基于S7-300PLC和模糊控制的锅炉分布式控制系统设计

张 弛，吴明亮，吴明永,黄将诚

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)(2.兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070)(3.重庆电子工程职业学院计算机学院，重庆 401331)

锅炉是工业生产中动力供应的主要设备，同时也是北方城市冬季供暖不可或缺的重要设备[1-2]。锅炉是将一次能源转化为二次能源的高能耗、高危险、高污染的设备，因此自动化程度的提高将大大提升其能源利用率和设备的安全性，降低其形成的沉重的环境负担，同时还能够降低操作人员的劳动强度[3]。随着计算机技术、现代控制技术以及变频调速技术的快速发展，以PLC为核心的控制系统由于其自身的稳定性和易于扩展等优点，越来越广泛地被应用于锅炉的控制系统中。

本文以西门子S7-300 PLC系统为核心，充分利用S7-200PLC系统、SOFTLINK 153-1、IM153、EM277以及其他模拟量和数字量输入输出模块，将现场的所有设备构建为分布式控制系统[4]。利用西门子WinCC 7.0，将上位系统同样构建为客户机-服务器模式，实现上位机对锅炉系统的监控和安全操作。

1 锅炉系统分析及工艺要求

1.1 锅炉系统介绍

锅炉系统主要包括燃烧系统、水循环系统和上煤系统。

燃烧系统主要负责当锅炉的负载发生改变时，对炉膛的引风量、鼓风量和燃料的量进行调节。引风量过大将造成炉膛、烟道负压增大，导致燃烧不稳定、不完全，系统运行既不经济也不安全；风量过小时炉膛负压会减小乃至变正，系统运行不安全。因此需要燃烧系统进行实时调节。燃烧系统的调节是通过对引风机、鼓风机和炉排电机的变频调速来实现的。

水循环系统是以水为介质进行热交换的系统。锅炉中的热水通过循环泵被送到用户处，当热量被消耗掉后，从用户处返回来的回水通过除污处理之后经过回水管被送到锅炉继续加热。在这个过程中必然会造成水压的降低，因此经过脱盐软化和除氧的水通过补水泵对锅炉进行补水。

上煤系统主要是对锅炉进行燃料添加。原煤被破碎为均匀的煤块之后，通过斗式提升机将煤块送入到犁式卸料器，犁式卸料器再将煤块均匀地洒在水平运输皮带上，而后送至各个煤仓，煤仓的链式炉排将燃料送至炉膛。

除此之外，锅炉还应具备脱硫、除尘、除渣、除灰等辅助系统。

1.2 系统划分

本文的研究对象为2台20t热水锅炉和1台65t热水锅炉，依照1.1节对锅炉系统的划分，将其分为4个子系统。

1)燃烧系统：包括3台引风机、3台鼓风机、3台炉排机，变频器选用ABB ACS510系列变频器。

2)水循环系统：主要包括补水泵2台、循环泵4台、离子交换器1台、除氧器1台，补水泵和循环泵的变频器同样选用ABB ACS510系列变频器。

3)上煤系统：主要包括破碎机、水平运输皮带、斗式提升机、犁式卸料器等。

4)辅助系统：主要包括除渣机、除灰机、搅拌机、脱硫循环泵等。

1.3 各子系统工艺要求

1)燃烧系统。

每台锅炉的引风机、鼓风机、炉排机都要求采用变频控制，并设置连锁/解锁模式。处于连锁模式时，各电机将按照引风机、鼓风机、炉排机的顺序启动，停止时按照炉排机、鼓风机、引风机的顺序停止；解锁模式下各电机可独立启/停。当锅炉在自动控制状态下工作时，PLC可根据供热负载的大小和出、回水温差采用模糊控制理论自动调整炉排机、鼓风机、引风机电机的工作频率。

2)水循环系统。

水循环系统配备4台循环泵，其中1台为备用泵，具体为1#、2#、3#循环泵分别给1#、2#、3#锅炉供水，4#循环泵备用，4台循环泵均为变频控制。补水泵采用变频控制并由PID控制器调节，以保证循环泵入口管网压力恒定。补水泵为2台，1台正常使用，另1台备用。

3)上煤系统。

为防止上煤时煤粉堆积和散落，同样设置了连锁/解锁模式。处于连锁模式时，系统按照斗式提升机、水平运输皮带、破碎机的顺序启动，停止时则按相反的顺序停止；解锁模式下各个设备可独立启/停。而犁式卸料器的停止则通过接近开关进行控制。

4)辅助系统。

在上位控制系统相关的操作界面上设置软按钮，用于手动方式分别控制除渣机、除灰机、搅拌机、脱硫循环泵的启/停。

2 锅炉控制系统硬件设计

由于本文的研究对象控制规模较大，因此需要采用大中型PLC来构建整个控制系统，但是像S7-400这样的大型PLC系统价格太高，故选取满足系统功能要求的S7-300PLC系统，其CPU为 313C-2DP。该CPU价格适中、存储空间大、运算速度快，且具有的2个PROFIBUS通道可便于搭建分布式系统以及与上位机进行通信；考虑到现场实际情况，选取西门子远程I/O单元ET200M构成分布式系统，接口模块选择IM153-2，用来连接主机架和扩展机架[5]。上煤系统是一个相对独立的系统，因此选取S7-200 PLC系统构成智能子站，选取EM227通讯模块实现与主站之间的通信[6]。系统网络构架如图1所示。

图1 系统网络构架

3 锅炉控制系统软件设计

锅炉控制系统软件设计主要包括对作为下位机的PLC进行程序设计以及对上位机控制界面的设计。在进行PLC程序设计时，除了必须实现引风机、鼓风机、炉排机连锁模式下的顺序启/停和上煤系统各个设备在连锁模式下的顺序启/停以及各个模拟量的采集功能之外，其必须实现的功能还有：1)PLC可根据供热负载的大小和出、回水温差采用模糊控制理论自动调整炉排机、鼓风机、引风机电机的工作频率，实现系统的模糊控制功能；2)对补水泵采用变频控制且运用PID控制器进行调节以保证循环泵入口管网压力的恒定，实现系统的恒值控制功能。

3.1 基于模糊控制理论的锅炉燃烧控制系统设计

锅炉燃烧系统是典型的非线性、多变量、时变系统，常常无法建立准确的传递函数[7]，而采用模糊控制可以有效地解决此类问题，故本文采用二输入三输出的控制器[8]。根据模糊控制本身解耦的特点，可将多输出的控制器分解为多个单输出的控制器进行设计。模糊控制主要存在模糊化和解模糊两个环节，具体思路如下：将采集到的锅炉热负载的大小，出、回水温差作为观测量进行模糊化，根据各个偏差所处的区间，查询模糊控制规则表，得到各个输出的模糊论域，再乘以量化因子，即可得到各个变频器的实际输出。

3.1.1模糊化

本文的系统中选择锅炉热负载的大小和出、回水温差及温差变化率作为观测量，选择引风机、鼓风机、炉排机电机的频率作为输出量，参考模糊PID控制器的设计方法，通过经验、软件仿真和现场调试确立了输入输出的隶属度函数。对于输入，热负载的模糊论域为F={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，其中NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB分别代表偏差所处的区间为负向大、负向中、负向小、零、正向大、正向中、正向小；出、回水温差的模糊论域为T={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}；对于输出，引风机频率的模糊论域为YF={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，鼓风机频率的模糊论域为GF={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，炉排机频率的模糊论域为LP={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。

3.1.2模糊推理

对于二输入三输出的模糊控制，其推理规则为：

IFFisF1andTisT1thenYFisYF1andGFisGF1andLPisLP1or

… …

IFFisFnandTisTnthenYFisYFnandGFisGFnandLPisLPn

其中:(F1，…，Fn),(T1，…，Tn)是输入论域上的模糊子集;(YF1，…，YFn), (GF1，…，GFn),(LP1，…，LPn)是输出论域上的模糊子集。

以引风机频率为例，其具体控制策略见表1。

表1 引风机模糊控制规则表

3.1.3解模糊

解模糊旨在将模糊推理的结果输出作为实际的变频器频率输入，此处采用了最大隶属度方法进行解模糊。

3.2 循环泵入口管网压力恒定控制

利用PLC的D/A转换模块和PID控制算法，实现循环泵入口管网压力的闭环控制，PLC根据循环泵入口管网压力设定值与实际管网压力反馈值之间的偏差，计算所需的频率值，并将该值输出到变频器的模拟量输入口，变频器则相应地改变频率，调整补水泵电机的转速，即达到保持循环泵入口管网压力恒定的目的。在上位机控制系统界面中同时设计了设置PID整定3个参数的界面，以方便调试。本系统压力控制原理框图如图2所示。

图2 管网压力控制模型框图

3.3 上位机控制系统界面设计

本文采用西门子WinCC V7.0 sp3作为上位机控制系统界面的设计软件。与WinCC V6.2相比，该版本有以下主要优点：一是具有Windows Vista风格外观的运行界面，视觉效果更为协调[9]；二是增强了趋势、报警、配方等控件的功能，以趋势控件为例，增加了数据导出按钮，可将数据导出为CSV格式文件[10]；三是将SQL Server 2005数据库集成在WinCC软件中，大大方便了用户安装和使用[11]。除此之外， WinCC V7.0 sp3可以与Windows防火墙配合使用，大大增强了系统的安全性[12]。

该控制系统的基本设计思路为：3台锅炉各设置1个操作员站，在监控室另外设置1个工程师站。其中操作员站在WinCC组态时组态为客户机，工程师站组态为服务器，这样的好处是大大减少了上位机与下位机PLC之间的通讯量，而且方便系统扩展。具体步骤如下：

1) 打开WinCC的项目，首先在服务器上建立一个类型为多用户的项目，然后组态与画面相关的项目数据(画面，变量，归档等)，在服务器上注册客户机。

2) 为客户机分配操作权限。

3) 组态数据包的导出。在WinCC项目管理器中选中服务器数据，点击右键“创建”按钮，然后设置数据包的属性，接下来生成.pck类型的组态数据包文件。

4) 在客户机上输入用户名和密码，打开服务器上创建的项目即可。

除此之外，本文在上位机控制界面设计中，还增加了报警、通讯测试等功能，并结合SQL Server 2005设计了报表功能。系统实际运行效果如图3所示(以3#锅炉为例)。

4 结束语

本文设计的以西门子S7-300 PLC系统为核心的锅炉分布式控制系统，充分结合现场总线技术、变频调速技术、计算机技术和现代控制理论，实现了锅炉控制系统的自动化和高精度化。具有以下特点：一是采用分布式结构，便于系统日后扩展，系统稳定性好；二是各个控制子系统划分严格，方便维护和检修；三是将模糊控制理论引入燃烧系统的控制，控制精度和自动化程度高；四是上位机监控界面操作方便。自2016年11月1日系统投入使用至今，运行稳定可靠。

图3 3#锅炉监控界面

参考文献：

[1] 余洁.中国燃煤工业锅炉现状[J].洁净煤技术,2012(3):89-91，113.

[2] 孙德刚.燃煤工业锅炉现状及其节能减排途径[J].节能,2010(6):65-66.

[3] 丁波.我国工业锅炉的现状及节能途径[J].能源研究与利用,2011(2):52-53.

[4] 孙宏亚.分布式PLC控制系统在液态氦生产工艺上的应用[J]. 电工技术,2014(6):44-45.

[5] 段文益,莫同鸿,李红,等.油田污水处理设备的分布式PLC自动控制系统[J].石油机械,2011(6):50-51，74.

[6] 范狄庆.基于分布式架构的矿井提升机PLC过程控制系统设计[J].煤矿机电,2014(1):5-8.

[7] 郭佳.基于PLC的模糊神经网络控制器在锅炉温控系统中的应用[D].呼和浩特：内蒙古大学,2012.

[8] 何斌,邹江峰,杜晓磊,等.锅炉燃烧系统模糊控制理论的研究[J]. 湖北电力,2006(1):25-27.

[9] 王万强,陈国金,张俊芳.S7-300PLC 和 WinCC 组态软件在电厂的应用[J].机电工程, 2004, 21(7): 4-7.

[10] 苏昆哲. 深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

[11] 刘锴,周海.深入浅出西门子 S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

[12] 西门子有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.