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[摘 要]介绍焦炉烘炉炉温管理系统软硬件方面的设计、开发与使用方法。
[关键词]焦炉 烘炉 炉温管理
中图分类号：TP114.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0026-02
Development and Application of Coke Oven Heating-up System
LIU you-guan1 LI Chao-guang2
（Coking Plant of Liuzhou Iron and Steel Company Limited， Guangxi）
[Abstract]The design， development and methods applied for software and hardware of the heating-up temperature management system of coking oven were introduced.
[Key words]Coking Oven； Heating-up； Oven Temperature
1.前言
在新焦炉的建设过程中，烘炉是极其重要的一道工序，它对焦炉炉体的结构、性能、热态设备安装和使用寿命等都产生重要影响，因此工艺上对烘炉过程的各项管理内容有一整套严格的技术要求，其中最重要的当属升温过程的炉温管理，为防止焦炉炉体耐火砖出现破裂、变形等状况，炉体温度的升温过程必须严格依照所用耐火砖的膨胀特性曲线制定的升温计划有序进行，炉体实际温度与计划温度的偏差必须被严格控制在技术允许的范围之内。因此，必须建立一套功能完备的炉温监控系统对烘炉过程进行全程监控，确保烘炉过程按计划顺利进行。本文将就炉温监控系统的设计、开发等方面进行详细的介绍。
2.系统功能要求
⑴、温度检测点的分布
温度检测点的选择是根据焦炉炉体的结构特征及需要监控的炉体关键部位來确定的，本系统确定的炉顶温度检测点和炉墙温度检测点分别如“图1”和“图2”所示，图1中洋红色的圆圈代表直行温度检测点，蓝色的圆圈代表横排温度检测点，绿色的圆圈代表炉头温度检测点，图2中绿色的圆圈代表篦子砖和蓄热室温度检测点。从图上看出炉顶温度检测点分布情况为：机、焦两侧直行温度各有28个点，横排温度检测共有31个点，炉头温度检测共有12个点，炉顶共设99个检测点；炉墙高向温度包括篦子砖温度和蓄热室温度检测点，分布于机、焦两侧各有6个点，共有12个点，整座焦炉炉温检测点共有111个。在这111个温度检测点中只有位于炉顶处的56个直行温度检测点是必须按升温计划曲线严格进行控制的参数，其他仅用于观察和参考。
⑵、温度显示要求
所有温度要求以“表1”所示的表格方式进行实时显示，内容包括温度检测点的位号、数值、与本侧全部温度平均值的偏差，其中要求位号的编制按工艺要求编写，与平均温度的温差数值要求具有颜色提示功能，颜色规定为：从室温到250℃之内，温度偏差值以±10℃为界限，超过+10℃时显示为红色，超过-10℃时显示为黄色。与此类似，从250℃到400℃时偏差值界限为±15℃，从400℃到600℃时偏差值界限为±20℃，600℃以上后因温度偏差会比较大，偏差值不再做颜色警示而全部显示为黑色。
⑶、班升温曲线要求
如“图3”所示，班升温曲线的显示要求为，坐标纵轴起点为该班起始升温温度，终点为该班升温目标温度，考虑到实际升温过程存在偏差，应根据该班的升温幅度适当扩展纵轴的始点和终点的温度范围，以免升温超出计划范围时无法显示对应曲线；横轴用于显示时间点，每5分钟为一个点，以8小时为一个时间段，每班共96个点；曲线刷新周期为5分钟。
班升温曲线图一共需要同时显示四根曲线，即升温计划曲线、允许的上（下）限偏差曲线、直行温度机焦侧平均值曲线（即实际升温曲线），不同曲线以颜色区分。升温计划曲线由升温计划表提供的温度值自动生成并可以随着升温计划表的改变而自动改变，允许的上（下）限偏差曲线由升温计划与当前温度所处范围对应的允许波动幅值自动生成（见表2）。
⑷、日升温曲线要求
如“图4”所示，日升温曲线的显示要求为，坐标的纵轴显示温度，横轴显示日期，纵轴数值最大为800℃，横轴数值范围为54天；实际升温曲线的温度数据来源于每天的15：00时刻的机焦侧温度平均值，为使实际温度走向显示更直观明显，应提供曲线局部放大功能；当鼠标指针指向实际升温曲线某点时，能够显示该点的实际温度数值，实际升温曲线需要具有历史记录和查询功能，能够查询任意点的日期，时间，温度值等详细信息。
3.系统开发
3.1 监控系统的设计
根据工艺对烘炉管理的功能要求，本系统的硬件采用西门子S7-300型PLC系统，测温一次元件采用K型热电偶，搭配西门子热电偶专用模拟量输入（AI）模块实现温度的采集。
系统的软件部分由监控软件和炉温管理软件两部分组成，上位机监控软件采用西门子配套的专业工控软件WinCCv6.2版本，但仅用于进行简单的温度显示，其他较复杂的显示、报警和曲线等功能全部交由专门为烘炉开发的“焦炉烘炉炉温管理系统”来实现，它采用VB6.0与Access2003数据库进行开发，是本系统的技术核心，也是开发的重点和难点。
3.2 炉温管理系统的设计
⑴、系统架构
炉温管理软件的开发有三个难点和重点，一是要求升温计划曲线与实测炉温曲线能够实时、同步地实现同屏显示，并可查询任意时段的历史曲线；二是要求烘炉升温计划曲线可根据焦炉建设实际工期的变化随时进行修改；三是如何与PLC实现数据交换。由于目前流行的各种PLC监控软件要实现上述全部功能非常困难，因此，炉温管理系统采用“VB”与“Access”数据库搭配进行开发，利用OPC（基于过程控制的对象嵌入和链接）技术实现与PLC的数据交换。OPC是不同系统间进行数据交换的世界通用技术标准，适用于所有支持OPC技术的工控系统，使本系统具有更好的通用性。 ⑵、系統界面
本系统界面采用双窗口多页面设计，包括主操作窗口和系统维护窗口两部分。主操作窗口设计如“图5”所示，分为“炉温显示”、“班升温曲线”、“日升温曲线”、“交班记事”四个界面，系统维护窗口设计如“图6”所示，通过这些界面分别可以完成不同的功能与操作。
主操作窗口包括如下界面：
“炉温显示”界面以表格方式实时显示直行温度、横排温度、篦子砖温度和蓄热室温度，并提供温度超标颜色报警、热电偶损坏剔除、实时温度导出到Excel表格等功能，数据刷新周期为1分钟。
“班升温曲线”界面以曲线方式可以显示任意时间段内的计划升温曲线、允许偏差的上（下）限曲线、实测机焦侧直行温度平均值曲线、机侧（焦侧）直行温度平均值曲线，并提供所有曲线的历史曲线查询功能、曲线复制、曲线保存等功能，曲线刷新周期为5分钟。
“日升温曲线”界面提供的功能基本上与“班升温曲线”功能一样，区别在于曲线的数据源来自每一天15：00时刻的温度值。
“交班记事”界面主要以文本编辑器的方式提供给当班者作为交接班记事使用。
系统维护窗口包括如下界面：
“升温计划录入”界面提供升温计划温度数据的导入、导出、保存、整理及由每日计划温度自动生成每分计划温度等功能，通过该界面可以在任何时间修改任何日期的升温计划温度值，满足工艺提出的可随时根据焦炉建设进度修改升温计划的功能要求。
“热偶编号录入”界面提供对所有热电偶位号编写的快速录入手段以及对故障热电偶人工剔除的功能，当某一根热电偶损坏时可以通过该界面人工把它打上剔除的标志，排除其对总平均值的计算影响。
“系统保留”界面是系统保留作为功能扩展之用。
⑶、系统流程
系统的工作流程为（见“图7”）：首先进行“系统初始化”，即对系统所使用的所有变量、对象、数据库连接、界面控件等赋予初始值，接着与OPC服务器建立通讯连接，连接成功后转入主循环工作。
主循环的任务是，每隔1分钟周期性地从OPC服务器读取实时温度数据一次并存入后台Access数据库中，作为数据显示、曲线刷新、历史查询之用，然后利用保存于数据库中的数据按预定的周期进行界面刷新，即每隔1分钟刷新温度显示界面一次，包括超标、报警、平均值计算等功能的判断和实现，每隔5分钟刷新班升温曲线一次，每天的15：00时刻刷新日升温曲线一次，至此即完成一个主循环，随即进入下一个循环，周而复始。
4.系统应用效果
本系统已成功地应用于柳钢焦化厂新建55孔6米焦炉的烘炉过程，经过长达两个多月的实际运行考验，证明本系统软硬件运行稳定、可靠、数据准确、功能完善，烘炉期间没有出现任何故障，功能完全满足并超越了工艺提出的所有要求，且可任意修改升温计划而不需要做任何程序上的修改。
5.结语
实践证明，焦炉烘炉管理系统采用PLC与VB应用程序组合的设计方案技术上是可行的，既利用了PLC系统的高度可靠性、稳定性又利用了VB灵活与强大的编程能力，两者结合开发的系统完全可满足工艺技术要求，并可适用于任何类型的焦炉烘炉过程，具有良好的推广应用价值。
参考文献
[1] 刘锴，周海，深入浅出西门子S7-300PLC，北京：北京航空航天大学出版社，2004，ISBN7-81077-531-6，P145～170
[2] 苏昆哲，深入浅出西门子WinCCV6，北京：北京航空航天大学出版社，2004，ISBN7-81077-492-1，P162～164，P221～225
[关键词]焦炉 烘炉 炉温管理
中图分类号：TP114.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0026-02
Development and Application of Coke Oven Heating-up System
LIU you-guan1 LI Chao-guang2
（Coking Plant of Liuzhou Iron and Steel Company Limited， Guangxi）
[Abstract]The design， development and methods applied for software and hardware of the heating-up temperature management system of coking oven were introduced.
[Key words]Coking Oven； Heating-up； Oven Temperature
1.前言
在新焦炉的建设过程中，烘炉是极其重要的一道工序，它对焦炉炉体的结构、性能、热态设备安装和使用寿命等都产生重要影响，因此工艺上对烘炉过程的各项管理内容有一整套严格的技术要求，其中最重要的当属升温过程的炉温管理，为防止焦炉炉体耐火砖出现破裂、变形等状况，炉体温度的升温过程必须严格依照所用耐火砖的膨胀特性曲线制定的升温计划有序进行，炉体实际温度与计划温度的偏差必须被严格控制在技术允许的范围之内。因此，必须建立一套功能完备的炉温监控系统对烘炉过程进行全程监控，确保烘炉过程按计划顺利进行。本文将就炉温监控系统的设计、开发等方面进行详细的介绍。
2.系统功能要求
⑴、温度检测点的分布
温度检测点的选择是根据焦炉炉体的结构特征及需要监控的炉体关键部位來确定的，本系统确定的炉顶温度检测点和炉墙温度检测点分别如“图1”和“图2”所示，图1中洋红色的圆圈代表直行温度检测点，蓝色的圆圈代表横排温度检测点，绿色的圆圈代表炉头温度检测点，图2中绿色的圆圈代表篦子砖和蓄热室温度检测点。从图上看出炉顶温度检测点分布情况为：机、焦两侧直行温度各有28个点，横排温度检测共有31个点，炉头温度检测共有12个点，炉顶共设99个检测点；炉墙高向温度包括篦子砖温度和蓄热室温度检测点，分布于机、焦两侧各有6个点，共有12个点，整座焦炉炉温检测点共有111个。在这111个温度检测点中只有位于炉顶处的56个直行温度检测点是必须按升温计划曲线严格进行控制的参数，其他仅用于观察和参考。
⑵、温度显示要求
所有温度要求以“表1”所示的表格方式进行实时显示，内容包括温度检测点的位号、数值、与本侧全部温度平均值的偏差，其中要求位号的编制按工艺要求编写，与平均温度的温差数值要求具有颜色提示功能，颜色规定为：从室温到250℃之内，温度偏差值以±10℃为界限，超过+10℃时显示为红色，超过-10℃时显示为黄色。与此类似，从250℃到400℃时偏差值界限为±15℃，从400℃到600℃时偏差值界限为±20℃，600℃以上后因温度偏差会比较大，偏差值不再做颜色警示而全部显示为黑色。
⑶、班升温曲线要求
如“图3”所示，班升温曲线的显示要求为，坐标纵轴起点为该班起始升温温度，终点为该班升温目标温度，考虑到实际升温过程存在偏差，应根据该班的升温幅度适当扩展纵轴的始点和终点的温度范围，以免升温超出计划范围时无法显示对应曲线；横轴用于显示时间点，每5分钟为一个点，以8小时为一个时间段，每班共96个点；曲线刷新周期为5分钟。
班升温曲线图一共需要同时显示四根曲线，即升温计划曲线、允许的上（下）限偏差曲线、直行温度机焦侧平均值曲线（即实际升温曲线），不同曲线以颜色区分。升温计划曲线由升温计划表提供的温度值自动生成并可以随着升温计划表的改变而自动改变，允许的上（下）限偏差曲线由升温计划与当前温度所处范围对应的允许波动幅值自动生成（见表2）。
⑷、日升温曲线要求
如“图4”所示，日升温曲线的显示要求为，坐标的纵轴显示温度，横轴显示日期，纵轴数值最大为800℃，横轴数值范围为54天；实际升温曲线的温度数据来源于每天的15：00时刻的机焦侧温度平均值，为使实际温度走向显示更直观明显，应提供曲线局部放大功能；当鼠标指针指向实际升温曲线某点时，能够显示该点的实际温度数值，实际升温曲线需要具有历史记录和查询功能，能够查询任意点的日期，时间，温度值等详细信息。
3.系统开发
3.1 监控系统的设计
根据工艺对烘炉管理的功能要求，本系统的硬件采用西门子S7-300型PLC系统，测温一次元件采用K型热电偶，搭配西门子热电偶专用模拟量输入（AI）模块实现温度的采集。
系统的软件部分由监控软件和炉温管理软件两部分组成，上位机监控软件采用西门子配套的专业工控软件WinCCv6.2版本，但仅用于进行简单的温度显示，其他较复杂的显示、报警和曲线等功能全部交由专门为烘炉开发的“焦炉烘炉炉温管理系统”来实现，它采用VB6.0与Access2003数据库进行开发，是本系统的技术核心，也是开发的重点和难点。
3.2 炉温管理系统的设计
⑴、系统架构
炉温管理软件的开发有三个难点和重点，一是要求升温计划曲线与实测炉温曲线能够实时、同步地实现同屏显示，并可查询任意时段的历史曲线；二是要求烘炉升温计划曲线可根据焦炉建设实际工期的变化随时进行修改；三是如何与PLC实现数据交换。由于目前流行的各种PLC监控软件要实现上述全部功能非常困难，因此，炉温管理系统采用“VB”与“Access”数据库搭配进行开发，利用OPC（基于过程控制的对象嵌入和链接）技术实现与PLC的数据交换。OPC是不同系统间进行数据交换的世界通用技术标准，适用于所有支持OPC技术的工控系统，使本系统具有更好的通用性。 ⑵、系統界面
本系统界面采用双窗口多页面设计，包括主操作窗口和系统维护窗口两部分。主操作窗口设计如“图5”所示，分为“炉温显示”、“班升温曲线”、“日升温曲线”、“交班记事”四个界面，系统维护窗口设计如“图6”所示，通过这些界面分别可以完成不同的功能与操作。
主操作窗口包括如下界面：
“炉温显示”界面以表格方式实时显示直行温度、横排温度、篦子砖温度和蓄热室温度，并提供温度超标颜色报警、热电偶损坏剔除、实时温度导出到Excel表格等功能，数据刷新周期为1分钟。
“班升温曲线”界面以曲线方式可以显示任意时间段内的计划升温曲线、允许偏差的上（下）限曲线、实测机焦侧直行温度平均值曲线、机侧（焦侧）直行温度平均值曲线，并提供所有曲线的历史曲线查询功能、曲线复制、曲线保存等功能，曲线刷新周期为5分钟。
“日升温曲线”界面提供的功能基本上与“班升温曲线”功能一样，区别在于曲线的数据源来自每一天15：00时刻的温度值。
“交班记事”界面主要以文本编辑器的方式提供给当班者作为交接班记事使用。
系统维护窗口包括如下界面：
“升温计划录入”界面提供升温计划温度数据的导入、导出、保存、整理及由每日计划温度自动生成每分计划温度等功能，通过该界面可以在任何时间修改任何日期的升温计划温度值，满足工艺提出的可随时根据焦炉建设进度修改升温计划的功能要求。
“热偶编号录入”界面提供对所有热电偶位号编写的快速录入手段以及对故障热电偶人工剔除的功能，当某一根热电偶损坏时可以通过该界面人工把它打上剔除的标志，排除其对总平均值的计算影响。
“系统保留”界面是系统保留作为功能扩展之用。
⑶、系统流程
系统的工作流程为（见“图7”）：首先进行“系统初始化”，即对系统所使用的所有变量、对象、数据库连接、界面控件等赋予初始值，接着与OPC服务器建立通讯连接，连接成功后转入主循环工作。
主循环的任务是，每隔1分钟周期性地从OPC服务器读取实时温度数据一次并存入后台Access数据库中，作为数据显示、曲线刷新、历史查询之用，然后利用保存于数据库中的数据按预定的周期进行界面刷新，即每隔1分钟刷新温度显示界面一次，包括超标、报警、平均值计算等功能的判断和实现，每隔5分钟刷新班升温曲线一次，每天的15：00时刻刷新日升温曲线一次，至此即完成一个主循环，随即进入下一个循环，周而复始。
4.系统应用效果
本系统已成功地应用于柳钢焦化厂新建55孔6米焦炉的烘炉过程，经过长达两个多月的实际运行考验，证明本系统软硬件运行稳定、可靠、数据准确、功能完善，烘炉期间没有出现任何故障，功能完全满足并超越了工艺提出的所有要求，且可任意修改升温计划而不需要做任何程序上的修改。
5.结语
实践证明，焦炉烘炉管理系统采用PLC与VB应用程序组合的设计方案技术上是可行的，既利用了PLC系统的高度可靠性、稳定性又利用了VB灵活与强大的编程能力，两者结合开发的系统完全可满足工艺技术要求，并可适用于任何类型的焦炉烘炉过程，具有良好的推广应用价值。
参考文献
[1] 刘锴，周海，深入浅出西门子S7-300PLC，北京：北京航空航天大学出版社，2004，ISBN7-81077-531-6，P145～170
[2] 苏昆哲，深入浅出西门子WinCCV6，北京：北京航空航天大学出版社，2004，ISBN7-81077-492-1，P162～164，P221～225