Nan基于PLC和FCS鍋爐汽水控制系統設計

劉國華

（1湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2株洲職業技術學院，湖南 株洲 412000）

1 鍋爐汽水運行監控系統結構

PLC和FCS相結合的控制體系，成為改造后的鍋爐汽水運行監控系統的突出特點，該體系具有底層到頂層的3層結構，底層為現場設備層，中間為控制層，最上層為中心調度管理層。鍋爐監控系統包括中央監控機、一個控制主站和3個現場控制子站。中央控制室配備的工控機上裝有組態王6.51組態軟件，用以實現對各監控功能的組態編程。現場控制層面設有3個PLC控制子站，分別用于監控和采集鍋爐水位、蒸氣壓力和蒸汽流量等其他現場參數。

2 鍋爐汽水系統運行的監控策略與參數處理

（1）監控策略。確保鍋爐水位在一定范圍內相對穩定，是鍋爐運行的必要條件。鍋爐給水量決定鍋爐水位，運行中，根據鍋爐水位的變化調節鍋爐給水量。鍋爐運行時，水位過低，會造成干鍋和燒壞水冷壁；水位過高，會造成飽和蒸汽帶水急劇增加，影響蒸汽質量，嚴重時有可能危及到汽輪機的安全運行。給水壓力和汽包壓力是決定鍋爐水位的主要因素。鍋爐水位控制方案采用了鍋爐汽包水位的人工神經網絡算法。建立的人工神經網絡優化控制結構，包括神經網絡預測環節、優化控制器環節和反饋校正環節三個部分。

該優化控制器運用的性能指標數學模型如式﹙1﹚所示：

式中 H﹙t+jt﹚=H'﹙t+j﹚+e﹙t﹚，e﹙t﹚表示當前的汽包水位H 真值﹙Hm﹙t﹚﹚與網絡預測汽包水位 H 值﹙H'﹙t﹚﹚的差值，即e﹙t﹚=Hm﹙t﹚H'﹙t﹚，稱為預測誤差；m 為控制時域；ρ 為控制加權因子；ΔQ為給水循環泵流量的變化值。

鍋爐汽包水位值H未來行為軌跡的變化，可利用神經網絡預測模型進行預測，從而在控制量的容許區間內得到一組最優控制增量﹛ΔQ﹙t+j-1﹚，j=0，1，2，···，m﹜及與 ΔQ 對應的Q=［Q﹙t﹚，Q﹙t+1﹚，···，Q﹙t+m-1﹚］，將 Q﹙t﹚作為施加的控制量，輸入到神經網絡預測模型，通過采樣刷新，得到連續優化控制。

（2）鍋爐汽水系統運行狀態參數的采集與傳輸。鍋爐汽水控制系統中的大部分運行狀態參數量（如 H、P、B、V、L、溫度（T)等信號）采集與傳輸采用如下模式進行。①該鍋爐控現場設備控制系統中，各功能子站PLC的DeviceNet單元具有單獨專用信號電纜線與現場狀態參數量檢測終端相接，而其它的數據采集設備與DeviceNet接口具有相同的通信接口協議，它們可直接連到DeviceNet現場總線上受主站PLC控制。②系統中大部分運行狀態參數量信號經過采集設備處理后，通過現場總線傳送給子站PLC。系統利用DeviceNet現場總線網絡以及信號傳感器、變送器的自動化檢測技術來實現對現場信號的采集和傳輸。

3 PLC控制系統程序設計

（1）鍋爐汽水系統運行的工藝流程。根據其工作原理和所要達到的功能要求，設計出鍋爐汽水控制系統的控制流程。

（2）鍋爐汽水系統運行的控制程序設計。鍋爐汽水控制系統是一個非常復雜的非線性控制系統，鍋爐汽包水位是鍋爐汽水控制系統中關鍵的物理控制量。

系統控制運行步驟：①系統開機檢測、參數設定等初始化完畢后，第一步，檢測鍋爐水位。若水位在低II和高II狀態，顯示緊急報警并立刻自動停機；若水位在低I位置，顯示報警，同時自動開動注水泵對鍋爐進行補水，水位高于低I位置，正常啟動鍋爐運行。②鍋爐點火和開啟空氣泵，開始給鍋爐加熱。若檢測水位在高I位置，顯示報警，并自動開啟放水閥門放水，若低于高I位置時，鍋爐加熱正常運行。③當注水達到鍋爐設定的液位時，開啟用戶閥門，開始向用戶輸出蒸汽，同時，利用PLC中的神經網絡預測控制,確保鍋爐汽包水位在一定穩定值范圍內小幅波動。

4 鍋爐汽水系統運行監控功能的實現

（1）鍋爐汽水系統監控主界面。以流程圖的形式，通過圖形符號的顏色、參數變化與閃爍等方式，動態顯示鍋爐的運行狀態，操作人員可通過此界面直觀讀取鍋爐汽水生產中的各工藝參數。包括汽包水位高度、汽包內氣壓、蒸汽流量、蒸汽溫度等。

（2）考核參數表畫面。系統生產過程的各工藝參數與其對應的名稱可以以表格形式同步實時顯示出來，系統的主要運行狀態參數以表格形式在考核系統中列出來，方便歸納、總結與對比。也可根據需要來查詢相應日期的數據報表，方便生產操作人員對數據進行整理和分析，有利提高鍋爐的生產效率。

（3）操控畫面。系統各控制回路的生產運行狀態和相關參數以調節棒圖的形式顯示出來。操作人員可以利用鍵盤或鼠標方便地對各控制回路的參數進行在線修正。同時也可對控制回路進行手動/自動切換，實現相應操作。

（4）趨勢畫面。用于記錄系統主要生產工藝參數的實時趨勢曲線畫面和歷史趨勢曲線畫面，圖示畫面為某一班次1#鍋爐實時趨勢曲線畫面，該畫面從上到下依次為供水量變化曲線、出水溫度變化曲線、蒸汽流量變化曲線，當班實時變化曲線時間參數可取1、5、15min等7個時間段，實時趨勢曲線畫面用來反映鍋爐運行參數在短時間內的變化走勢的曲線畫面，操作人員可根據參數變化趨勢及時調整相關的控制參數，使鍋爐處于最佳工作狀況，從而提高生產效率；歷史趨勢曲線畫面用來反映一班或某一天的數據變化，操作人員可根據參數變化趨勢及時了解一定時間內相關控制參數的穩定性與趨變特性。

（5）報警窗口及警鈴。系統在運行中因故障產生的報警信號，都將在畫面下方的報警窗口欄中顯示出來，同時記錄報警產生的日期和時間。

5 結語

邵陽市化纖廠75t/h燃煤鍋爐汽水控制系統經過改造后的運行結果表明，改造后的系統燃煤熱效率由86.31%提高到90.57%，提高了4.26%；飛灰中可燃物的含碳量由改造前的11.48%下降到7.87%，下降了3.61%；當班工人人數由每班27人下降到13人，每班減少人員14人，同時大大降低了工人的勞動強度。總之，改造后的系統不僅具有可靠性強、可視性好、智能化程度高的特點，而且具有減員增效的良好效果，在同類集中供熱鍋爐汽水系統改造中有良好的應用推廣前景。