基于PLC鍋爐燃燒控制系統(tǒng)方案

1、基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)1 簡介燃燒控制系統(tǒng)是電廠鍋爐的主要控制系統(tǒng)，主要包括燃料控制系統(tǒng)、風量控制系統(tǒng)和爐膛壓力控制系統(tǒng)。目前，電廠鍋爐燃燒控制系統(tǒng)大部分仍采用PID控制。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成串級控制系統(tǒng)。燃燒率控制包括燃料量控制、供氣量控制和誘導(dǎo)空氣量控制。每個分控系統(tǒng)采用不同的測控方法。保證經(jīng)濟燃燒和安全燃燒。2 控制方案鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐輸出蒸汽負荷的外部要求，同時保證鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。鍋爐的燃料量、送風量和引風量的控制任務(wù)不能分開。可以使用三個控制器來控制這三個控制變量，但它們應(yīng)該相互協(xié)調(diào)才能可靠地工作。對于

2、給定的出水溫度，需要調(diào)整鼓風量與供煤量的比值，使鍋爐運行在最佳燃燒狀態(tài)。同時，爐膛內(nèi)應(yīng)有一定的負壓，以保持鍋爐的熱效率，防止爐膛過熱向外噴火，以保證人員安全和環(huán)境衛(wèi)生。2.1 控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計燃燒過程自動控制系統(tǒng)的方案與鍋爐設(shè)備類型、運行方式和控制要求有關(guān)。針對不同的情況和要求，控制系統(tǒng)的設(shè)計方案是不同的。單位單元燃燒過程的受控對象被視為一個多變量系統(tǒng)。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，充分考慮了項目的實際問題，既保證了操作人員的操作習慣，又最大限度地實施了燃燒優(yōu)化控制?？刂葡到y(tǒng)的總體框架如圖1所示。圖1 機組燃燒過程控制示意圖 徐亞飛，溫箱溫度PID與預(yù)測測控.2004，28(4)：554-5572P

3、為單位負荷熱信號。控制系統(tǒng)包括：滑動壓力運行的主蒸汽壓力設(shè)定值計算模塊（熱力系統(tǒng)實驗得到的數(shù)據(jù)，然后擬合成可以通過DCS折線功能塊實現(xiàn)的曲線），負荷-送風量模糊計算模塊，主汽壓力控制。系統(tǒng)及送風引風控制系統(tǒng)等。主汽壓力控制系統(tǒng)采用常規(guī)串級PID控制結(jié)構(gòu)。2.2 油量控制系統(tǒng)當外部對鍋爐蒸汽負荷的要求發(fā)生變化時，鍋爐燃燒的燃料量也必須相應(yīng)改變。燃料量控制是鍋爐控制中最基本、最重要的系統(tǒng)。由于給煤量不僅影響主蒸汽壓力，還影響送風量和引風量的控制，還影響汽包內(nèi)蒸汽蒸發(fā)量、蒸汽溫度等參數(shù)，因此燃料量控制具有重要意義。影響鍋爐運行。燃料控制可以簡單地用圖2來表示。 2.圖2 油量控制策略其中：NB為鍋爐

4、負荷要求； B 為燃料量； F(x) 是執(zhí)行器。設(shè)置燃油量控制子系統(tǒng)的目的之一是利用它來消除燃油側(cè)的自發(fā)擾動，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。此外，由于大型機組容量大，各部分密切相關(guān)，相互影響不容忽視。尤其是燃料種類的變化、燃料供給裝置的投入數(shù)量等因素都會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。燃油量控制子系統(tǒng)的配置也提供了解決這些問題的方法。2.3 送風控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒，當燃料量發(fā)生變化時，必須相應(yīng)地改變供氣量，使供氣量與燃料量相適應(yīng)。燃油量與供氣量的關(guān)系如圖3所示。 劉官敏，溫箱溫度PID與預(yù)測測控.2004，28(4)：554-5572圖3 燃油量與供氣量的關(guān)系燃燒過程的經(jīng)濟性可以通過適當?shù)臍堄嗫諝庀禂?shù)來衡量，

5、通常用煙氣中的氧含量間接表示。實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒最基本的方法是使空氣量與燃料量成正比。送風量控制子系統(tǒng)的任務(wù)是協(xié)調(diào)鍋爐的送風量和燃料量，以達到鍋爐的最高熱效率，保證機組的經(jīng)濟性。但是，由于鍋爐的熱效率不能直接測量，所以通常是通過一些間接的方法。達到目的。如圖所示。在圖4中，將實測燃料量B作為空氣供給量調(diào)節(jié)器的給定值，將空氣供給量V和燃料量B設(shè)定為一定的比例。圖4 油量空調(diào)系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)能保證燃油量和送風量滿足選擇使送風量略大于完全燃燒所需的理論風量。該系統(tǒng)的優(yōu)點是實施簡單，可以消除來自負載側(cè)和燃料側(cè)的各種干擾。2.4 引風量控制系統(tǒng)為了將爐壓保持在所需的圓周上，引風量必須與送風量相適應(yīng)。爐膛

6、壓力還關(guān)系到鍋爐的安全經(jīng)濟運行。如果爐壓過低，會導(dǎo)致大量冷空氣泄漏到爐內(nèi)，增加引風機的負荷和排煙損失。而且冒出來的煙，不僅影響環(huán)境衛(wèi)生，甚至可能影響設(shè)備和生命的安全。引風量控制子系統(tǒng)的任務(wù)是保證爐內(nèi)有一定的負壓，爐內(nèi)負壓必須控制在內(nèi)容范圍內(nèi)，一般在-20Pa左右。 高國璋，溫控器溫度PID與預(yù)測控制與測量控制。 2004, 28(4): 554-5572控制爐膛負壓的手段是調(diào)節(jié)引風機的引風量，主要的外界干擾是送風量。作為調(diào)節(jié)對象，爐煙道的慣性很小，在擾動和外界擾動下類似于比例環(huán)節(jié)。一般采用單環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用前饋方式進行控制，如圖5所示。圖5 引風量控制子系統(tǒng)圖為爐膛負壓給定值，S為實測爐膛負壓

7、，Q為引風量，V為送風量。由于爐膛的負壓實際上是由送風量和引風量的平衡決定的，所以將送風量作為前饋信號來提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另外，由于調(diào)整對象相當于一個比例環(huán)節(jié)，調(diào)整量的反應(yīng)過于敏感。為防止小偏差引起引風機擋板頻繁動作，可設(shè)置調(diào)節(jié)器比例帶自動修正鏈接，使小偏差增加調(diào)節(jié)器的比例帶。對于負壓S的測量信號，還需要進行低通濾波，以抑制測量值的劇烈波動。3 系統(tǒng)硬件配置在鍋爐燃燒過程中，采用常規(guī)儀表進行控制，存在滯后、間歇調(diào)節(jié)、煙氣含氧量超過給定值、負荷低、煙溫低等問題。采用PLC控制鍋爐時，由于其運行速度快、精度高、準確可靠，可適應(yīng)復(fù)雜難處理的控制系統(tǒng)。從而解決了上述傳統(tǒng)儀表控制難以解決的問題。選用的

8、PLC系統(tǒng)要求兼容性強，系統(tǒng)建設(shè)和運行投資少；其次，當設(shè)計的自動化系統(tǒng)需要改變時，不需要重新編程，輸入和輸出系統(tǒng)也不需要重新編程。接線，PLC系統(tǒng)無需再培訓人員即可升級；最后，系統(tǒng)性能更高。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。圖6 硬件結(jié)構(gòu)圖 曾桂娥, 邱莉, HYPERLINK :/211.151.247.3/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=CJFD&LinkType=BaseLink&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e7%9f%b3%e6%b2%b9%e5%8c%96%e5%b7%a5%e8%87%aa%e5%8a%

9、a8%e5%8c%96&Value=LYHG t _blank 石油化工自動化, 2005, HYPERLINK :/211.151.247.3/kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=CJFD&LinkType=IssueLink&Field=BaseID*year*issue&TableName=CJFDYEARINFO&Value=LYHG*2005*04&NaviLink=%e7%9f%b3%e6%b2%b9%e5%8c%96%e5%b7%a5%e8%87%aa%e5%8a%a8%e5%8c%96 t _blank 7(4):89-91根據(jù)系統(tǒng)要求，選用西門子PLC

10、S7-200 CPU226作為控制核心，同時擴展了2個EM231模擬量輸入模塊和1個CP243-1以太網(wǎng)模塊。 CPU226的I/O點數(shù)為2416，完全可以滿足系統(tǒng)的要求。同時選用EM231模塊，為AD轉(zhuǎn)換模塊，4路模擬量輸入，12位A/D，采樣速度為25 ，溫度傳感器，壓力傳感器，流量傳感器輸出信號和氧檢測傳感器經(jīng)過調(diào)整放大處理后成為05V的標準信號，EM231模塊自動完成A/D轉(zhuǎn)換。S7-200的PPI接口的物理特性是RS-485，可以工作在PPI、MPI和自由通訊口模式。為實現(xiàn)PLC與上位機的通訊提供多種選擇。為實現(xiàn)人機對話功能，如系統(tǒng)狀態(tài)及變量圖形顯示、參數(shù)修改等，還擴展了一塊Evie

11、w500系列觸摸屏，操作控制簡單方便，可用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和顯示鍋爐溫度等。還有一個以太網(wǎng)模塊CP243-1，其功能是讓S7-200直接連接以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)進行遠距離數(shù)據(jù)交換，與其他 S7-200。通信基于TCP，安裝方便，簡單。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計控制程序采用STEP7-Micro Win軟件以梯形圖方式編寫，其軟件框圖如圖7所示。圖 7 軟件主框圖S7-200PLC給出PID指令，省去了復(fù)雜的PID算法編程過程，極大的方便了用戶的使用。使用PID指令有以下幾點和體會：(1)比例系數(shù)和積分時間常數(shù)的確定。應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗值和反復(fù)調(diào)試確定。(2)調(diào)整量、給量、輸出量等參數(shù)的標準歸一化轉(zhuǎn)換。（3）按正確順

12、序填寫PID回路參數(shù)表（LOOP TABLE），并分配各個參數(shù)地址。 朱雪峰。 HYPERLINK :/211.151.247.3/kns50/detailref.aspx?filename=LYHG200504006&dbname=CJFD2005&filetitle=PID%e6%8e%a7%e5%88%b6%e5%99%a8%e5%8f%82%e6%95%b0%e6%95%b4%e5%ae%9a%e6%96%b9%e6%b3%95%e7%9a%84%e4%bb%bf%e7%9c%9f%e4%b8%8e%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e7%a0%94%e7%a9%b6 t _top

13、PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實驗研究5 結(jié)論機組燃燒過程控制系統(tǒng)在某火電廠發(fā)電機組鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中投入使用。實際運行情況表明：由于引入負荷模糊前饋，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)控制的子系統(tǒng)，顯著提高了機組負荷變化的跟蹤能力，空煤比可在靜態(tài)和動態(tài)過程中保持一致；在邏輯控制系統(tǒng)的配合下，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，減少了爐內(nèi)負壓的波動，滿足了運行要求；機組負荷不變時，鍋爐燃燒穩(wěn)定，各調(diào)整參數(shù)的動態(tài)偏差顯著減小。 ，實現(xiàn)鍋爐的最佳燃燒；采用非線性PID調(diào)節(jié)方法解決了導(dǎo)流擋板的晃動問題。采用西門子PLC控制，不僅簡化了系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，而且大大提高了燃燒能量的熱效率。通過操作面板

14、修改系統(tǒng)參數(shù)，可以滿足不同工況的要求。機組的各種信息，如工作狀態(tài)、故障情況等，可以以聲光報警和文字的形式顯示出來。主要控制參數(shù)（溫度值）的實時變化趨勢顯示。以圖表的形式記錄顯示，方便設(shè)備的操作和維護。該系統(tǒng)通用性好，擴展性強，直觀易操作。 朱雪峰。 HYPERLINK :/211.151.247.3/kns50/detailref.aspx?filename=LYHG200504006&dbname=CJFD2005&filetitle=PID%e6%8e%a7%e5%88%b6%e5%99%a8%e5%8f%82%e6%95%b0%e6%95%b4%e5%ae%9a%e6%96%b9%e6%

15、b3%95%e7%9a%84%e4%bb%bf%e7%9c%9f%e4%b8%8e%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e7%a0%94%e7%a9%b6 t _top PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實驗研究基于PLC的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)1簡介燃燒控制系統(tǒng)是電廠鍋爐系統(tǒng)的主人，它包括燃料控制系統(tǒng)、空氣流量控制系統(tǒng)、爐壓控制系統(tǒng)。大多數(shù)電廠鍋爐燃燒控制系統(tǒng)仍采用PID控制。燃燒控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力控制和燃燒率控制組成串級控制系統(tǒng)，其中燃燒率控制由燃料量控制、風量控制、引風量控制構(gòu)成。各分控系統(tǒng)分別，通過不同的測量可以控制方式，保證燃燒的經(jīng)濟性和安全性。2 控制程序鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是

16、使燃料燃燒，從而提供熱量以適應(yīng)鍋爐輸出蒸汽負荷的要求。但必須保證鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。 A 鍋爐燃料、供氣和引風量控制三個任務(wù)不是分開的。這三個控制變量可以用三個控制器來控制，但要相互協(xié)調(diào)才能可靠工作。設(shè)置水溫，需要調(diào)整鼓風量和鍋爐在最佳燃燒狀態(tài)下運行的煤量比例。當爐膛記憶處于一定負壓時，可保持鍋爐熱效率，避免爐膛外焰過熱，以保證人員安全和環(huán)境衛(wèi)生。2.1 控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計燃燒過程自動控制系統(tǒng)的方案和鍋爐設(shè)備的類型、運行和控制要求，它涉及到不同的情況和要求。機組電廠燃燒過程受控對象被視為一個多變量系統(tǒng)，設(shè)計控制系統(tǒng)時充分考慮工程實際問題，既能保證操作人員既能習慣操作，又能最大限度地實施燃燒

17、優(yōu)化?？刂葡到y(tǒng)的總體框架如圖1所示。圖1 機組電廠燃燒過程控制示意圖P 為單位負荷熱信號。控制系統(tǒng)包括：滑壓運行主組壓力設(shè)定值計算模塊（由熱力系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)獲得，可用DCS折線功能塊擬合曲線）、負荷-供氣模糊計算模塊、主蒸汽壓力控制系統(tǒng)和sentas引用的空氣控制系統(tǒng)。主汽壓力控制系統(tǒng)采用常規(guī)串級PID控制結(jié)構(gòu)。2.2 油量控制系統(tǒng)當鍋爐蒸汽負荷超出要求時，必須適當改變鍋爐燃燒的燃料量。燃料控制是系統(tǒng)鍋爐控制的基礎(chǔ)和重要部分。它不僅影響主蒸汽壓力對送煤量引導(dǎo)空氣流量的控制，還影響汽包內(nèi)蒸汽的蒸發(fā)量和蒸汽溫度等參數(shù)o燃料量的控制對鍋爐有重大影響。手術(shù)。燃料控制可用于圖 2。圖2 燃油量控制策略其中

18、：NB為鍋爐負荷要求； B是燃料量； F(x) 作為執(zhí)行機構(gòu)。設(shè)置燃油量控制子系統(tǒng)的目的之一是利用它來消除燃油端內(nèi)部自發(fā)擾動，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。此外，由于機組容量大，各部分之間聯(lián)系緊密，相互影響也不容忽視。尤其是燃料種類的變化，以及投入燃料供給裝置和控制系統(tǒng)數(shù)量的不同因素。燃料控制子系統(tǒng)設(shè)置也提供了解決這些問題的方法。2.3 風量控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒，當燃料量發(fā)生變化時，必須適當改變空氣流量，從而改變供氣量和燃料量。供油量與供氣量的關(guān)系如圖3所示。圖3 燃油量與供氣量關(guān)系燃燒過程中的經(jīng)濟性是否通過過剩空氣系數(shù)來衡量，過?？諝庀禂?shù)通常是間接影響煙氣中氧含量的。最基本的經(jīng)濟燃燒風量和燃料量必須有一

19、定的比例。送風控制子系統(tǒng)的任務(wù)是使鍋爐的送風量和燃料量相協(xié)調(diào)，使鍋爐可以達到最高的熱效率，保證機組經(jīng)濟性，但鍋爐熱效率不能直接測量，因此通常通過達到目的的一些間接方法。如圖4所示，測得的燃油量B作為空氣流量調(diào)節(jié)器給定值，空氣量V與燃油量B成一定比例。圖4 空調(diào)系統(tǒng)燃油量在穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)可以保證燃料和空氣的供應(yīng)量滿足選擇空氣量略大于理論空氣B完全燃燒需要。該系統(tǒng)的優(yōu)點是簡單；它可以消除來自負載端和燃料端的各種干擾。2.4 風量控制系統(tǒng)引證維持爐膛風壓和供氣以適應(yīng)爐壓所需的程度也將影響鍋爐的安全性和經(jīng)濟運行水平。爐壓過低使大量冷空氣漏入爐內(nèi)會增加負荷和煙氣損壞引風機，爐壓過低甚至可能引起內(nèi)爆；爐

20、膛壓力高于大氣壓，就會冒出火焰和濃煙，不僅危害健康，甚至可能影響設(shè)備和生命安全。風量控制子系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證爐膛負壓，真空爐必須控制在內(nèi)容范圍內(nèi)，一般為-20Pa ?？刂茽t膛壓力和調(diào)節(jié)引風機量的手段，引風機，其主要的外部干擾是送風。作為調(diào)節(jié)爐煙道慣性的調(diào)節(jié)器，無論包括干擾和外界干擾，都是一個類似比例的分量。一般采用單回路控制器系統(tǒng)，加上前饋控制的方法如圖5所示圖5 引風量控制子系統(tǒng)爐壓和數(shù)字為給定值，S 為實測爐壓，Q 為引風量，V 為供氣量。爐壓與實際風量的平衡決定了風量和風量，將氣流作為前饋信號來提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另外，由于調(diào)節(jié)對象相當于一個比例元件，對反作用量過于敏感，為了防止引風機

21、擋板頻繁動作造成的微小偏差，可以設(shè)置調(diào)節(jié)器與自動修正環(huán)節(jié)，使得調(diào)節(jié)器比例帶偏差小。 S為負壓測量信號，需要低通濾波器來抑制測量值的波動，系統(tǒng)硬件配置。常規(guī)儀表在鍋爐燃燒過程控制、滯后、間歇調(diào)節(jié)、煙氣含氧量超過給定值、低負荷和低煙氣溫度。鍋爐采用PLC控制，運算速度快、精度高、準確可靠，可適應(yīng)復(fù)雜難處理的控制系統(tǒng)。這樣，就可以解決用常規(guī)儀器解決上述控制的難題。選用的PLC系統(tǒng)要求兼容性強，系統(tǒng)投資最少，即可完成和運行。其次，當設(shè)計自動化系統(tǒng)改變時不需要重新編程，輸入輸出系統(tǒng)也不需要。接線無需重新培訓人員，即可實現(xiàn)PLC系統(tǒng)升級。最后，更高的系統(tǒng)是性能。硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。.圖6 硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇西門子PLCS7-200 CPU226作為控制核心，同時擴展了兩個EM231模擬量輸入模塊和一個CP243-1以太網(wǎng)模塊。 CPU226的I / O點為2416，完全滿足系統(tǒng)的要求。同時選用了EM231模塊，它是A / D轉(zhuǎn)換模塊，有4路模擬量輸入12A / D，其采樣率為25s，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和氧氣檢測傳感器輸出信號調(diào)理并放大處理成為05V的標準信號，EM231模塊自動完成A / D轉(zhuǎn)換。S7-200 PPI接口RS-485的物理特性可以工作在PPI、MPI、自由通訊口模式。