PLC 在水煤浆锅炉燃烧控制中的应用

化工自动化及仪表第42卷PLC在水煤浆锅炉燃烧控制中的应用余淑荣张晓东吴明亮赵坤宋乃军2(1.兰州理工大学,兰州730050;2.甘肃景泰民安供热有限公司,甘肃白银730400摘要基于西门子S7-300PLC提出了水煤浆锅炉燃烧控制解决方案。在传统PI控制方法的基础上加入了模糊控制技术。通过对风量与负荷配比的控制,达到了稳定燃烧的目的。关键词PLC水煤浆锅炉燃烧控制中图分类号TH865文献标识码B文章编号1000-3932(2015)01008604PLC作为工业过程自动化控制系统中的核心PLc部件,因其良好的控制特性和简单易学的操作方风机等设备启停法,已在世界工业控制领域里得到了广泛应用。状态数字量信号随着环保问题越来越受到关注,锅炉燃烧系统对「位计算区Ao流量等模拟量信于燃料的选择则变得十分重要。水煤浆是一种新型煤基流体燃料,因其可以像油一样泵送、雾化存贮和稳定燃烧,并且燃烧效率高、环境污染少已逐渐成为锅炉的首选燃料。但是传统的采用程-电哥伙行哥控器和仪表的控制方式功能简单、控制效率低且图1监控系统拓扑结构(局部)信号采集数量少,难以实现对水煤浆锅炉的有效控制。因此笔者基于西门子S7-300PLC为兰州整个过程都在上位计算机上进行监控,可对出现的报警信号(如出水温度过高及炉膛负压过大某热源厂设计了水煤浆锅炉燃烧控制系统,利用等)进行排査。整个水煤浆锅炉的燃烧过程控PLC易扩展、可编程、优异的运算能力和稳定可靠制,是在PLC中通过一定的PD闭环控制算法实的现场工作性能,通过自整定模糊PID算法准确现的地实现了燃烧控制和燃料风量配比。1.1硬件配置1燃烧控制系统软硬件设计水煤浆锅炉的自动燃烧控制是根据对锅炉自燃烧控制系统采用西门子S7-300PLC作为身及循环系统等的工艺流程和要求所实现的控制系统的核心。上位计算机与CPU之间采用Ethernet以太网通信。具体配置为根据DCS系统“分散控制,集中管理”的基本特中央处理器模块CPU315-2DP/PN点,整个控制系统主要由上位计算机、下位PLC电源模块PS3075A和通信网络组成,燃烧控制子系统主要包括信号数字量输入模块SM321采集、燃烧流程及闭环调节等2。水煤浆锅炉监数字量输出模块SM322控系统拓扑结构(局部)如图1所示。模拟量输入模块SM331信号采集主要由分布在整个锅炉各测点的传模拟量输出模块SM332感器、变送器以及相应的信号处理设备完成,模拟量信号一般都以4~20mA(DC)送入PLC模拟量CPU与模块之间采用U型连接器(总线)连接以实现通信。图2所示为锅炉燃烧控制系统O模块中,经CPU计算处理再由模拟量模块输出,号中央机架结构。控制执行机构或设备的运行锅炉点火后,燃烧控制子系统根据相关工艺中国煤化工要求自动启动流程,直到锅炉进入正常燃烧状态CNMHG收稿日期:2014404J(修改高)余淑荣等.PLC在水煤浆锅炉燃烧控制中的应用220VA于非线性、时变性、大滞后性、强耦合和多变量系统,所以应采用更为有效的自整定模糊PID控制会下M215M325335M32方式模块模块模块AO模NH2020402010U型连接器出口温度设DEADBANDINT积分SEI出口温度反DIFR ZD SEI24V(DCPID运算图2锅炉燃烧控制系统0号中央机架结构扰动INT积分手动设定值 Man/Auto1.2软件配置Ds供浆泵频率Mam/Audr手动设定值鼓风机频率输出燃烧控制系统采用STEP7编程软件进行PLC供浆泵频率输出编程和硬件组态。上位计算机采用西门子公司的SIMATIC WinCC7.0组态监控软件。 SIMATIO图3热媒出口温度PID控制原理WinCC7.0内置所有操作和管理功能,可简单、有效地进行组态,可基于Web持续延展,采用开放自整定模糊PID控制器以传统PID控制器为性标准,集成简单,实现了硬件系统和上位监控软基础,引入模糊集合论,将PID参数根据偏差e()件系统之间的无缝链接。和偏差变化率ec(t)的大小而动态变化,更符合被2燃烧控制和实现控对象真实的控制规律。水煤浆锅炉的燃烧采用空气压力雾化悬浮燃模糊系统是一种基于知识或规则的系统。它烧原理。水煤浆与空气经燃烧器以射流方式进入的核心就是由所谓的 IF-THEN规则所组成的知炉膛,促使煤浆气流与炽热烟气产生强烈混合,水识库。各部分具体设计如下。分迅速蒸发;同时水煤浆气流又受到炉膛四壁和模糊化与反模糊化设计。输入、输出语言变高温火焰的辐射,而将悬浮在气流中的煤颗粒迅速加热,水煤浆颗粒获得足够的热量并达到一定量为负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},即温度开始着火燃烧。其着火热随燃料的性质和运{NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL;模糊量化论域为行工况的变化而变化,锅炉负荷低时,炉膛平均烟-3,-2,-1,0,1,2,3}。温降低,燃烧器区域的烟温也降低,反之则升高。量化因子设计。设误差基本论域为{-cn,燃烧控制的关键在于控制燃料(水煤浆)与风量cn};误差变化率基本论域为丨-c灬,e灬};量化等的配比,使燃料充分高效燃烧并保证系统安全2.1燃料与凤量配比控制级为7,则误差的量化因子k=一,误差变化率的夲锅炉为供暖热水锅炉,燃烧控制的对象为热媒的出口温度和炉膛的压力。碍于篇幅笔者量化因子k=一。数值以具体情况为准对前者进行阐述,后者与之类似。模糊控制器和模糊规则表设计。图4所示的对水煤浆锅炉热媒出口温度的控制,主要是自整定模糊PID控制器中存在5个变量:K,、K。对燃料供给量的控制。由于水煤浆自身的特点,K、K、K,通过数据重组将其变换为{K,、K对燃料供给量的控制也就转化为对供浆泵频率的控制。在PC控制系统中,对供浆泵频率的控制K}、K、K。、K1}、K、Kn、K}。由此将两输入是采用PID自动调节的方式。图3所示为热媒出三输出系统转换为两输A单输出系统,便于简化口温度PID控制原理。传统的PID控制主要是控总体系统设计中国煤化工为例加以制具有确切模型的线性过程,而锅炉控制系统属说明。CNMHG第42卷模糊推理Network 1: TitleID调节被控对象MW100-1NRET VALHMW 1020.000000e+图4自整定模糊PID控制器结构10.5-BIPOLAR取K。的论域为{-5,5}。表1、2分别为模糊规则表和模糊查询表。Network 2: TitleFC106表1模糊规则表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图5模拟量输入、输出处理程序表2模糊查询表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编程软件中有丰富的功能模块,可为模糊控制的实现提供便利。文中PLC程序设图6PID调节功能模块子程序计采用模块化的编程方法。主模块OB1实现对子程序的调用和数据的传递,OB35为时间中断服2.2系统安全性保证务程序。FBⅠ模块为模糊控制器,在OB35中调为保证系统工作的安全性,在硬件设计中,采用。FB41是连续PID子程序模块。DB10是用质量和性能较好的 Schneider变频器、国内性能STEP7中建立的一个数据块,在其中建立一个数较好的水煤浆锅炉燃烧控制器、防爆等级较高的组类型的数据 Output,类型为一个7行7列的二传感器、变送维数组。V凵『中国煤化工在各个相关设备和执行部分PLC控制程序如图5、6所示。CNMHG页限位及报警等控制。牡时议计工世界面设计余淑荣等.PLC在水煤浆锅炉燃烧控制中的应用时,也加人了联锁、互锁及报警等控制。从软、硬优点,在水煤浆锅炉控制系统中具有一定的推广件两方面双重保证了系统的安全性。价值3结束语参考文献与目前现有的电气仪表设备控制技术相比本控制方式结合成熟的西门子S7-300PC软、硬1]卢志航,胡月丹,文勇.西门子PLC在锅炉燃烧系统件系统与技术支持,采用简单、有效、合理的控制控制中的应用[J].长春理工大学学报(自然科学程序,在传统PID控制思路和方式中,加入模糊控版),2011,34(4):79~82制技术,在热媒出口温度及炉膛负压等控制中,发[2]张丽娜,李珂,贾静梅,等,浅议水煤浆锅炉的技术挥了较好的控制效能,提高了燃烧效率,增强了燃特点及其应用[J].节能技术,2009,31(5):40~4[3]刘红兵,模糊PID自整定技术在PLC中的实现烧效果,节约了生产成本,减少了环境污染。经过PLC&FA,2013,(1):99-103个采暖期的实际应用,该系统运行状态良好,热[4]赵笑笑.基于模糊理论与常规PID控制的模糊PID媒出口温度控制在工艺要求范围之内,并且具有控制方法研究[J],山东电力技术,2009,36(6):54系统组态灵活、数据处理方便及人机界面友好等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页)2]倪晓杰,马彦霞,薄翠梅,等,基于PCS7的锅炉控「4」齐飞, SIMATIC PCS7在混合液体分离系统中的应制系统的设计和实现[J].控制工程,2011,18(6)用[J].自动化技术与应用,2008,27(5):6[5]邓剑宏,庄诚,张喜东,等.基于PCS7的并列运行[3]郑君娜,李从江,西门子 SIMATIC PCS7系统在连锅炉燃烧控制系统[冂],控制工程,2006,13(z):33蒸控制系统中的应用[J].轻工机械,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中国煤化工Key words boiler control system, deaerator, water flow, smoke-blockHacI operationCNMHG