基于PLC的選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)PID控制

姜家國，郭曼利，盧 干

（1.滁州職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程學院，安徽 滁州 239000；2.國網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物之一，它不僅對動植物的生長產(chǎn)生影響，甚至影響人體健康。氮氧化物的重要來源之一是由火力發(fā)電廠燃煤所產(chǎn)生的，因此減少火力發(fā)電廠氮氧化物的排放量成為改善環(huán)境質(zhì)量，提高人類居住環(huán)境水平的重要部分。

目前，火電發(fā)電廠減少氮氧化物排放主要是通過脫硝控制技術(shù)，其中選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)是國內(nèi)外應用的主流技術(shù)[1]。吳曄等[2]研究了火電廠SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨優(yōu)化策略，通過優(yōu)化調(diào)整流場，使噴氨量顯著減少；陳皓煒等[3]提出了一種ITD3-PI復合串級控制算法并且將其應用在SCR脫硝系統(tǒng)中，該方法控制效果良好；王天田等[4]研究了選擇性催化還原系統(tǒng)的還原劑供給量的自適應控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的還原劑供給量總是處于最佳狀態(tài)。上述方法主要是對脫硝系統(tǒng)的控制方法和策略進行相應的研究，取得了一定的成果。另外，陳軍等[5]提出在PLC中實現(xiàn)單神經(jīng)元PID，從而實現(xiàn)對加熱器的控制，該方法性能良好；朱鵬程等[6]提出基于PLC的PID自整定算法，實現(xiàn)對高精度調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計；周曉娟等[7]針對爐窖溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計了基于PLC的PID算法，實現(xiàn)了恒溫控制。這些方法通過在PLC控制器中設(shè)計PID算法，從而實現(xiàn)了對相應被控對象的控制。

基于此，本文對選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)進行研究，設(shè)計控制算法，并將控制算法在S7-1200 PLC控制器中實現(xiàn)，以此來實現(xiàn)對選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)的控制。實驗結(jié)果表明，該方法的有效性。

1 選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)

選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)主要是通過對噴氨量的控制，實現(xiàn)對氮氧化物排放量的控制。當前，針對噴氨量的控制主要有固定氨氮摩爾比和固定脫硝控制系統(tǒng)出口煙氣氮氧化物含量兩種方式[8]，固定氨氮摩爾比是指固定SCR反應器入口煙氣中氨與氮氧化物摩爾濃度的比值，固定出口煙氣氮氧化物含量是使出口氮氧化物濃度保持在一個設(shè)定值。其中，固定脫硝控制系統(tǒng)出口煙氣氮氧化物含量是一種有效的控制噴氨量控制方式。某火力發(fā)電廠的選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)便是采用固定出口煙氣氮氧化物含量方式，系統(tǒng)采用串級PID控制器進行控制，脫硝系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1[8]。

圖1 SCR脫硝串級PID控制系統(tǒng)Fig.1 SCR Denitration cascade PID control system

其中，GN(s)為氨氣（NH3）流量傳遞函數(shù)；GSCR(s)為出口氮氧化物含量傳遞函數(shù)；PID1為主回路控制器；PID2為副回路控制器；d為擾動量；r為出口氮氧化物含量設(shè)定值；y為出口氮氧化物含量測量值。

在上述脫硝系統(tǒng)中，當出口煙氣氮氧化物含量y與系統(tǒng)設(shè)定值r有偏差時，主回路PID1控制器根據(jù)偏差值調(diào)整噴氨流量值；當噴氨流量值與噴氨量有偏差時，副回路PID2控制器根據(jù)偏差值調(diào)整噴氨量，從而使出口煙氣氮氧化物含量與設(shè)定值相等。

某電廠機組在60%和80%負荷下的氨氣流量傳遞函數(shù)和出口氮氧化物含量傳遞函數(shù)見表1[9]。

表1 不同負荷下SCR脫硝系統(tǒng)傳遞函數(shù)Table 1 Transfer function of SCR denitration system under different loads

2 基于PLC控制器的實現(xiàn)

本文設(shè)計的選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)的控制器使用西門子PLC，型號選用S7-1200系列的CPU 1215C。它是一款緊湊型、模塊化的PLC，可實現(xiàn)高度精確的自動化任務。選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)中的主、副回路控制算法都在該型號PLC中實現(xiàn)。

S7-1200中內(nèi)置了PID控制指令“PID_Compact”，該指令用于通過連續(xù)輸入變量和輸出變量控制工藝過程。它是一種具有抗積分飽和功能并且能夠?qū)Ρ壤饔煤臀⒎肿饔眠M行加權(quán)的PID控制器。

PID控制器的輸出值由3個分量組成：P為比例分量，它是計算的輸出值與設(shè)定值和過程值（輸入值）之差成比例；I為積分分量，它是計算的輸出值與設(shè)定值和過程值（輸入值）之差的持續(xù)時間成比例增加，以最終校正該差值；D為微分分量，它是計算的輸出值與設(shè)定值和過程值（輸入值）之差的變化率成函數(shù)關(guān)系，并隨該差值的變化加快而增大，從而根據(jù)設(shè)定值盡快矯正輸出值。

具體的PID控制器算法可以根據(jù)式（1）進行輸出值的計算。

式（1）中：y為PID算法輸出值；KP為比例增益；s為拉普拉斯運算符；b為比例作用權(quán)重；w為設(shè)定值；x為過程值；TI為積分作用時間；TD為微分作用時間；?為微分延遲系數(shù)；c為微分作用權(quán)重。

本文研究選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)中主、副回路的PID控制算法均需要調(diào)用“PID_Compact”指令，使用時，首先在程序中添加“循環(huán)中斷”（Cyclic interrupt）組織塊，然后在“循環(huán)中斷”組織塊中調(diào)用“PID_Compact”指令，并對相應的變量進行賦值。PID指令插入用戶程序時，STEP 7會自動為指令創(chuàng)建工藝對象和背景數(shù)據(jù)塊。背景數(shù)據(jù)塊包含PID指令要使用的所有參數(shù)，每個PID指令必須具有自身的唯一背景數(shù)據(jù)塊才能正確工作。需要注意的是，PLC中PID指令不能放在主程序循環(huán)OB塊中執(zhí)行。

在指令中：“Setpoint”是PID控制器在自動模式下的設(shè)定值；“Input”是用戶程序的變量用作過程值的源；“Input_PER”是模擬量輸入用作過程值的源；“Mode”是期望的PID模式，在“Mode Activate”輸入的上升沿激活；“Output”是REAL格式的輸出值；“Output_PER”是模擬量輸出值；“Output_PWM”是脈沖寬度調(diào)制的輸出值，開關(guān)時間構(gòu)成輸出值；“State”是PID控制器的當前操作模式[10]。

3 實驗結(jié)果與分析

通過對SCR脫硝串級PID控制系統(tǒng)進行整定，確定主回路的PID控制器參數(shù)KP=0.06，TI=25，TD=17，?=0.0006，b=1，c=1；副回路的PID控制器參數(shù)KP=10，TI=10，TD=20，?=0.0005，b=1，c=1。在此參數(shù)下，結(jié)合表1氨氣流量傳遞函數(shù)和出口氮氧化物含量傳遞函數(shù)，分別進行變工況、加入擾動和調(diào)整設(shè)定值實驗，相關(guān)實驗過程和結(jié)果如下：

1）變工況的實驗

初始時，機組為80%負荷，t=2500s時，機組調(diào)整為60%負荷。實驗過程中，出口氮氧化物含量設(shè)定值一直為50mg/m3，實驗結(jié)果如圖2。

圖2 SCR脫硝串級PID控制系統(tǒng)變工況響應曲線Fig.2 Response curve of SCR denitration cascade PID control system under different working conditions

由實驗結(jié)果可以看出：初始時，機組負荷為80%，系統(tǒng)能夠很快穩(wěn)定，出口氮氧化物含量能夠穩(wěn)定在50 ；在t=2500s時，機組負荷變?yōu)?0%，系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整之后可以穩(wěn)定下來，且出口氮氧化物含量能夠穩(wěn)定在50mg/m3。由此可以看出，系統(tǒng)模型發(fā)生改變時，仍能實現(xiàn)控制，系統(tǒng)模型適應能力較強。

2）加入擾動信號的實驗

初始時，系統(tǒng)的出口氮氧化物含量設(shè)定值為50 ，經(jīng)過一段時間系統(tǒng)穩(wěn)定下來，在穩(wěn)定之后某刻（t=2500s）加入擾動信號，實驗結(jié)果如圖3。

圖3 SCR脫硝串級PID控制系統(tǒng)加入擾動響應曲線Fig.3 Addition disturbance response curve of SCR denitration cascade PID control system

由實驗結(jié)果可以看出：初始時，系統(tǒng)在經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)之后，很快能夠恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)出口氮氧化物含量能夠穩(wěn)定在50mg/m3。當出現(xiàn)擾動之后，系統(tǒng)經(jīng)過一定時間的調(diào)整之后，也能很快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，并且系統(tǒng)出口氮氧化物含量能夠穩(wěn)定在50mg/m3。由此可以看出，系統(tǒng)在出現(xiàn)擾動后，仍能恢復穩(wěn)定，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

3）調(diào)整出口氮氧化物含量設(shè)定值的實驗

初始時，系統(tǒng)出口氮氧化物含量設(shè)定值設(shè)置為50mg/m3，經(jīng)過一段時間系統(tǒng)穩(wěn)定下來，在穩(wěn)定之后某刻（t=2500s）系統(tǒng)出口氮氧化物含量設(shè)定值由50mg/m3調(diào)整為40mg/m3，實驗結(jié)果如圖4。

由實驗結(jié)果可以看出：系統(tǒng)在出口 濃度設(shè)定值發(fā)生變化時，系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的調(diào)整之后，能夠很快穩(wěn)定在調(diào)整后新的設(shè)定值，系統(tǒng)性能良好。

4 結(jié)語

本文提出了基于PLC的選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)PID控制。在S7-1200中調(diào)用PID控制指令，設(shè)計系統(tǒng)控制器，實現(xiàn)控制器方式簡單、便捷。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的控制器控制效果良好。

圖4 SCR脫硝串級PID控制系統(tǒng)設(shè)定值變化響應曲線Fig.4 Response curve of set value change of SCR denitration cascade PID control system