PLC在水煤漿鍋爐燃燒控制中的應用

余淑榮 張曉東 吳明亮 趙 坤 宋乃軍

(1.蘭州理工大學，蘭州 730050；2.甘肅景泰民安供熱有限公司，甘肅 白銀 730400)

PLC作為工業過程自動化控制系統中的核心部件，因其良好的控制特性和簡單易學的操作方法，已在世界工業控制領域里得到了廣泛應用。隨著環保問題越來越受到關注，鍋爐燃燒系統對于燃料的選擇則變得十分重要。水煤漿是一種新型煤基流體燃料，因其可以像油一樣泵送、霧化、存貯和穩定燃燒，并且燃燒效率高、環境污染少，已逐漸成為鍋爐的首選燃料。但是傳統的采用程控器和儀表的控制方式功能簡單、控制效率低且信號采集數量少，難以實現對水煤漿鍋爐的有效控制。因此筆者基于西門子S7-300 PLC為蘭州某熱源廠設計了水煤漿鍋爐燃燒控制系統，利用PLC易擴展、可編程、優異的運算能力和穩定可靠的現場工作性能，通過自整定模糊PID算法準確地實現了燃燒控制和燃料風量配比。

1 燃燒控制系統軟硬件設計①

水煤漿鍋爐的自動燃燒控制是根據對鍋爐自身及循環系統等的工藝流程和要求所實現的[1]。根據DCS系統“分散控制，集中管理”的基本特點，整個控制系統主要由上位計算機、下位PLC和通信網絡組成，燃燒控制子系統主要包括信號采集、燃燒流程及閉環調節等[2]。水煤漿鍋爐監控系統拓撲結構(局部)如圖1所示。

信號采集主要由分布在整個鍋爐各測點的傳感器、變送器以及相應的信號處理設備完成，模擬量信號一般都以4～20mA(DC)送入PLC模擬量模塊中，經CPU計算處理再由模擬量模塊輸出，控制執行機構或設備的運行。

鍋爐點火后，燃燒控制子系統根據相關工藝要求自動啟動流程，直到鍋爐進入正常燃燒狀態。

圖1 監控系統拓撲結構(局部)

整個過程都在上位計算機上進行監控，可對出現的報警信號(如出水溫度過高及爐膛負壓過大等)進行排查。整個水煤漿鍋爐的燃燒過程控制，是在PLC中通過一定的PID閉環控制算法實現的。

1.1 硬件配置

燃燒控制系統采用西門子S7-300 PLC作為控制系統的核心。上位計算機與CPU之間采用Ethernet以太網通信。具體配置為：

中央處理器模塊 CPU 315-2DP/PN

電源模塊 PS307 5A

數字量輸入模塊 SM321

數字量輸出模塊 SM322

模擬量輸入模塊 SM331

模擬量輸出模塊 SM332

CPU與模塊之間采用U型連接器(總線)連接以實現通信。圖2所示為鍋爐燃燒控制系統0號中央機架結構。

圖2 鍋爐燃燒控制系統0號中央機架結構

1.2 軟件配置

燃燒控制系統采用STEP7編程軟件進行PLC編程和硬件組態。上位計算機采用西門子公司的SIMATIC WinCC 7.0組態監控軟件。SIMATIC WinCC 7.0內置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態，可基于Web持續延展，采用開放性標準，集成簡單，實現了硬件系統和上位監控軟件系統之間的無縫鏈接。

2 燃燒控制和實現

水煤漿鍋爐的燃燒采用空氣壓力霧化懸浮燃燒原理。水煤漿與空氣經燃燒器以射流方式進入爐膛，促使煤漿氣流與熾熱煙氣產生強烈混合，水分迅速蒸發；同時水煤漿氣流又受到爐膛四壁和高溫火焰的輻射，而將懸浮在氣流中的煤顆粒迅速加熱，水煤漿顆粒獲得足夠的熱量并達到一定溫度開始著火燃燒。其著火熱隨燃料的性質和運行工況的變化而變化，鍋爐負荷低時，爐膛平均煙溫降低，燃燒器區域的煙溫也降低，反之則升高。燃燒控制的關鍵在于控制燃料(水煤漿)與風量的配比，使燃料充分高效燃燒并保證系統安全。

2.1 燃料與風量配比控制

本鍋爐為供暖熱水鍋爐，燃燒控制的對象為熱媒的出口溫度和爐膛的壓力。礙于篇幅筆者只對前者進行闡述，后者與之類似。

對水煤漿鍋爐熱媒出口溫度的控制，主要是對燃料供給量的控制。由于水煤漿自身的特點，對燃料供給量的控制也就轉化為對供漿泵頻率的控制。在PLC控制系統中，對供漿泵頻率的控制是采用PID自動調節的方式。圖3所示為熱媒出口溫度PID控制原理。傳統的PID控制主要是控制具有確切模型的線性過程，而鍋爐控制系統屬于非線性、時變性、大滯后性、強耦合和多變量系統，所以應采用更為有效的自整定模糊PID控制方式[3]。

圖3 熱媒出口溫度PID控制原理

自整定模糊PID控制器以傳統PID控制器為基礎，引入模糊集合論，將PID參數根據偏差e(t)和偏差變化率ec(t)的大小而動態變化，更符合被控對象真實的控制規律。

模糊系統是一種基于知識或規則的系統。它的核心就是由所謂的IF-THEN規則所組成的知識庫。各部分具體設計如下。

模糊化與反模糊化設計。輸入、輸出語言變量為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，即{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；模糊量化論域為{-3，-2，-1,0,1,2,3}。

模糊控制器和模糊規則表設計。圖4所示的自整定模糊PID控制器中存在5個變量：Ke、Kec、Ki、Kp、Kd，通過數據重組將其變換為{Ke、Kec、Kp}、{Ke、Kec、Ki}、{Ke、Kec、Kd}。由此將兩輸入三輸出系統轉換為兩輸入單輸出系統，便于簡化總體系統設計[4]。以{e(t)，ec(t)，Kp}為例加以說明。

圖4 自整定模糊PID控制器結構

取Kp的論域為{-5,5}。表1、2分別為模糊規則表和模糊查詢表。

表1 模糊規則表

表2 模糊查詢表

在STEP7編程軟件中有豐富的功能模塊，可為模糊控制的實現提供便利。文中PLC程序設計采用模塊化的編程方法。主模塊OB1實現對子程序的調用和數據的傳遞，OB35為時間中斷服務程序。FB1模塊為模糊控制器，在OB35中調用。FB41是連續PID子程序模塊。DB10是STEP7中建立的一個數據塊，在其中建立一個數組類型的數據Output，類型為一個7行7列的二維數組。

部分PLC控制程序如圖5、6所示。

圖5 模擬量輸入、輸出處理程序

圖6 PID調節功能模塊子程序

2.2 系統安全性保證

為保證系統工作的安全性，在硬件設計中，采用質量和性能較好的Schneider變頻器、國內性能較好的水煤漿鍋爐燃燒控制器、防爆等級較高的傳感器、變送器等，并且根據工藝要求，在各個相關設備和執行機構之間采用了聯鎖、互鎖、限位及報警等控制。在控制程序設計和上位界面設計時，也加入了聯鎖、互鎖及報警等控制。從軟、硬件兩方面雙重保證了系統的安全性。

3 結束語

與目前現有的電氣儀表設備控制技術相比，本控制方式結合成熟的西門子S7-300 PLC軟、硬件系統與技術支持，采用簡單、有效、合理的控制程序，在傳統PID控制思路和方式中，加入模糊控制技術，在熱媒出口溫度及爐膛負壓等控制中，發揮了較好的控制效能，提高了燃燒效率，增強了燃燒效果，節約了生產成本，減少了環境污染。經過一個采暖期的實際應用，該系統運行狀態良好，熱媒出口溫度控制在工藝要求范圍之內，并且具有系統組態靈活、數據處理方便及人機界面友好等優點，在水煤漿鍋爐控制系統中具有一定的推廣價值。

[1] 盧志航，胡月丹，文勇.西門子PLC在鍋爐燃燒系統控制中的應用[J].長春理工大學學報(自然科學版)，2011,34(4):79～82.

[2] 張麗娜，李珂，賈靜梅，等.淺議水煤漿鍋爐的技術特點及其應用[J].節能技術，2009,31(5):40～42.

[3] 劉紅兵.模糊PID自整定技術在PLC中的實現[J].PLC&FA，2013,(1):99～103.

[4] 趙笑笑.基于模糊理論與常規PID控制的模糊PID控制方法研究[J].山東電力技術，2009,36(6):54～56.