生产加热系统优化与应用

生产加热系统优化与应用

王文欣

四川红华实业有限公司 四川省乐山市 610042

摘要

某企业产品故障率持续升高，为保障生产系统的安全稳定运行，提高产品合格率，企业分析查找故障率升高的原因，最终确认传输管道受热不均导致设备堵塞是主要因素，并提出相关的优化方案并加以实施。本文根据生产加热系统的工作特性，提出了三项优化措施，包括软件优化，硬件改造和增加电加热带控制，解决了传输管道受热不均的问题。本文提出的优化措施，实施后验证有效，满足工艺运行需求。即解决了供料堵塞的问题，又减小了运行人员的工作量。文中的设计方案，对类似优化方案有一定的借鉴意义。

关键词：加热系统，热量传导，远程控制，优化措施

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1 引言

某企业生产系统加热装置主要设备包括电加热箱、恒温箱等。该系统共有四套电加热箱，生产时进行持续加热，并且温度受控。原材料受热后通过传输管道进入后续加工环节，传输管道外需要加装电加热带持续保温。通过电动调节阀控制传输效率，确保原材料流量和压力受控。自2017年，电加热箱内持续出现原材料堵塞的现象。在前期运行时，因电加热箱体备用系数较高，有富余时间处理设备堵塞现象。在企业调整生产任务，提高产量后，电加热箱箱体数量不够的情况开始出现，备用系数非常低，无法腾出足够的时间处理有堵，一旦出现设备有堵，可能影响到生产系统连续稳定运行，导致产品故障率持续升高。为保障生产系统的安全稳定运行，需要对电加热箱持续有堵的现象进行分析，并解决设备堵塞的问题，以保障生产系统的稳定运行。

2原因分析

2.1电加热箱的工作原理

生产系统使用的电加热箱通过PLC自动控制加热。当加热接通后，加热丝释放热量，风机自动启动，持续吹风，热风通过风口吹至原材料容器及连接管上，达到加热的目的。当温控器检测到回风温度和容器温度达到设定值时，断开加热丝电源，停止加热。

2.2设备发生堵塞原因分析

2017年4季度后出现堵塞现象后，初步判断为传输管道处的电加热带产生故障，对传输管道电加热带检查后，发现加热带运行正常。在排除管道电加热带烧毁的前提下进行开箱检查和分段判断，发现堵塞情况发生在原材料容器的连接管和出口阀处，其中95%有堵是在容器连接软管处。

针对容器连接软管和出口阀有堵，分析原因主要是由于电加热箱体内热量分布不均匀，连接管处热量较少:

（1）箱体热风口集中在箱体后端和箱体两侧，而容器连接管在箱体的前端，由于容器本身的阻挡，送风口无法直接送热风至连接管。

（2）加热箱的热风温度不均衡，时冷时热，未能做到100%保温。当空容器拆装完成，新容器加装后才开始加热，软管内无法保证恒温，导致原材料凝结，堵塞管道，尤其明显是冬天时堵塞情况较为严重（由于拆装完成时加热箱内是室温，冬天温度较低）。企业曾用两个电加热箱体做实验，在连接管上粘贴温度计，发现连接管的温度比箱体回风温度波动达到10～20℃。

3 优化

3.1电加热箱自动控制优化

将电加热箱的状态信号接入DCS远程控制系统，且实现了对电加热箱远程加热和停止加热的命令控制功能。但是远程加热时，温度波动较大，超过了报警限值，不符合生产运行条件。因此，操作人员只能在就地进行操控，需要经常到现场设置温度，增加了工作量。因此在DCS系统内增加电加热箱远程自动控制功能，通过多变量PID回路控制，实现温度自动控制，加热箱恒温加热。

3.2加热箱风口优化

由于原生产系统的加热方式已无法满足现有运行需求，导致热风无法吹至软管、容器出口阀上，为保障管道恒温控制，考虑两种优化方案：

（1）出风口方向进行优化

由于电加热箱原设计存在缺陷，风口多集中在容器底部、箱体两侧和箱体顶部，热风无法直达软管，因此可以对加热箱进行改造，将部分可以调整的风口对准软管和容器出口和本身阀。

（2）增加出风口数量

由于双容器的影响，原设计的风口出风被容器遮挡，软管部分风口较少，因此考虑在软管的上方和下方增加出风口，将部分热风量分散至容器出口处，增加出口阀和软管处热风量。

3.3增加电加热带

对电加热箱进行改造后，由于软管较长，受热仍然存在不均匀的情况，且软管堵塞次数占比达到了百分之70以上，堵塞后摇晃软管，能听到原材料撞击的声音。通过在软管上增加电伴，对软管进行加热，并且用DCS系统对电加热带的温度进行监控，保证连接管内原材料受热均匀，避免原材料冷凝堵塞容器软管，保证生产系统能够安全有效传输原材料。

4 优化应用

4.1电加热箱远控应用

每台电加热箱均有一套独立的PLC控制系统，可以就地自动加热，但是初期建设时设计方未预留远程控制接口，DCS系统只能控制加热丝的加热通断，导致加热时，温度波动范围较大。通过查阅设计资料，现有的设备无法直接控制加热箱内温控器的温度设置，提出两条设计思路：

（1）控制加热丝的电源通断

由于无法控制加热箱内温控器的温度设置，可以通过控制加热丝的电源通断来实现，将加热箱的控制方式改为电加热带供热的控制方式，通过PID

控制器组态实现对电加热丝的平均功率自动调节。

（2）增加加热箱与DCS系统远程通讯

若要实现DCS对温控器的控制，需要进行远程通讯。温控器有RS-485通讯接口，需要敷设电缆，且DCS的过程站内需要增加IO卡件。

在现有的设备条件下无法实现远程通讯，只能使用第一种控制方式。

控制程序中设置了加热保护，当温度超限时，停止加热，避免温度过高影响生产运行，导致产品不良率升高。通过在线仿真，实际调试无误后，确保控制站和操作站的状态，逐一进行控制程序下载，并对控制程序进行备份。实际调试结果是验证控制程序成果的最后阶段，程序在调试中仍然存在问题，但是对PID控制器参数进行优化后，满足生产需求。如图：

控制程序进行测试时，温度波动较大，优化后温度波动降低到1℃内，达到了工艺运行标准。可减少运行人员的工作量，提高工艺系统的稳定性。

4.2电加热箱改造

由于电加热箱生产时已经固化吹风口，改变出风口方向不易实现，采取增加风口数量的改进思路，选取了两台电加热箱进行改造，每台电加热箱增加四个出风口，且出风口均对准容器出口处。试验了一个月后，发现堵塞现象虽然有所改善，但是效果不明显。因此对出风口进行了第二次改进，扩大新增的出风口，增加容器出口处的风量，改造实施后考核一个月，效果仍然不明显。通过分析，热风从出风口到软管距离较长，虽然增加了热风量，但是热风对软管的加热和保温效果不明显，只能对容器进行加热和保温。

4.3加装电加热带

电加热带是广泛应用于生产系统内管道和小容器的一种加热设备，可以直接对软管进行加热，可以弥补电加热箱无法对特殊部位有效加热的缺点。通过对电加热箱的连接管上加装电加热带16条和铂热电阻温度计16支，将温度信号传至DCS系统进行实时监控，同时在现场加装电加热带就地控制盘，将位号添加至DCS的位号表中，并将新添加的位号添加入趋势库。根据运行电伴的经验，采用PID控制器对电伴进行组态控制，完成程序编写后在监控界面上添加监控画面和控制按钮。通过DCS系统对电伴进行控制，保证对连接管加热稳定受控，满足工艺需求。

由于电加热带温度控制使用PID控制器输出为模拟量，需要将其转化为开关量，控制电伴加热的电源通断，使电伴加热的平均运行功率与热量消耗功率持平，确保电伴加热的温度受控。

5 结论

1）本文通过对生产系统频繁堵塞的现象进行分析，确认堵塞原因是由于加热不均匀导致，对电加热箱进行优化，解决了管道堵塞的问题。并根据生产需求，对电加热箱的控制方式进行了优化，设计了合理的组态程序，实现了远程自动加热。并对电加热箱的缺陷进行了改进，对软管加装了电加热带，编制了电加热控制组态程序，完成了相关设备与程序功能的调试工作，程序经现场调试合格，实现了设计目标，设备加热均匀受控，产品不良率明显下降。

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