基于PLC的工業(yè)鍋爐自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘 昊

（1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和生活廣泛使用的一種熱力設(shè)備，主要用于加熱、供暖和產(chǎn)生蒸汽。作為熱力、發(fā)電裝置的重要組成部分，它的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力、工業(yè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。鍋爐的燃燒效率和安全性直接關(guān)系能源利用效率和工業(yè)生產(chǎn)效益[1]。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷變化會(huì)對(duì)其燃燒效率和污染物排放產(chǎn)生重要影響[2]。如何對(duì)鍋爐的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，是鍋爐運(yùn)行控制的關(guān)鍵問(wèn)題。

傳統(tǒng)的鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)一般采用人工調(diào)節(jié)方式[3]，即通過(guò)手動(dòng)配合局部比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）等方式來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐的燃料量、配風(fēng)量[4]。這種方式不僅效率低下，而且容易出現(xiàn)人為誤操作導(dǎo)致的安全事故[5]。同時(shí)，由于鍋爐燃燒屬于非線(xiàn)性、大延遲、強(qiáng)耦合模型[6-7]，傳統(tǒng)的PID算法逐漸不能適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境[8]。為了解決這些問(wèn)題，基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）設(shè)計(jì)了一種工業(yè)鍋爐自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由PLC控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)交互界面等組成。系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即采集層、控制層和人機(jī)交互層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集層主要由傳感器組成，用于采集鍋爐運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐狀態(tài)，主要參數(shù)包括爐膛溫度、爐膛壓力、燃料供給量、二次風(fēng)流量、氧含量以及汽包液位等參數(shù)。

控制層主要由PLC和執(zhí)行器組成。PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制算法確定燃燒器的燃燒量和配風(fēng)量，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器包括供料器、風(fēng)機(jī)變頻器及風(fēng)量調(diào)節(jié)閥等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

人機(jī)交互層主要由工控機(jī)及操作組態(tài)界面軟件組成，用于顯示鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)和人機(jī)交互操作。操作界面顯示鍋爐運(yùn)行參數(shù)、連鎖報(bào)警參數(shù)、鍋爐當(dāng)前負(fù)荷及鍋爐目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定接口，方便操作人員對(duì)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。操作界面設(shè)置自動(dòng)/手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，在出現(xiàn)異常狀況時(shí)可切換為手動(dòng)模式，保留操作人員的最高操作權(quán)限。

1.2 控制策略

系統(tǒng)采用分級(jí)自適應(yīng)匹配算法進(jìn)行鍋爐的自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)，基本思想是采用PLC程序模擬人工手動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程。通過(guò)分析鍋爐歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)以往人工調(diào)節(jié)時(shí)各負(fù)荷狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立鍋爐燃料量—配風(fēng)量—負(fù)荷的匹配關(guān)系表，將鍋爐運(yùn)行從最低負(fù)荷—最高負(fù)荷均勻分為多個(gè)檔位，將負(fù)荷、燃料量、配風(fēng)量進(jìn)行映射形成各自的檔位表，確定各檔位相應(yīng)的負(fù)荷、供料量和配風(fēng)量區(qū)間，進(jìn)而逐檔位進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié)，降低純PID控制的大延遲和超調(diào)振蕩等缺陷，具體控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程

鍋爐啟動(dòng)后，在每個(gè)控制循環(huán)的開(kāi)始先判斷運(yùn)行狀態(tài)是否穩(wěn)定。若相關(guān)安全參數(shù)超限，則退出循環(huán)并連鎖停機(jī)。通過(guò)當(dāng)前供料量查詢(xún)?nèi)剂狭繖n位表獲取當(dāng)前檔位值，由人機(jī)界面設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷查詢(xún)負(fù)荷檔位表獲取目標(biāo)檔位值。若目標(biāo)檔位大于當(dāng)前檔位，則相應(yīng)的增加供料器供料量，每個(gè)控制循環(huán)內(nèi)增加一檔，同時(shí)根據(jù)風(fēng)量檔位表調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率和風(fēng)閥開(kāi)度，此時(shí)鍋爐燃燒負(fù)荷提升一檔。為保證安全性，待延遲一段安全時(shí)間燃燒狀態(tài)穩(wěn)定后進(jìn)行下一周期操作，如此循環(huán)直至當(dāng)前檔位等于目標(biāo)檔位，則進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段。此時(shí)，若鍋爐燃燒存在一定波動(dòng)，則通過(guò)氧含量PID和爐膛負(fù)壓PID來(lái)微調(diào)風(fēng)機(jī)頻率和風(fēng)閥開(kāi)度，確保鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行（目標(biāo)檔位小于當(dāng)前檔位時(shí)，相應(yīng)減檔操作同上）。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PLC具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力和靈活的編程功能[9]?？刂葡到y(tǒng)采用西門(mén)子S7-300系列PLC作為主控制器，并組態(tài)以太網(wǎng)通信模塊以及Profibus-DP總線(xiàn)模塊，用以與人機(jī)交互上位機(jī)、變頻器等通信[10]，同時(shí)配備工業(yè)交換機(jī)。系統(tǒng)主要硬件配置表如表1所示。

表1 PLC系統(tǒng)硬件配置表

為保證系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量和執(zhí)行的穩(wěn)定性，采用較高精度的傳感器。主要測(cè)控設(shè)備選型如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)控設(shè)備配置表

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試對(duì)象為一臺(tái)20 t·h-1燃?xì)庑驼羝仩t。通過(guò)設(shè)定目標(biāo)負(fù)荷，分別測(cè)試鍋爐從啟爐負(fù)荷升至100%負(fù)荷、100%負(fù)荷降至停爐負(fù)荷以及各中間負(fù)荷間的增減，記錄鍋爐各項(xiàng)參數(shù)的變化。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷當(dāng)前負(fù)荷級(jí)別，并自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒器燃燒量和配風(fēng)量，能夠穩(wěn)定維持鍋爐負(fù)荷處于目標(biāo)范圍內(nèi)，如圖3所示。同時(shí)，人機(jī)交互界面顯示清晰，操作簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)際應(yīng)用。

圖3 測(cè)試界面

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一種基于PLC的鍋爐自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)采用分級(jí)自適應(yīng)匹配算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化，具有穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以為鍋爐的自動(dòng)化控制提供一種有效的解決方案。