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

(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)

PLC作为工业过程自动化控制系统中的核心部件，因其良好的控制特性和简单易学的操作方法，已在世界工业控制领域里得到了广泛应用。随着环保问题越来越受到关注，锅炉燃烧系统对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。但是传统的采用程控器和仪表的控制方式功能简单、控制效率低且信号采集数量少，难以实现对水煤浆锅炉的有效控制。因此笔者基于西门子S7-300 PLC为兰州某热源厂设计了水煤浆锅炉燃烧控制系统，利用PLC易扩展、可编程、优异的运算能力和稳定可靠的现场工作性能，通过自整定模糊PID算法准确地实现了燃烧控制和燃料风量配比。

1 燃烧控制系统软硬件设计①

水煤浆锅炉的自动燃烧控制是根据对锅炉自身及循环系统等的工艺流程和要求所实现的[1]。根据DCS系统“分散控制，集中管理”的基本特点，整个控制系统主要由上位计算机、下位PLC和通信网络组成，燃烧控制子系统主要包括信号采集、燃烧流程及闭环调节等[2]。水煤浆锅炉监控系统拓扑结构(局部)如图1所示。

信号采集主要由分布在整个锅炉各测点的传感器、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模拟量模块中，经CPU计算处理再由模拟量模块输出，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要求自动启动流程，直到锅炉进入正常燃烧状态。

图1 监控系统拓扑结构(局部)

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等)进行排查。整个水煤浆锅炉的燃烧过程控制，是在PLC中通过一定的PID闭环控制算法实现的。

1.1 硬件配置

燃烧控制系统采用西门子S7-300 PLC作为控制系统的核心。上位计算机与CPU之间采用Ethernet以太网通信。具体配置为：

中央处理器模块 CPU 315-2DP/PN

电源模块 PS307 5A

数字量输入模块 SM321

数字量输出模块 SM322

模拟量输入模块 SM331

模拟量输出模块 SM332

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0号中央机架结构。

图2 锅炉燃烧控制系统0号中央机架结构

1.2 软件配置

燃烧控制系统采用STEP7编程软件进行PLC编程和硬件组态。上位计算机采用西门子公司的SIMATIC WinCC 7.0组态监控软件。SIMATIC WinCC 7.0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，采用开放性标准，集成简单，实现了硬件系统和上位监控软件系统之间的无缝链接。

2 燃烧控制和实现

水煤浆锅炉的燃烧采用空气压力雾化悬浮燃烧原理。水煤浆与空气经燃烧器以射流方式进入炉膛，促使煤浆气流与炽热烟气产生强烈混合，水分迅速蒸发；同时水煤浆气流又受到炉膛四壁和高温火焰的辐射，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温度开始着火燃烧。其着火热随燃料的性质和运行工况的变化而变化，锅炉负荷低时，炉膛平均烟温降低，燃烧器区域的烟温也降低，反之则升高。燃烧控制的关键在于控制燃料(水煤浆)与风量的配比，使燃料充分高效燃烧并保证系统安全。

2.1 燃料与风量配比控制

本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。碍于篇幅笔者只对前者进行阐述，后者与之类似。

对水煤浆锅炉热媒出口温度的控制，主要是对燃料供给量的控制。由于水煤浆自身的特点，对燃料供给量的控制也就转化为对供浆泵频率的控制。在PLC控制系统中，对供浆泵频率的控制是采用PID自动调节的方式。图3所示为热媒出口温度PID控制原理。传统的PID控制主要是控制具有确切模型的线性过程，而锅炉控制系统属于非线性、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控制方式[3]。

图3 热媒出口温度PID控制原理

自整定模糊PID控制器以传统PID控制器为基础，引入模糊集合论，将PID参数根据偏差e(t)和偏差变化率ec(t)的大小而动态变化，更符合被控对象真实的控制规律。

模糊系统是一种基于知识或规则的系统。它的核心就是由所谓的IF-THEN规则所组成的知识库。各部分具体设计如下。

模糊化与反模糊化设计。输入、输出语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，即{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；模糊量化论域为{-3，-2，-1,0,1,2,3}。

模糊控制器和模糊规则表设计。图4所示的自整定模糊PID控制器中存在5个变量：Ke、Kec、Ki、Kp、Kd，通过数据重组将其变换为{Ke、Kec、Kp}、{Ke、Kec、Ki}、{Ke、Kec、Kd}。由此将两输入三输出系统转换为两输入单输出系统，便于简化总体系统设计[4]。以{e(t)，ec(t)，Kp}为例加以说明。

图4 自整定模糊PID控制器结构

取Kp的论域为{-5,5}。表1、2分别为模糊规则表和模糊查询表。

表1 模糊规则表

表2 模糊查询表

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为时间中断服务程序。FB1模块为模糊控制器，在OB35中调用。FB41是连续PID子程序模块。DB10是STEP7中建立的一个数据块，在其中建立一个数组类型的数据Output，类型为一个7行7列的二维数组。

部分PLC控制程序如图5、6所示。

图5 模拟量输入、输出处理程序

图6 PID调节功能模块子程序

2.2 系统安全性保证

为保证系统工作的安全性，在硬件设计中，采用质量和性能较好的Schneider变频器、国内性能较好的水煤浆锅炉燃烧控制器、防爆等级较高的传感器、变送器等，并且根据工艺要求，在各个相关设备和执行机构之间采用了联锁、互锁、限位及报警等控制。在控制程序设计和上位界面设计时，也加入了联锁、互锁及报警等控制。从软、硬件两方面双重保证了系统的安全性。

3 结束语

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S7-300 PLC软、硬件系统与技术支持，采用简单、有效、合理的控制程序，在传统PID控制思路和方式中，加入模糊控制技术，在热媒出口温度及炉膛负压等控制中，发挥了较好的控制效能，提高了燃烧效率，增强了燃烧效果，节约了生产成本，减少了环境污染。经过一个采暖期的实际应用，该系统运行状态良好，热媒出口温度控制在工艺要求范围之内，并且具有系统组态灵活、数据处理方便及人机界面友好等优点，在水煤浆锅炉控制系统中具有一定的推广价值。

[1] 卢志航，胡月丹，文勇.西门子PLC在锅炉燃烧系统控制中的应用[J].长春理工大学学报(自然科学版)，2011,34(4):79～82.

[2] 张丽娜，李珂，贾静梅，等.浅议水煤浆锅炉的技术特点及其应用[J].节能技术，2009,31(5):40～42.

[3] 刘红兵.模糊PID自整定技术在PLC中的实现[J].PLC&FA，2013,(1):99～103.

[4] 赵笑笑.基于模糊理论与常规PID控制的模糊PID控制方法研究[J].山东电力技术，2009,36(6):54～56.