控制技術在三合一循環流化床鍋爐中的應用

鄭月齋　陳曉英　李文健　周成華　胡斌　王標兵

摘 要： 針對三合一循環流化床鍋爐的工作原理和特點，采用方便、快捷的手段，在比較成熟的控制參數的基礎上，對控制系統的實現進行了探索和實施。隨著網絡應用的普及化，筆者對下一步的故障遠程診斷進行了專家系統設計思路的探索。

關鍵詞： 鍋爐控制； PLC； WinCC； 故障診斷

中圖分類號： TP 273，TK 323 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）04-0085-04

0 引 言

Internet+本質上是對實體企業技術上的升級改造，關鍵技術問題是對底層數據的采集和對采集上來的數據的應用，以達到特定的目的。循環流化床燃燒技術由于其具有諸多優點，已被列入國家重點推廣的清潔燃燒技術之一，現在越來越多地被應用在鍋爐上。鍋爐作為生產和生活的主要動力源，在國民經濟中起著非常重要的作用。本文就控制技術在三合一循環流化床鍋爐中的應用進行了一些探索。

1 控制技術的設計思路

1.1 控制系統的輔助工具

在使用過程中需要實時的監控鍋爐的工作狀態，對生產過程中的檢測數據出現異常時需要進行報警，如冷卻系統、循環系統、設備出現異常時的報警，使問題能得到及時的處理。在系統設計中，用到了Siemens的Step7和Win CC軟件。Win CC是西門子公司開發的上位機組態軟件，主要用于對生產過程進行監控，Step7是西門子公司的下位機編程軟件。視窗控制中心（Windows Control Center，Win CC）提供的圖形化工具，可方便地實現控制過程中的一些關聯的界面的開發，如變量組態（內部變量和與step7通信的變量）、畫面組態（有時鐘、報警、在線表格控件）、報警組態、變量記錄的組態等，方便地建立生產和加工過程中的實時窗口，建立過程容易操作，操作邏輯易理解，它的最大的優點是能夠在運行和組態環境之間快速完成被修改畫面的測試，而不影響生產過程中的實時報警和數據采集，內置了豐富Active X控件，方便了生產監控系統的實現。

1.2 控制系統的結構設計

鍋爐的主要設備包括了氣鍋、爐子、爐堂、鍋堂、水冷壁、過熱器、燃燒設備、引風設備、送風設置，給水設備、空氣預熱器、燃料供給線路設備及除塵設備等組，嚴格來說，控制系統實現的功能主要是對這些點的運行狀態信息進行采集，需要的話，采取觸發控制的方式啟停相應的設備，如相關的閥門或開關，因此，是一個典型的多變量、純滯后、強耦合的控制系統[1]，需要在控制策略和軟件實現上很好地解決多變量間的解偶關系和工作機制中的滯后響應問題。在控制系統設計上采用了目前使用較多的集中控制分散驅動（P-T方案）的集散控制思想[2]，把控制系統分為三層[3]，如圖1所示。

用戶管理層：用戶層是整個控制系統的核心，主要實現控制相關的技術參數的指標的設定（在圖1的工控機上），是實現Internet+關鍵層，在用戶層完成Wincc功能的各類組態，如歷史趨勢、報警、數據采集、變量組態，還有其他的一些參數設置，如與控制層通信的協議設置模式，在常規組態無法滿足功能要求時的控制程序的設計和開發等等?？梢詫崿F數據的實時查看和運行狀態的監控，同時具有歷史數據的追蹤、參數超出正常值時報警與故障的提示處理等功能。

控制層：圖1中的PLC部分，是整個控制系統的中樞，主要完成各種控制動作命令的下達、通過DI采集現場的實時數據，將數據傳到用戶管理層，數據分析后，通過DO控制設備層的動作，并完成處理。連鎖動作在數據采集的過程中，可能需要對數據進行一些處理，采用一些觸發的機制完成對控制對象的操控。

設備層：圖1中的各類變頻器是控制系統中和現場設備直接連接的設備，接受來自PLC的控制命令，根據命令執行相應的動作或提供相應的檢測數據。主要由一些閥門和變送器、斷電器等組成。

2 控制系統的設計策略

鍋爐的控制系統緊密圍繞生產過程中的關鍵點開展[4]。關鍵點包括溫度的控制、水位的控制以及產生穩定的蒸汽。

2.1 給水控制

給水的自動控制是由汽包水位、蒸汽流量和給水流量三沖量的控制來進行的。其中汽包水位是主信號，通過調節給水泵轉速或給水調節閥的開度，調節給水流量，維持汽包水位在正常范圍內。當水位超過規定范圍時，上位機的界面上可以根據組態的情況做出報警的提示；當出現水位過高時，控制系統打開閥門，調整汽包水位。蒸汽流量的信息采集上來用于控制給水流量，給水流量作為反饋信號。

汽包水位自動控制分為單沖量和三沖量控制方式，單沖調節器可以在手動或自動狀態下運行。三沖量可以在手動、自動、串級狀態下運行。單沖量在鍋爐啟動時控制汽包水位，三沖量用于鍋爐負荷大于30%時控制汽包水位。根據三沖量給水調節的原理，PLC程序中利用Step7的PID控制功能實現串級控制，框圖如圖2所示。圖2中，給水調節閥收到開關量驅動信號后，根據信號電機自行正向或反向運行，執行打開或關閉閥門的操作。

水位會因為多種原因產生擾動，如水流量的壓力變化，閥門開關度的改變時都會造成水位控制的擾動，在系統設計中，采用了給水流量信號的反饋作用，控制系統能穩定給水流量?？刂仆猸h是根據蒸汽流量的前饋信號來進行鍋筒水位的控制，這種控制方式能克服因溫度和壓力的變化造成的“虛假水位”而產生的調節器誤動作，從而有效的提高水位的控制精度，確保鍋爐安全穩定的運行。

2.2 蒸汽壓力控制

蒸汽壓力的穩定為設備安全穩定的運行提供保障，蒸汽壓力控制和經濟燃燒的控制框圖如圖3所示。圖3中，利用step7 的PID功能塊對爐排的運行速度進行相應的調整，排汽的過程中，結合對鼓風機鼓風量的調節，實現蒸汽壓力的穩定。

2.3 爐膛負壓控制

爐膛壓力是指送入爐膛內的空氣、煤粉及煙氣和引風機吸走的煙氣量之間的平衡關系。爐膛負壓是反映燃燒工況穩定與否的重要參數，是運行中要控制和監視的重要參數之一。使用壓力表檢測出爐內壓力，將壓力信號轉換為電流信號，用電信號控制引風機頻率，控制引風量。只要PI參數整定合適，一般采用單回路閉環負反饋控制策略，即可把爐膛負壓穩定在-40～-60 Pa（如圖4）：[5]太小，爐火外噴；太大，漏風量增加，增加電耗。

2.4 穩定性設計

從控制系統的結構圖可以看出，系統中有大的交流電機和變頻器，PLC系統由電子元器件組成，肯定會對PLC系統造成干擾，造成干擾的后果是影響采集上來的信號，造成控制系統的故障。為防止干擾，需要對系統電源和接地做好處理，高頻電路就近多點接地，低頻電路一點接地，要注意交流地和信號地不能共用。在系統建立時，對浮地還是接地根據需要進行選擇，同時，在PLC程序中要考慮周全，做好相應的處理程序。

（1） 一般來說，模擬量信號比開關量信號易受到外界的干擾，干擾信號大多是在變頻器的啟停和大的接觸器通斷時發生，在開啟相應的設備時，程序中須考慮可能造成的干擾處理，加強對模擬信號的監測，在設備開?；蛴须娫吹耐〝鄷r，考慮一定的時間周期，避免馬上造成的干擾異動，確保控制系統的穩定運行。

（2） PLC編程時，要考慮系統的運行速度可能會造成的意想不到的結果（前面的程序指令執行了，但控制系統設備運行由于速度的限制還沒有結束，新的指令又已到達的情況），需要適當的設置一些空指令。

（3） 在PLC由于程序運行出現故障造成停機時，編寫的程序要有較強的自修復能力，恢復PLC設備工作，使系統恢復到正常的工作狀態，同時做好記錄告知工作，使技術人員能及時的發現存在的隱患，對于頻繁出現的情況及時分析原因，找到解決問題的方法。

3 基于GPRS系統的專家診斷系統

在物聯網快速發展的今天，物聯網技術在本項目產品中的應用，對應提升產品的智能化管理與售后服務的快速響應，具有重要的意義。本項目預留基于GPRS系統的接口，用戶可根據需要，選配相關配件后，結合移動物聯網業務平臺，建立專家診斷系統，實現對變頻粒蒸汽鍋爐的無線智能交互控制；對動態設備地理位置、自動維護、設備用戶和經銷商等信息的智能化管理；對運行狀態實時監測和故障診斷[6]；企業對產品的快速售后響應（如圖5和圖6所示）。

支持物聯網應用的鍋爐的監測系統原理如圖7所示。

圖7中，鍋爐的運行數據通過溫度、壓力水位等傳感器來采集，信號發生器將鍋爐的運行數據、地理位置信息和用戶信息通過物聯網傳送到設備制造者和設備使用者的計算機或者手機上，設備制造者和設備使用者可以實時了解鍋爐的運行狀態。通過監測軟件，設備制造者能夠對鍋爐遠程故障診斷，并可以通過物聯網將控制信號傳送到汽鍋爐上，遠程對鍋爐進行控制和維護，便于企業制定維護計劃，實現快速產品維護服務。這幾項關鍵技術的運用，提高了鍋爐的科學技術含量，在性能，參數等方面都達到國內領先水平；并極大提高了燃燒效率，創造更大的經濟效益。

4 結束語

三合一循環流化床鍋爐控制系統技術，采用了底層的控制系統對具體設備的數據采集和監控，探索了利用網絡技術實現故障出現時的故障診斷方法，方便、快捷的實現對遠程設備故障的初步診斷，為快速的解決問題提供了有力的保障。

參考文獻：

[1] 莊濤. 工業蒸汽鍋爐的自動化控制研究與實現[D]. 山東大學，2008.

[2] 朱國楨，徐洋. 循環流化床鍋爐設計與計算[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[3] 王文標. 鍋爐集成自動化系統的設計與應用[D]. 大連海事大學，2007.

[4] 岑可法，倪明江，駱仲泱，等. 循環流化床鍋爐理論設計與運行[M]. 北京：中國電力出版社，1998.

[5] 吳明永. 工業鍋爐控制策略研究與控制系統設計[D]. 蘭州理工大學，2009.

[6] 呂俊復，張建勝，岳光溪. 循環流化床鍋爐運行與檢修[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

Abstract： According to the working principle and characteristics of a circulating fluidized bed boiler， the article explorers and implements control system base on the experiencedcontrol parameter in convenient and quick ways. With the popular and development of Internet network， proposes the expert system on the long distance fault diagnosis.

Keywords： controlment on boiler； PLC； WinCC； fault diagnosis

（責任編輯：徐興華）