張 弛，吳明亮，吳明永,黃將誠

(1.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)(2.蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070)(3.重慶電子工程職業學院計算機學院，重慶 401331)

鍋爐是工業生產中動力供應的主要設備，同時也是北方城市冬季供暖不可或缺的重要設備[1-2]。鍋爐是將一次能源轉化為二次能源的高能耗、高危險、高污染的設備，因此自動化程度的提高將大大提升其能源利用率和設備的安全性，降低其形成的沉重的環境負擔，同時還能夠降低操作人員的勞動強度[3]。隨著計算機技術、現代控制技術以及變頻調速技術的快速發展，以PLC為核心的控制系統由于其自身的穩定性和易于擴展等優點，越來越廣泛地被應用于鍋爐的控制系統中。

本文以西門子S7-300 PLC系統為核心，充分利用S7-200PLC系統、SOFTLINK 153-1、IM153、EM277以及其他模擬量和數字量輸入輸出模塊，將現場的所有設備構建為分布式控制系統[4]。利用西門子WinCC 7.0，將上位系統同樣構建為客戶機-服務器模式，實現上位機對鍋爐系統的監控和安全操作。

1 鍋爐系統分析及工藝要求

1.1 鍋爐系統介紹

鍋爐系統主要包括燃燒系統、水循環系統和上煤系統。

燃燒系統主要負責當鍋爐的負載發生改變時，對爐膛的引風量、鼓風量和燃料的量進行調節。引風量過大將造成爐膛、煙道負壓增大，導致燃燒不穩定、不完全，系統運行既不經濟也不安全；風量過小時爐膛負壓會減小乃至變正，系統運行不安全。因此需要燃燒系統進行實時調節。燃燒系統的調節是通過對引風機、鼓風機和爐排電機的變頻調速來實現的。

水循環系統是以水為介質進行熱交換的系統。鍋爐中的熱水通過循環泵被送到用戶處，當熱量被消耗掉后，從用戶處返回來的回水通過除污處理之后經過回水管被送到鍋爐繼續加熱。在這個過程中必然會造成水壓的降低，因此經過脫鹽軟化和除氧的水通過補水泵對鍋爐進行補水。

上煤系統主要是對鍋爐進行燃料添加。原煤被破碎為均勻的煤塊之后，通過斗式提升機將煤塊送入到犁式卸料器，犁式卸料器再將煤塊均勻地灑在水平運輸皮帶上，而后送至各個煤倉，煤倉的鏈式爐排將燃料送至爐膛。

除此之外，鍋爐還應具備脫硫、除塵、除渣、除灰等輔助系統。

1.2 系統劃分

本文的研究對象為2臺20t熱水鍋爐和1臺65t熱水鍋爐，依照1.1節對鍋爐系統的劃分，將其分為4個子系統。

1)燃燒系統：包括3臺引風機、3臺鼓風機、3臺爐排機，變頻器選用ABB ACS510系列變頻器。

2)水循環系統：主要包括補水泵2臺、循環泵4臺、離子交換器1臺、除氧器1臺，補水泵和循環泵的變頻器同樣選用ABB ACS510系列變頻器。

3)上煤系統：主要包括破碎機、水平運輸皮帶、斗式提升機、犁式卸料器等。

4)輔助系統：主要包括除渣機、除灰機、攪拌機、脫硫循環泵等。

1.3 各子系統工藝要求

1)燃燒系統。

每臺鍋爐的引風機、鼓風機、爐排機都要求采用變頻控制，并設置連鎖/解鎖模式。處于連鎖模式時，各電機將按照引風機、鼓風機、爐排機的順序啟動，停止時按照爐排機、鼓風機、引風機的順序停止；解鎖模式下各電機可獨立啟/停。當鍋爐在自動控制狀態下工作時，PLC可根據供熱負載的大小和出、回水溫差采用模糊控制理論自動調整爐排機、鼓風機、引風機電機的工作頻率。

2)水循環系統。

水循環系統配備4臺循環泵，其中1臺為備用泵，具體為1#、2#、3#循環泵分別給1#、2#、3#鍋爐供水，4#循環泵備用，4臺循環泵均為變頻控制。補水泵采用變頻控制并由PID控制器調節，以保證循環泵入口管網壓力恒定。補水泵為2臺，1臺正常使用，另1臺備用。

3)上煤系統。

為防止上煤時煤粉堆積和散落，同樣設置了連鎖/解鎖模式。處于連鎖模式時，系統按照斗式提升機、水平運輸皮帶、破碎機的順序啟動，停止時則按相反的順序停止；解鎖模式下各個設備可獨立啟/停。而犁式卸料器的停止則通過接近開關進行控制。

4)輔助系統。

在上位控制系統相關的操作界面上設置軟按鈕，用于手動方式分別控制除渣機、除灰機、攪拌機、脫硫循環泵的啟/停。

2 鍋爐控制系統硬件設計

由于本文的研究對象控制規模較大，因此需要采用大中型PLC來構建整個控制系統，但是像S7-400這樣的大型PLC系統價格太高，故選取滿足系統功能要求的S7-300PLC系統，其CPU為 313C-2DP。該CPU價格適中、存儲空間大、運算速度快，且具有的2個PROFIBUS通道可便于搭建分布式系統以及與上位機進行通信；考慮到現場實際情況，選取西門子遠程I/O單元ET200M構成分布式系統，接口模塊選擇IM153-2，用來連接主機架和擴展機架[5]。上煤系統是一個相對獨立的系統，因此選取S7-200 PLC系統構成智能子站，選取EM227通訊模塊實現與主站之間的通信[6]。系統網絡構架如圖1所示。

圖1 系統網絡構架

3 鍋爐控制系統軟件設計

鍋爐控制系統軟件設計主要包括對作為下位機的PLC進行程序設計以及對上位機控制界面的設計。在進行PLC程序設計時，除了必須實現引風機、鼓風機、爐排機連鎖模式下的順序啟/停和上煤系統各個設備在連鎖模式下的順序啟/停以及各個模擬量的采集功能之外，其必須實現的功能還有：1)PLC可根據供熱負載的大小和出、回水溫差采用模糊控制理論自動調整爐排機、鼓風機、引風機電機的工作頻率，實現系統的模糊控制功能；2)對補水泵采用變頻控制且運用PID控制器進行調節以保證循環泵入口管網壓力的恒定，實現系統的恒值控制功能。

3.1 基于模糊控制理論的鍋爐燃燒控制系統設計

鍋爐燃燒系統是典型的非線性、多變量、時變系統，常常無法建立準確的傳遞函數[7]，而采用模糊控制可以有效地解決此類問題，故本文采用二輸入三輸出的控制器[8]。根據模糊控制本身解耦的特點，可將多輸出的控制器分解為多個單輸出的控制器進行設計。模糊控制主要存在模糊化和解模糊兩個環節，具體思路如下：將采集到的鍋爐熱負載的大小，出、回水溫差作為觀測量進行模糊化，根據各個偏差所處的區間，查詢模糊控制規則表，得到各個輸出的模糊論域，再乘以量化因子，即可得到各個變頻器的實際輸出。

3.1.1模糊化

本文的系統中選擇鍋爐熱負載的大小和出、回水溫差及溫差變化率作為觀測量，選擇引風機、鼓風機、爐排機電機的頻率作為輸出量，參考模糊PID控制器的設計方法，通過經驗、軟件仿真和現場調試確立了輸入輸出的隸屬度函數。對于輸入，熱負載的模糊論域為F={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，其中NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB分別代表偏差所處的區間為負向大、負向中、負向小、零、正向大、正向中、正向??；出、回水溫差的模糊論域為T={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}；對于輸出，引風機頻率的模糊論域為YF={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，鼓風機頻率的模糊論域為GF={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，爐排機頻率的模糊論域為LP={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。

3.1.2模糊推理

對于二輸入三輸出的模糊控制，其推理規則為：

IFFisF1andTisT1thenYFisYF1andGFisGF1andLPisLP1or

… …

IFFisFnandTisTnthenYFisYFnandGFisGFnandLPisLPn

其中:(F1，…，Fn),(T1，…，Tn)是輸入論域上的模糊子集;(YF1，…，YFn), (GF1，…，GFn),(LP1，…，LPn)是輸出論域上的模糊子集。

以引風機頻率為例，其具體控制策略見表1。

表1 引風機模糊控制規則表

3.1.3解模糊

解模糊旨在將模糊推理的結果輸出作為實際的變頻器頻率輸入，此處采用了最大隸屬度方法進行解模糊。

3.2 循環泵入口管網壓力恒定控制

利用PLC的D/A轉換模塊和PID控制算法，實現循環泵入口管網壓力的閉環控制，PLC根據循環泵入口管網壓力設定值與實際管網壓力反饋值之間的偏差，計算所需的頻率值，并將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，變頻器則相應地改變頻率，調整補水泵電機的轉速，即達到保持循環泵入口管網壓力恒定的目的。在上位機控制系統界面中同時設計了設置PID整定3個參數的界面，以方便調試。本系統壓力控制原理框圖如圖2所示。

圖2 管網壓力控制模型框圖

3.3 上位機控制系統界面設計

本文采用西門子WinCC V7.0 sp3作為上位機控制系統界面的設計軟件。與WinCC V6.2相比，該版本有以下主要優點：一是具有Windows Vista風格外觀的運行界面，視覺效果更為協調[9]；二是增強了趨勢、報警、配方等控件的功能，以趨勢控件為例，增加了數據導出按鈕，可將數據導出為CSV格式文件[10]；三是將SQL Server 2005數據庫集成在WinCC軟件中，大大方便了用戶安裝和使用[11]。除此之外， WinCC V7.0 sp3可以與Windows防火墻配合使用，大大增強了系統的安全性[12]。

該控制系統的基本設計思路為：3臺鍋爐各設置1個操作員站，在監控室另外設置1個工程師站。其中操作員站在WinCC組態時組態為客戶機，工程師站組態為服務器，這樣的好處是大大減少了上位機與下位機PLC之間的通訊量，而且方便系統擴展。具體步驟如下：

1) 打開WinCC的項目，首先在服務器上建立一個類型為多用戶的項目，然后組態與畫面相關的項目數據(畫面，變量，歸檔等)，在服務器上注冊客戶機。

2) 為客戶機分配操作權限。

3) 組態數據包的導出。在WinCC項目管理器中選中服務器數據，點擊右鍵“創建”按鈕，然后設置數據包的屬性，接下來生成.pck類型的組態數據包文件。

4) 在客戶機上輸入用戶名和密碼，打開服務器上創建的項目即可。

除此之外，本文在上位機控制界面設計中，還增加了報警、通訊測試等功能，并結合SQL Server 2005設計了報表功能。系統實際運行效果如圖3所示(以3#鍋爐為例)。

4 結束語

本文設計的以西門子S7-300 PLC系統為核心的鍋爐分布式控制系統，充分結合現場總線技術、變頻調速技術、計算機技術和現代控制理論，實現了鍋爐控制系統的自動化和高精度化。具有以下特點：一是采用分布式結構，便于系統日后擴展，系統穩定性好；二是各個控制子系統劃分嚴格，方便維護和檢修；三是將模糊控制理論引入燃燒系統的控制，控制精度和自動化程度高；四是上位機監控界面操作方便。自2016年11月1日系統投入使用至今，運行穩定可靠。

圖3 3#鍋爐監控界面

參考文獻：

[1] 余潔.中國燃煤工業鍋爐現狀[J].潔凈煤技術,2012(3):89-91，113.

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[3] 丁波.我國工業鍋爐的現狀及節能途徑[J].能源研究與利用,2011(2):52-53.

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[5] 段文益,莫同鴻,李紅,等.油田污水處理設備的分布式PLC自動控制系統[J].石油機械,2011(6):50-51，74.

[6] 范狄慶.基于分布式架構的礦井提升機PLC過程控制系統設計[J].煤礦機電,2014(1):5-8.

[7] 郭佳.基于PLC的模糊神經網絡控制器在鍋爐溫控系統中的應用[D].呼和浩特：內蒙古大學,2012.

[8] 何斌,鄒江峰,杜曉磊,等.鍋爐燃燒系統模糊控制理論的研究[J]. 湖北電力,2006(1):25-27.

[9] 王萬強,陳國金,張俊芳.S7-300PLC 和 WinCC 組態軟件在電廠的應用[J].機電工程, 2004, 21(7): 4-7.

[10] 蘇昆哲. 深入淺出西門子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2004.

[11] 劉鍇,周海.深入淺出西門子 S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2004.

[12] 西門子有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2004.