源、电机停止工作，发出料位信号。当料位下降时，检测板阻力消失，脱扣器复位，电机恢复工作，发出无料信号，仪表又处于检测状态。料位变化缓慢的场合，可在仪表内加装定时器，使仪表的检测处于间歇工作状态，这样可以减少功耗和磨损，延长仪表寿命。 本设计采用4个阻摆式料位开关（使用型号为HJK-LOF11A150C4BdIIBT4）和4个耐高温阻摆式料位开关（使用型号为HJK-WOF11A150C4BdIIBT4），分别用来检测物料的上下限以及碳渣的上下限。(3)电容式压差变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。电容式压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 设计采用电容式压差变送器型号为HM1151DR2E25Ai，用于检测裂解炉产生的裂解气压力值，使用数目为2个。(4)中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。 它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。一般是直流电源供电。少数使用交流供电。设计中总共使用16个中间继电器3.5电路保护的器件(1)断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器。低压断路器又称自动开关，俗称空气开关也是指低压断路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。(2)热继电器由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。 (3)隔离安全栅智能化的安全栅产品，可通过专用编程器或计算机对本产品进行输入信号类型及输出量程的设置。用于热电偶和压力传感器的模拟量采集。(4)隔离变压器主要作用是使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。 随着电力系统的不断发展，变压器作为电力系统中的关键设备起着日益重要的作用，它的安全运行直接关系到整个电力系统运行的可靠性. 变压器线圈变形是指线圈在受力后，发生的轴向、幅向尺寸变化、器身位移、线圈扭曲等情况。造成变压器线圈变形的主要原因有二个：一是变压器运行中难以避免地要受到外部短路故障冲击；二是变压器在运输吊装过程中发生意外碰撞。4 控制程序的设计4.1 系统控制设计4.1.1上料机控制要求及方法检测进料段料位上限，若高于上限，则停上料机电机；反之，则起动上料机电机。 上料机原料仓设置上、下位测点。若原料仓料位低于下限，系统报警。 4.1.2 裂解炉密封要求及实现方法(1) 控制要求在裂解炉反应期间，裂解炉中段和出渣段中有可燃的高温裂解气，因此，要求防止在出渣段和裂解段的裂解气与外部空气接触。外部空气进入的位置有出渣段出口、进料段入口以及裂解气出口（去冷凝器）。这里在控制上防止从出渣口和进料口的泄露。为达到该要求，设计上采用变螺距螺旋，使物料在进料段和裂解段中，在螺距较窄的区域受到挤压，形成所谓物料塞实现密封。出渣口的密封亦采用此原理。形成物料塞的条件是螺旋内部不缺料。控制系统应满足该要求。(2) 料位检测方案进料筒、渣筒设置料位（渣位）上、下位检测点，各检测点均采用冗余检测。 (3) 控制方法检测进料段料位下限，若低于下限，则停止进料段螺旋和裂解段驱动电机。进料段和裂解段的电机同步运行。两者的速比通过调试确定。碳渣料位低于下限，则停止排渣段电机，反之起动。渣桶内设有碳渣高位检测开关。当碳渣到达高位时，报警并暂时停止进料段和裂解段电机。这种情况属于异常，要求通过调整裂解段电机转速，满足渣桶进渣流量小于排渣流量，排渣电机间歇运行。4.1.3 裂解炉温度控制及方法(1) 温度测量方案在本系统中，需要检测的温度有物料（渣）的温度、加热空气温度。(a) 物料（渣）的温度检测方案：设置了4处物料（渣）测温点，其中2处为关键点，为冗余检测；同时，还设置了裂解炉筒壁温度。(b)热空气温度检测方案：分内、外加热风道。每个风道的进口、出口和引风机进口前三处测温点，其中，风道出口为冗余检测（2个热电偶）。 (2) 热风温度监控本裂解炉采用热空气加热物料实现塑料的热裂解。热空气由独立的加热炉产生。在本控制系统的总体方案中，不含对加热炉的控制。根据裂解炉的热裂解工艺，要求根据裂解物料和裂解炉筒壁的温度要求，控制热空气的温度和流量。 加热风道入口处温度监控（热力管道过热监控点）风道入口处气温主要取决于加热炉产热量。根据该装置使用的加热炉原理，加热炉的进风量越大，产热量越大，从而热风道的入口温度越高。产热量的控制依据是裂解物料的温度以及裂解段筒壁的温度。加热风道入口温度检测为了防止热空气温度过高，造成装置损坏。热风进口处的测温用于安全监控。当该温度超过容许的最高值，属于异常情况，系统报警并自动降低引风量，以将入口热空气温度降至容许的上限以内。该过程作为异常发生时的一种保护控制。冷装置前风道温度监控，在引风机前，已使用热交换器对余热进行收集。当热空气温度过高时，进过热交换器的空气温度仍偏高，为此使用强制水冷装置冷却，防止高温空气对引风机3、4的影响。当此处的温度高于设定值时，起动强制水冷装置的电机，反之停止。(3) 裂解装置过热监控通过筒壁传导，使进料段筒内的物料温度升高，甚至出现融化状态。这种情况属于异常情况，必须防止这种现象的发生。要求检测进料段内物料的温度，并控制其温度不超过设定上限。由于正常情况下进料筒内物料为固态，不能用热电偶直接检测其温度，为此通过检测进料段出口部位的（内层）筒壁的温度，间接检测其物料温度。当此处监测温度超过设定值时，起动水冷装置。在此条件下，如果物料温度进一步超过设定高限时，关闭加热炉处的引风机。加热风道出口处温度监控：此处的温度检测可间接反映裂解炉前段的温度。正常情况下，此处的热风温度不能过高。当超过设定值时，报警。 (4) 裂解炉筒壁温度监控总体方案中，在裂解炉中段设置了3处筒壁测温点。所测的温度是外风道内侧筒壁表面的温度。连续运行下，此处温度与邻近的风道空气温度近似。可以认为，筒壁温度反映了在外风道不同位置处的控制温度。在系统冷启动时，热空气加热筒壁需要一个过程。两者的温度有较大差异。针对筒壁加热及升温的特点，拟采用一种简单的分档控制策略。将筒壁温度从设定下限到上限，分若干档，每档对应某个引风机转速。该温度和转速关系通过调试确定。当温度越高（在设定范围内），则引风机转速越低，减小加热炉的引风量，反之亦然。 (5) 物料裂解温度监控根据有关文献，塑料热裂解的主要条件是温度，另一个重要因素是时间。因此，在设计控制算法时，不仅要控制物料的温度，还必须控制其在一定温度下通过裂解炉中段的时间。 根据物料的加热方式，靠向出渣口的温度高，而靠近进料口的物料温度低。为保证物料温度达到工艺要求，提出如下控制要求：物料在裂解段中部的温度应达到工艺要求，并且从中部输送到出渣口的时间可控。如果中部温度低于设定范围下限，通过降速或短时停机加热升温。通过控制转速，使物料在工艺要求温度的裂解时间满足要求。如果物料温度超过设定值上限，通过升速控制物料温度。同时，降低筒壁设定的目标温度。 (a)物料测温方案：沿着裂解段布置了四个测点。中间2处的测点作为控制裂解段的过程量。前后2处的测温作为监测点。为防止压缩的物料损坏热电偶，要求热电偶布局在裂解段的物料非压缩段。四个测温点，从裂解段的前部到出渣口，以此命名为测温点A、B、C、D。 (b)物料温度控制策略：当测温点B、C物料温度低于设定下限，裂解段电机停转。当测温点B、C、D物料温度在设定范围内时，控制裂解螺旋的转速，以间接控制物料热裂解的时间。该时间通过换算出的转速（物料输送距离根据结构确定）间接控制。当测温点B、C物料温度位于设定范围，D物料温度超上限，预警（黄灯）。当测温段B、C、D温度超过设定上限，升速、报警（红灯）。注：根据裂解段内物料温度的分布规律，有：A点温度上限 B点温度上限 C点温度上限 D点温度上限A点温度下限 B点温度下限 C点温度下限 D点温度下限(c)加热风道入口处温度监控（热力管道过热监控点）风道入口处气温主要取决于加热炉产热量。根据该装置使用的加热炉原理，加热炉的进风量越大，产热量越大，从而热风道的入口温度越高。产热量的控制依据是裂解物料的温度以及裂解段筒壁的温度。(d)加热风道入口温度检测，为了防止热空气温度过高，造成装置损坏。热风进口处的测温用于安全监控。当该温度超过容许的最高值，属于异常情况，系统报警并自动降低引风量，以将入口热空气温度降至容许的上限以内。该过程作为异常发生时的一种保护控制。(e)冷装置前风道温度监控，在引风机前，已使用热交换器对余热进行收集。当热空气温度过高时，进过热交换器的空气温度仍偏高，为此使用强制水冷装置冷却，防止高温空气对引风机3、4的影响。当此处的温度高于设定值时，起动强制水冷装置的电机，反之停止。(6) 裂解装置过热监控通过筒壁传导，使进料段筒内的物料温度升高，甚至出现融化状态。这种情况属于异常情况，必须防止这种现象的发生。要求检测进料段内物料的温度，并控制其温度不超过设定上限。由于正常情况下进料筒内物料为固态，不能用热电偶直接检测其温度，为此通过检测进料段出口部位的（内层）筒壁的温度，间接检测其物料温度。当此处监测温度超过设定值时，起动水冷装置。在此条件下，如果物料温度进一步超过设定高限时，关闭加热炉处的引风机。加热风道出口处温度监控：此处的温度检测可间接反映裂解炉前段的温度。正常情况下，此处的热风温度不能过高。当超过设定值时，报警。 (7) 裂解炉筒壁温度监控总体方案中，在裂解炉中段设置了3处筒壁测温点。所测的温度是外风道内侧筒壁表面的温度。连续运行下，此处温度与邻近的风道空气温度近似。可以认为，筒壁温度反映了在外风道不同位置处的控制温度。在系统冷启动时，热空气加热筒壁需要一个过程。两者的温度有较大差异。针对筒壁加热及升温的特点，拟采用一种简单的分档控制策略。将筒壁温度从设定下限到上限，分若干档，每档对应某个引风机转速。该温度和转速关系通过调试确定。当温度越高（在设定范围内），则引风机转速越低，减小加热炉的引风量，反之亦然。 (8) 物料裂解温度监控根据有关文献，塑料热裂解的主要条件是温度，另一个重要因素是时间。因此，在设计控制算法时，不仅要控制物料的温度，还必须控制其在一定温度下通过裂解炉中段的时间。 根据物料的加热方式，靠向出渣口的温度高，而靠近进料口的物料温度低。为保证物料温度达到工艺要求，提出如下控制要求：物料在裂解段中部的温度应达到工艺要求，并且从中部输送到出渣口的时间可控。如果中部温度低于设定范围下限，通过降速或短时停机加热升温。通过控制转速，使物料在工艺要求温度的裂解时间满足要求。如果物料温度超过设定值上限，通过升速控制物料温度。同时，降低筒壁设定的目标温度。 (a)物料测温方案：沿着裂解段布置了四个测点。中间2处的测点作为控制裂解段的过程量。前后2处的测温作为监测点。为防止压缩的物料损坏热电偶，要求热电偶布局在裂解段的物料非压缩段。四个测温点，从裂解段的前部到出渣口，以此命名为测温点A、B、C、D。 (b)物料温度控制策略：当测温点B、C物料温度低于设定下限，裂解段电机停转。 当测温点B、C、D物料温度在设定范围内时，控制裂解螺旋的转速，以间接控制物料热裂解的时间。该时间通过换算出的转速（物料输送距离根据结构确定）间接控制。当测温点B、C物料温度位于设定范围，D物料温度超上限，预警（黄灯）。当测温段B、C、D温度超过设定上限，升速、报警（红灯）。注：根据裂解段内物料温度的分布规律，有：A点温度上限 B点温度上限 C点温度上限 D点温度上限 A点温度下限 B点温度下限 C点温度下限 D点温度下限 (9) 裂解气压力监视监测裂解气压力，若超过设定安全压力，则报警。(10) 转速反馈控制检测电机转速反馈给PLC，观察速度是否在指定范围。4.2 安全监控设计4.2.1 工根据裂解工艺要求塑料裂解温度（和时间）控制是整个控制流程的核心部分。其它过程的监控都要围绕该控制进行。由于塑料采用的是传导加热方式，整个加热环节存在多个大滞后的耦合环节。为解除存在的环节之间的耦合关系，并简化控制算法，将物料裂解温度控制分解为 2个相对独立的温度控制：一是裂解炉筒壁温度控制（模块），二是裂解物料温度控制（模块）。 裂解物料温度监控模块：可控参数为裂解炉螺旋转速，受控元件是裂解段及进料段的螺旋电机。影响物料温度的因素是筒壁温度。裂解炉筒壁温度监控模块：可控参数是加热炉的引风量及产热量，受控元件是引风机1-4。影响因素是筒壁向物料及周围传导及辐射能量。当筒壁温度低于设定值下限时，禁止物料温控模块的控制量输出（因为传导加热的热源温度低于设定值）。 4.2.2 辅助与保护功能模块 为保证裂解炉的正常安全运行，还需设计相应的辅助功能和安全保护功能模块。这些模块在设定条件满足时激活。某些辅助与保护功能模块还为主模块提供激活条件或其它运行条件。 (1)料（渣）位监控模块料（渣）位监控实现对系统的安全控制。 (2)进料段料位监控模块控制参数是进料段料位，受控元件是上料机电机、进料段和裂解段螺旋电机。该控制又分为2个子模块，一是上料机控制子模块，二是进料段和裂解段螺旋电机控制子模块。监控料仓料位，若料仓料位低于的下限值，则报警；进料段料位低于设定上限且料仓料位监视正常，起动上料机。当料位低于设定下限时，禁止裂解物料温度控制模块的控制量输出（因为不能正常供料）。 (3)排渣段料位监控模块控制参数是渣位，受控元件是排渣螺旋电机。当渣位高于设定下限时，起动排渣电机。如果渣位超过设定上限时，报警，并禁止裂解物料温度控制模块的控制量输出（因为不能正常排渣）。(4) 与系统安全运行有关的监控模块 (a)进料段物料温度监控模块：此模块监控进料段料筒内部的物料温度，也反映裂解炉前段温度，属于过热异常监控。可控元件是进料段冷却水泵、引风机和直通阀（手动控制，报警提示）。当出现上述过热异常时，启动异常处理功能：起动冷却水泵、报警、（提示手动）打开直通阀，（并当打开直通阀后）关闭引风机1、2，开启引风机3、4。异常处理持续设定时间到，异常未解除时，停机。出现过热异常时，禁止裂解炉筒壁温度控制模块的控制量输出。(b)热风道入口处风温监控模块：此模块监控来自加热炉风道的热空气温度，属于过热异常监视。可控元件是引风机1-4。当出现异常过热时，启动异常处理功能：报警，降低引风机（转速）引风量，并禁止裂解炉筒壁温度控制模块的控制量输出。异常处理持续设定时间到，异常未解除时，停机。(c)水冷装置控制模块（不含进料段水冷装置电机）此模块监控内外热风道在热交换器后的风温，属于异常检测。若上述温度超过设定上限，则起动强制冷却电机。(d)裂解气压力监控模块：监测裂解气压力，若超过设定安全压力，报警。 4.2.3 模拟量数据采集模块。在本系统中，有大量的模拟量数据的采集要求。其中，温度数据采集量大，且这些数据在多个监控模拟中使用。为此，设计一个模拟量数据采集模块。该模块在每个PLC扫描周期，完成全部模拟量的数据采集和处理，并将所有采集的数据转存到一个缓冲区中。其它模块均在该缓冲区中读取采集的数据。该模块在PLC上电后一直运行（无论是手动或自动模式）。4.2.3 控制参数和状态数据管理本系统的控制参数多，运行数据（温度、压力、料位；运行状态）也很多。为方便数据维护，在PLC中设置集中的系统数据缓冲区，其中模拟量数据缓冲区是数据缓冲区的一部分。触摸屏与PLC的数据交互，均通过对该缓冲区的读写完成。4.2.4 急停后的解除方法当按下系统急停按钮（包括现场的急停钮），禁止所有监控模块的运行。即使复位急停按钮，不允许直接回复系统运行。解除方式：通过触摸屏界面，解除急停状态。解除后，系统恢复到开机状态选择状态，然后，继续选择手动或自动操作模式。4.3 STEP 7编程软件STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。STEP7 编程软件是一个用于SIMATIC 可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7 标