Nan基于PLC和FCS鍋爐汽水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉國(guó)華

（1湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

1 鍋爐汽水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC和FCS相結(jié)合的控制體系，成為改造后的鍋爐汽水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的突出特點(diǎn)，該體系具有底層到頂層的3層結(jié)構(gòu)，底層為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，中間為控制層，最上層為中心調(diào)度管理層。鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)包括中央監(jiān)控機(jī)、一個(gè)控制主站和3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制子站。中央控制室配備的工控機(jī)上裝有組態(tài)王6.51組態(tài)軟件，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)控功能的組態(tài)編程。現(xiàn)場(chǎng)控制層面設(shè)有3個(gè)PLC控制子站，分別用于監(jiān)控和采集鍋爐水位、蒸氣壓力和蒸汽流量等其他現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)。

2 鍋爐汽水系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控策略與參數(shù)處理

（1）監(jiān)控策略。確保鍋爐水位在一定范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，是鍋爐運(yùn)行的必要條件。鍋爐給水量決定鍋爐水位，運(yùn)行中，根據(jù)鍋爐水位的變化調(diào)節(jié)鍋爐給水量。鍋爐運(yùn)行時(shí)，水位過(guò)低，會(huì)造成干鍋和燒壞水冷壁；水位過(guò)高，會(huì)造成飽和蒸汽帶水急劇增加，影響蒸汽質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)有可能危及到汽輪機(jī)的安全運(yùn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)、優(yōu)化控制器環(huán)節(jié)和反饋校正環(huán)節(jié)三個(gè)部分。

該優(yōu)化控制器運(yùn)用的性能指標(biāo)數(shù)學(xué)模型如式﹙1﹚所示：

式中 H﹙t+jt﹚=H'﹙t+j﹚+e﹙t﹚，e﹙t﹚表示當(dāng)前的汽包水位H 真值﹙Hm﹙t﹚﹚與網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)汽包水位 H 值﹙H'﹙t﹚﹚的差值，即e﹙t﹚=Hm﹙t﹚H'﹙t﹚，稱為預(yù)測(cè)誤差；m 為控制時(shí)域；ρ 為控制加權(quán)因子；ΔQ為給水循環(huán)泵流量的變化值。

鍋爐汽包水位值H未來(lái)行為軌跡的變化，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而在控制量的容許區(qū)間內(nèi)得到一組最優(yōu)控制增量﹛ΔQ﹙t+j-1﹚，j=0，1，2，···，m﹜及與 ΔQ 對(duì)應(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)采樣刷新，得到連續(xù)優(yōu)化控制。

（2）鍋爐汽水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集與傳輸。鍋爐汽水控制系統(tǒng)中的大部分運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)量（如 H、P、B、V、L、溫度（T)等信號(hào)）采集與傳輸采用如下模式進(jìn)行。①該鍋爐控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)中，各功能子站PLC的DeviceNet單元具有單獨(dú)專用信號(hào)電纜線與現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)量檢測(cè)終端相接，而其它的數(shù)據(jù)采集設(shè)備與DeviceNet接口具有相同的通信接口協(xié)議，它們可直接連到DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線上受主站PLC控制。②系統(tǒng)中大部分運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)量信號(hào)經(jīng)過(guò)采集設(shè)備處理后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給子站PLC。系統(tǒng)利用DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)以及信號(hào)傳感器、變送器的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和傳輸。

3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（1）鍋爐汽水系統(tǒng)運(yùn)行的工藝流程。根據(jù)其工作原理和所要達(dá)到的功能要求，設(shè)計(jì)出鍋爐汽水控制系統(tǒng)的控制流程。

（2）鍋爐汽水系統(tǒng)運(yùn)行的控制程序設(shè)計(jì)。鍋爐汽水控制系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)，鍋爐汽包水位是鍋爐汽水控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的物理控制量。

系統(tǒng)控制運(yùn)行步驟：①系統(tǒng)開(kāi)機(jī)檢測(cè)、參數(shù)設(shè)定等初始化完畢后，第一步，檢測(cè)鍋爐水位。若水位在低II和高II狀態(tài)，顯示緊急報(bào)警并立刻自動(dòng)停機(jī)；若水位在低I位置，顯示報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)動(dòng)注水泵對(duì)鍋爐進(jìn)行補(bǔ)水，水位高于低I位置，正常啟動(dòng)鍋爐運(yùn)行。②鍋爐點(diǎn)火和開(kāi)啟空氣泵，開(kāi)始給鍋爐加熱。若檢測(cè)水位在高I位置，顯示報(bào)警，并自動(dòng)開(kāi)啟放水閥門放水，若低于高I位置時(shí)，鍋爐加熱正常運(yùn)行。③當(dāng)注水達(dá)到鍋爐設(shè)定的液位時(shí)，開(kāi)啟用戶閥門，開(kāi)始向用戶輸出蒸汽，同時(shí)，利用PLC中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制,確保鍋爐汽包水位在一定穩(wěn)定值范圍內(nèi)小幅波動(dòng)。

4 鍋爐汽水系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

（1）鍋爐汽水系統(tǒng)監(jiān)控主界面。以流程圖的形式，通過(guò)圖形符號(hào)的顏色、參數(shù)變化與閃爍等方式，動(dòng)態(tài)顯示鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，操作人員可通過(guò)此界面直觀讀取鍋爐汽水生產(chǎn)中的各工藝參數(shù)。包括汽包水位高度、汽包內(nèi)氣壓、蒸汽流量、蒸汽溫度等。

（2）考核參數(shù)表畫(huà)面。系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的各工藝參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的名稱可以以表格形式同步實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，系統(tǒng)的主要運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以表格形式在考核系統(tǒng)中列出來(lái)，方便歸納、總結(jié)與對(duì)比。也可根據(jù)需要來(lái)查詢相應(yīng)日期的數(shù)據(jù)報(bào)表，方便生產(chǎn)操作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，有利提高鍋爐的生產(chǎn)效率。

（3）操控畫(huà)面。系統(tǒng)各控制回路的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)以調(diào)節(jié)棒圖的形式顯示出來(lái)。操作人員可以利用鍵盤或鼠標(biāo)方便地對(duì)各控制回路的參數(shù)進(jìn)行在線修正。同時(shí)也可對(duì)控制回路進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作。

（4）趨勢(shì)畫(huà)面。用于記錄系統(tǒng)主要生產(chǎn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫(huà)面和歷史趨勢(shì)曲線畫(huà)面，圖示畫(huà)面為某一班次1#鍋爐實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫(huà)面，該畫(huà)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(dāng)班實(shí)時(shí)變化曲線時(shí)間參數(shù)可取1、5、15min等7個(gè)時(shí)間段，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫(huà)面用來(lái)反映鍋爐運(yùn)行參數(shù)在短時(shí)間內(nèi)的變化走勢(shì)的曲線畫(huà)面，操作人員可根據(jù)參數(shù)變化趨勢(shì)及時(shí)調(diào)整相關(guān)的控制參數(shù)，使鍋爐處于最佳工作狀況，從而提高生產(chǎn)效率；歷史趨勢(shì)曲線畫(huà)面用來(lái)反映一班或某一天的數(shù)據(jù)變化，操作人員可根據(jù)參數(shù)變化趨勢(shì)及時(shí)了解一定時(shí)間內(nèi)相關(guān)控制參數(shù)的穩(wěn)定性與趨變特性。

（5）報(bào)警窗口及警鈴。系統(tǒng)在運(yùn)行中因故障產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)，都將在畫(huà)面下方的報(bào)警窗口欄中顯示出來(lái)，同時(shí)記錄報(bào)警產(chǎn)生的日期和時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

邵陽(yáng)市化纖廠75t/h燃煤鍋爐汽水控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造后的運(yùn)行結(jié)果表明，改造后的系統(tǒng)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(dāng)班工人人數(shù)由每班27人下降到13人，每班減少人員14人，同時(shí)大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。總之，改造后的系統(tǒng)不僅具有可靠性強(qiáng)、可視性好、智能化程度高的特點(diǎn)，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(tǒng)改造中有良好的應(yīng)用推廣前景。