化工自動化及儀表第42卷PLC在水煤漿鍋爐燃燒控制中的應(yīng)用余淑榮張曉東吳明亮趙坤宋乃軍2(1.蘭州理工大學(xué),蘭州730050;2.甘肅景泰民安供熱有限公司,甘肅白銀730400摘要基于西門子S7-300PLC提出了水煤漿鍋爐燃燒控制解決方案。在傳統(tǒng)PI控制方法的基礎(chǔ)上加入了模糊控制技術(shù)。通過對風(fēng)量與負(fù)荷配比的控制,達(dá)到了穩(wěn)定燃燒的目的。關(guān)鍵詞PLC水煤漿鍋爐燃燒控制中圖分類號TH865文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號1000-3932(2015)01008604PLC作為工業(yè)過程自動化控制系統(tǒng)中的核心PLc部件,因其良好的控制特性和簡單易學(xué)的操作方風(fēng)機(jī)等設(shè)備啟停法,已在世界工業(yè)控制領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。狀態(tài)數(shù)字量信號隨著環(huán)保問題越來越受到關(guān)注,鍋爐燃燒系統(tǒng)對「位計算區(qū)Ao流量等模擬量信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(wěn)定燃燒,并且燃燒效率高、環(huán)境污染少已逐漸成為鍋爐的首選燃料。但是傳統(tǒng)的采用程-電哥伙行哥控器和儀表的控制方式功能簡單、控制效率低且圖1監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(局部)信號采集數(shù)量少,難以實現(xiàn)對水煤漿鍋爐的有效控制。因此筆者基于西門子S7-300PLC為蘭州整個過程都在上位計算機(jī)上進(jìn)行監(jiān)控,可對出現(xiàn)的報警信號(如出水溫度過高及爐膛負(fù)壓過大某熱源廠設(shè)計了水煤漿鍋爐燃燒控制系統(tǒng),利用等)進(jìn)行排査。整個水煤漿鍋爐的燃燒過程控PLC易擴(kuò)展、可編程、優(yōu)異的運(yùn)算能力和穩(wěn)定可靠制,是在PLC中通過一定的PD閉環(huán)控制算法實的現(xiàn)場工作性能,通過自整定模糊PID算法準(zhǔn)確現(xiàn)的地實現(xiàn)了燃燒控制和燃料風(fēng)量配比。1.1硬件配置1燃燒控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計水煤漿鍋爐的自動燃燒控制是根據(jù)對鍋爐自燃燒控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC作為身及循環(huán)系統(tǒng)等的工藝流程和要求所實現(xiàn)的控制系統(tǒng)的核心。上位計算機(jī)與CPU之間采用Ethernet以太網(wǎng)通信。具體配置為根據(jù)DCS系統(tǒng)“分散控制,集中管理”的基本特中央處理器模塊CPU315-2DP/PN點,整個控制系統(tǒng)主要由上位計算機(jī)、下位PLC電源模塊PS3075A和通信網(wǎng)絡(luò)組成,燃燒控制子系統(tǒng)主要包括信號數(shù)字量輸入模塊SM321采集、燃燒流程及閉環(huán)調(diào)節(jié)等2。水煤漿鍋爐監(jiān)數(shù)字量輸出模塊SM322控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(局部)如圖1所示。模擬量輸入模塊SM331信號采集主要由分布在整個鍋爐各測點的傳模擬量輸出模塊SM332感器、變送器以及相應(yīng)的信號處理設(shè)備完成,模擬量信號一般都以4~20mA(DC)送入PLC模擬量CPU與模塊之間采用U型連接器(總線)連接以實現(xiàn)通信。圖2所示為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)O模塊中,經(jīng)CPU計算處理再由模擬量模塊輸出,號中央機(jī)架結(jié)構(gòu)?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)或設(shè)備的運(yùn)行鍋爐點火后,燃燒控制子系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)工藝中國煤化工要求自動啟動流程,直到鍋爐進(jìn)入正常燃燒狀態(tài)CNMHG收稿日期:2014404J(修改高)余淑榮等.PLC在水煤漿鍋爐燃燒控制中的應(yīng)用220VA于非線性、時變性、大滯后性、強(qiáng)耦合和多變量系統(tǒng),所以應(yīng)采用更為有效的自整定模糊PID控制會下M215M325335M32方式模塊模塊模塊AO模NH2020402010U型連接器出口溫度設(shè)DEADBANDINT積分SEI出口溫度反DIFR ZD SEI24V(DCPID運(yùn)算圖2鍋爐燃燒控制系統(tǒng)0號中央機(jī)架結(jié)構(gòu)擾動INT積分手動設(shè)定值 Man/Auto1.2軟件配置Ds供漿泵頻率Mam/Audr手動設(shè)定值鼓風(fēng)機(jī)頻率輸出燃燒控制系統(tǒng)采用STEP7編程軟件進(jìn)行PLC供漿泵頻率輸出編程和硬件組態(tài)。上位計算機(jī)采用西門子公司的SIMATIC WinCC7.0組態(tài)監(jiān)控軟件。 SIMATIO圖3熱媒出口溫度PID控制原理WinCC7.0內(nèi)置所有操作和管理功能,可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài),可基于Web持續(xù)延展,采用開放自整定模糊PID控制器以傳統(tǒng)PID控制器為性標(biāo)準(zhǔn),集成簡單,實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)和上位監(jiān)控軟基礎(chǔ),引入模糊集合論,將PID參數(shù)根據(jù)偏差e()件系統(tǒng)之間的無縫鏈接。和偏差變化率ec(t)的大小而動態(tài)變化,更符合被2燃燒控制和實現(xiàn)控對象真實的控制規(guī)律。水煤漿鍋爐的燃燒采用空氣壓力霧化懸浮燃模糊系統(tǒng)是一種基于知識或規(guī)則的系統(tǒng)。它燒原理。水煤漿與空氣經(jīng)燃燒器以射流方式進(jìn)入的核心就是由所謂的 IF-THEN規(guī)則所組成的知爐膛,促使煤漿氣流與熾熱煙氣產(chǎn)生強(qiáng)烈混合,水識庫。各部分具體設(shè)計如下。分迅速蒸發(fā);同時水煤漿氣流又受到爐膛四壁和模糊化與反模糊化設(shè)計。輸入、輸出語言變高溫火焰的輻射,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(dá)到一定量為負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},即溫度開始著火燃燒。其著火熱隨燃料的性質(zhì)和運(yùn){NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL;模糊量化論域為行工況的變化而變化,鍋爐負(fù)荷低時,爐膛平均煙-3,-2,-1,0,1,2,3}。溫降低,燃燒器區(qū)域的煙溫也降低,反之則升高。量化因子設(shè)計。設(shè)誤差基本論域為{-cn,燃燒控制的關(guān)鍵在于控制燃料(水煤漿)與風(fēng)量cn};誤差變化率基本論域為丨-c灬,e灬};量化等的配比,使燃料充分高效燃燒并保證系統(tǒng)安全2.1燃料與鳳量配比控制級為7,則誤差的量化因子k=一,誤差變化率的夲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。礙于篇幅筆者量化因子k=一。數(shù)值以具體情況為準(zhǔn)對前者進(jìn)行闡述,后者與之類似。模糊控制器和模糊規(guī)則表設(shè)計。圖4所示的對水煤漿鍋爐熱媒出口溫度的控制,主要是自整定模糊PID控制器中存在5個變量:K,、K。對燃料供給量的控制。由于水煤漿自身的特點,K、K、K,通過數(shù)據(jù)重組將其變換為{K,、K對燃料供給量的控制也就轉(zhuǎn)化為對供漿泵頻率的控制。在PC控制系統(tǒng)中,對供漿泵頻率的控制K}、K、K。、K1}、K、Kn、K}。由此將兩輸入是采用PID自動調(diào)節(jié)的方式。圖3所示為熱媒出三輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩輸A單輸出系統(tǒng),便于簡化口溫度PID控制原理。傳統(tǒng)的PID控制主要是控總體系統(tǒng)設(shè)計中國煤化工為例加以制具有確切模型的線性過程,而鍋爐控制系統(tǒng)屬說明。CNMHG第42卷模糊推理Network 1: TitleID調(diào)節(jié)被控對象MW100-1NRET VALHMW 1020.000000e+圖4自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)10.5-BIPOLAR取K。的論域為{-5,5}。表1、2分別為模糊規(guī)則表和模糊查詢表。Network 2: TitleFC106表1模糊規(guī)則表e(t)MD30-INRET VALHMW102(t)ZEPS PMP9.000000e+OUTHQW1000OI-HI LIM0.000000e+NMNMZE PS PM000-L0_LMZ NL NM NS ZE PS PM PL10.5-BIPOLARPS NM NS ZE PS PMPM PLPS PlPL ZE圖5模擬量輸入、輸出處理程序表2模糊查詢表Network 1: TitleDB41FB41ec(1)ENOM Pl10.1- COM_RST.MN HMD301.0MAN_ONLMN PER5555550PVPER ON QLMN_ HLMP SELQLMN LLMLMN PINT HOLDLMN I…LIL.oNLMN DD SEI#1 CYCLEERMD2 SP_ INTMD6 PV_IN在STEP7編程軟件中有豐富的功能模塊,可為模糊控制的實現(xiàn)提供便利。文中PLC程序設(shè)圖6PID調(diào)節(jié)功能模塊子程序計采用模塊化的編程方法。主模塊OB1實現(xiàn)對子程序的調(diào)用和數(shù)據(jù)的傳遞,OB35為時間中斷服2.2系統(tǒng)安全性保證務(wù)程序。FBⅠ模塊為模糊控制器,在OB35中調(diào)為保證系統(tǒng)工作的安全性,在硬件設(shè)計中,采用。FB41是連續(xù)PID子程序模塊。DB10是用質(zhì)量和性能較好的 Schneider變頻器、國內(nèi)性能STEP7中建立的一個數(shù)據(jù)塊,在其中建立一個數(shù)較好的水煤漿鍋爐燃燒控制器、防爆等級較高的組類型的數(shù)據(jù) Output,類型為一個7行7列的二傳感器、變送維數(shù)組。V凵『中國煤化工在各個相關(guān)設(shè)備和執(zhí)行部分PLC控制程序如圖5、6所示。CNMHG頁限位及報警等控制。牡時議計工世界面設(shè)計余淑榮等.PLC在水煤漿鍋爐燃燒控制中的應(yīng)用時,也加人了聯(lián)鎖、互鎖及報警等控制。從軟、硬優(yōu)點,在水煤漿鍋爐控制系統(tǒng)中具有一定的推廣件兩方面雙重保證了系統(tǒng)的安全性。價值3結(jié)束語參考文獻(xiàn)與目前現(xiàn)有的電氣儀表設(shè)備控制技術(shù)相比本控制方式結(jié)合成熟的西門子S7-300PC軟、硬1]盧志航,胡月丹,文勇.西門子PLC在鍋爐燃燒系統(tǒng)件系統(tǒng)與技術(shù)支持,采用簡單、有效、合理的控制控制中的應(yīng)用[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)程序,在傳統(tǒng)PID控制思路和方式中,加入模糊控版),2011,34(4):79~82制技術(shù),在熱媒出口溫度及爐膛負(fù)壓等控制中,發(fā)[2]張麗娜,李珂,賈靜梅,等,淺議水煤漿鍋爐的技術(shù)揮了較好的控制效能,提高了燃燒效率,增強(qiáng)了燃特點及其應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù),2009,31(5):40~4[3]劉紅兵,模糊PID自整定技術(shù)在PLC中的實現(xiàn)燒效果,節(jié)約了生產(chǎn)成本,減少了環(huán)境污染。經(jīng)過PLC&FA,2013,(1):99-103個采暖期的實際應(yīng)用,該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好,熱[4]趙笑笑.基于模糊理論與常規(guī)PID控制的模糊PID媒出口溫度控制在工藝要求范圍之內(nèi),并且具有控制方法研究[J],山東電力技術(shù),2009,36(6):54系統(tǒng)組態(tài)靈活、數(shù)據(jù)處理方便及人機(jī)界面友好等56PLC Application in CWM Boiler Combustion ControlYU Shu-rong, ZHANG Xiao-dong, WU Ming-liang, ZHAO Kun, SONG Nai-jun2. Jingtai Mingan Heating Co, Lid, Baiyin 730400, ChinaAbstract The S7-300 PLC-based control scheme for CWM( coal-water mixture)boiler combustion controlwas proposed, which has the fuzzy control integrated into the conventional PID control and reasonably has loadratio and air volume controlled to stabilize the boiler combustion controlKey words PLC, CWM boiler, combustion control(上接第85頁)2]倪曉杰,馬彥霞,薄翠梅,等,基于PCS7的鍋爐控「4」齊飛, SIMATIC PCS7在混合液體分離系統(tǒng)中的應(yīng)制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].控制工程,2011,18(6)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2008,27(5):6[5]鄧劍宏,莊誠,張喜東,等.基于PCS7的并列運(yùn)行[3]鄭君娜,李從江,西門子 SIMATIC PCS7系統(tǒng)在連鍋爐燃燒控制系統(tǒng)[冂],控制工程,2006,13(z):33蒸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].輕工機(jī)械,2008,26(5)35,169Design and Realization of Boiler Control Syste m Based on PCS7WANG Jie, Al He(l. College of Mechanical and Electrical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China2. School of Automation and Electrical Engineering, Beijing Information Science &e TechnologyAbstract Considering SMPT-1000 boiler's process requirement, PCS7 was applied to the boiler control system, and SDG diagram was adopted to analyze and design control system. The better HMI of the control systemcan benefit the control over the boiler system中國煤化工Key words boiler control system, deaerator, water flow, smoke-blockHacI operationCNMHG