基于S7-300PLC和模糊控制的鍋爐分布式控制系統(tǒng)設(shè)計

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(yè)學院計算機學院，重慶 401331)

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中動力供應(yīng)的主要設(shè)備，同時也是北方城市冬季供暖不可或缺的重要設(shè)備[1-2]。鍋爐是將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的高能耗、高危險、高污染的設(shè)備，因此自動化程度的提高將大大提升其能源利用率和設(shè)備的安全性，降低其形成的沉重的環(huán)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(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，以PLC為核心的控制系統(tǒng)由于其自身的穩(wěn)定性和易于擴展等優(yōu)點，越來越廣泛地被應(yīng)用于鍋爐的控制系統(tǒng)中。

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

1 鍋爐系統(tǒng)分析及工藝要求

1.1 鍋爐系統(tǒng)介紹

鍋爐系統(tǒng)主要包括燃燒系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和上煤系統(tǒng)。

燃燒系統(tǒng)主要負責當鍋爐的負載發(fā)生改變時，對爐膛的引風量、鼓風量和燃料的量進行調(diào)節(jié)。引風量過大將造成爐膛、煙道負壓增大，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、不完全，系統(tǒng)運行既不經(jīng)濟也不安全；風量過小時爐膛負壓會減小乃至變正，系統(tǒng)運行不安全。因此需要燃燒系統(tǒng)進行實時調(diào)節(jié)。燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是通過對引風機、鼓風機和爐排電機的變頻調(diào)速來實現(xiàn)的。

水循環(huán)系統(tǒng)是以水為介質(zhì)進行熱交換的系統(tǒng)。鍋爐中的熱水通過循環(huán)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(jīng)過回水管被送到鍋爐繼續(xù)加熱。在這個過程中必然會造成水壓的降低，因此經(jīng)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(tǒng)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(yīng)具備脫硫、除塵、除渣、除灰等輔助系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)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(jié)對鍋爐系統(tǒng)的劃分，將其分為4個子系統(tǒng)。

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

3)上煤系統(tǒng)：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(tǒng)：主要包括除渣機、除灰機、攪拌機、脫硫循環(huán)泵等。

1.3 各子系統(tǒng)工藝要求

1)燃燒系統(tǒng)。

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(shè)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(tài)下工作時，PLC可根據(jù)供熱負載的大小和出、回水溫差采用模糊控制理論自動調(diào)整爐排機、鼓風機、引風機電機的工作頻率。

2)水循環(huán)系統(tǒng)。

水循環(huán)系統(tǒng)配備4臺循環(huán)泵，其中1臺為備用泵，具體為1#、2#、3#循環(huán)泵分別給1#、2#、3#鍋爐供水，4#循環(huán)泵備用，4臺循環(huán)泵均為變頻控制。補水泵采用變頻控制并由PID控制器調(diào)節(jié)，以保證循環(huán)泵入口管網(wǎng)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(tǒng)。

為防止上煤時煤粉堆積和散落，同樣設(shè)置了連鎖/解鎖模式。處于連鎖模式時，系統(tǒng)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(shè)備可獨立啟/停。而犁式卸料器的停止則通過接近開關(guān)進行控制。

4)輔助系統(tǒng)。

在上位控制系統(tǒng)相關(guān)的操作界面上設(shè)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(huán)泵的啟/停。

2 鍋爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于本文的研究對象控制規(guī)模較大，因此需要采用大中型PLC來構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，但是像S7-400這樣的大型PLC系統(tǒng)價格太高，故選取滿足系統(tǒng)功能要求的S7-300PLC系統(tǒng)，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(tǒng)以及與上位機進行通信；考慮到現(xiàn)場實際情況，選取西門子遠程I/O單元ET200M構(gòu)成分布式系統(tǒng)，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(tǒng)是一個相對獨立的系統(tǒng)，因此選取S7-200 PLC系統(tǒng)構(gòu)成智能子站，選取EM227通訊模塊實現(xiàn)與主站之間的通信[6]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

3 鍋爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

鍋爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括對作為下位機的PLC進行程序設(shè)計以及對上位機控制界面的設(shè)計。在進行PLC程序設(shè)計時，除了必須實現(xiàn)引風機、鼓風機、爐排機連鎖模式下的順序啟/停和上煤系統(tǒng)各個設(shè)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(xiàn)的功能還有：1)PLC可根據(jù)供熱負載的大小和出、回水溫差采用模糊控制理論自動調(diào)整爐排機、鼓風機、引風機電機的工作頻率，實現(xiàn)系統(tǒng)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(diào)節(jié)以保證循環(huán)泵入口管網(wǎng)壓力的恒定，實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計

鍋爐燃燒系統(tǒng)是典型的非線性、多變量、時變系統(tǒng)，常常無法建立準確的傳遞函數(shù)[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(jù)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(shè)計。模糊控制主要存在模糊化和解模糊兩個環(huán)節(jié)，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(jù)各個偏差所處的區(qū)間，查詢模糊控制規(guī)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(tǒng)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(shè)計方法，通過經(jīng)驗、軟件仿真和現(xiàn)場調(diào)試確立了輸入輸出的隸屬度函數(shù)。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(qū)間為負向大、負向中、負向小、零、正向大、正向中、正向?。怀?、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(guī)則為：

IFFisF1andTisT1thenYFisYF1andGFisGF1andLPisLP1or

… …

IFFisFnandTisTnthenYFisYFnandGFisGFnandLPisLPn

其中:(F1，…，F(xiàn)n),(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(guī)則表

3.1.3解模糊

解模糊旨在將模糊推理的結(jié)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(huán)泵入口管網(wǎng)壓力恒定控制

利用PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊和PID控制算法，實現(xiàn)循環(huán)泵入口管網(wǎng)壓力的閉環(huán)控制，PLC根據(jù)循環(huán)泵入口管網(wǎng)壓力設(shè)定值與實際管網(wǎng)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(yīng)地改變頻率，調(diào)整補水泵電機的轉(zhuǎn)速，即達到保持循環(huán)泵入口管網(wǎng)壓力恒定的目的。在上位機控制系統(tǒng)界面中同時設(shè)計了設(shè)置PID整定3個參數(shù)的界面，以方便調(diào)試。本系統(tǒng)壓力控制原理框圖如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)壓力控制模型框圖

3.3 上位機控制系統(tǒng)界面設(shè)計

本文采用西門子WinCC V7.0 sp3作為上位機控制系統(tǒng)界面的設(shè)計軟件。與WinCC V6.2相比，該版本有以下主要優(yōu)點：一是具有Windows Vista風格外觀的運行界面，視覺效果更為協(xié)調(diào)[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(shù)據(jù)導(dǎo)出按鈕，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CSV格式文件[10]；三是將SQL Server 2005數(shù)據(jù)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(tǒng)的安全性[12]。

該控制系統(tǒng)的基本設(shè)計思路為：3臺鍋爐各設(shè)置1個操作員站，在監(jiān)控室另外設(shè)置1個工程師站。其中操作員站在WinCC組態(tài)時組態(tài)為客戶機，工程師站組態(tài)為服務(wù)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(tǒng)擴展。具體步驟如下：

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

2) 為客戶機分配操作權(quán)限。

3) 組態(tài)數(shù)據(jù)包的導(dǎo)出。在WinCC項目管理器中選中服務(wù)器數(shù)據(jù)，點擊右鍵“創(chuàng)建”按鈕，然后設(shè)置數(shù)據(jù)包的屬性，接下來生成.pck類型的組態(tài)數(shù)據(jù)包文件。

4) 在客戶機上輸入用戶名和密碼，打開服務(wù)器上創(chuàng)建的項目即可。

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

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的以西門子S7-300 PLC系統(tǒng)為核心的鍋爐分布式控制系統(tǒng)，充分結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)了鍋爐控制系統(tǒng)的自動化和高精度化。具有以下特點：一是采用分布式結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)日后擴展，系統(tǒng)穩(wěn)定性好；二是各個控制子系統(tǒng)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(tǒng)的控制，控制精度和自動化程度高；四是上位機監(jiān)控界面操作方便。自2016年11月1日系統(tǒng)投入使用至今，運行穩(wěn)定可靠。

圖3 3#鍋爐監(jiān)控界面

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