基于PLC的工业锅炉自动负荷调节系统设计

2023-09-08潘昊

现代制造技术与装备 2023年7期

潘昊

（1.北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013；2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

锅炉是工业生产和生活广泛使用的一种热力设备，主要用于加热、供暖和产生蒸汽。作为热力、发电装置的重要组成部分，它的稳定运行对电力、工业系统的正常运行具有重要意义。锅炉的燃烧效率和安全性直接关系能源利用效率和工业生产效益[1]。在锅炉运行过程中，负荷变化会对其燃烧效率和污染物排放产生重要影响[2]。如何对锅炉的负荷进行调节，是锅炉运行控制的关键问题。

传统的锅炉负荷调节一般采用人工调节方式[3]，即通过手动配合局部比例-积分-微分（Proportion Integral Differential，PID）等方式来调节锅炉的燃料量、配风量[4]。这种方式不仅效率低下，而且容易出现人为误操作导致的安全事故[5]。同时，由于锅炉燃烧属于非线性、大延迟、强耦合模型[6-7]，传统的PID算法逐渐不能适应复杂多变的运行环境[8]。为了解决这些问题，基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）设计了一种工业锅炉自动负荷调节系统。

1 系统设计

1.1 系统结构

系统的硬件结构如图1所示，主要由PLC控制器、传感器、执行机构、人机交互界面等组成。系统采用3层结构实现，即采集层、控制层和人机交互层。

图1 系统结构

采集层主要由传感器组成，用于采集锅炉运行状态数据，实时监测锅炉状态，主要参数包括炉膛温度、炉膛压力、燃料供给量、二次风流量、氧含量以及汽包液位等参数。

控制层主要由PLC和执行器组成。PLC作为系统的核心控制器，负责处理传感器采集的数据，并根据控制算法确定燃烧器的燃烧量和配风量，输出相应的控制信号控制执行器的运动。执行器包括供料器、风机变频器及风量调节阀等，以实现对锅炉负荷的调节。

人机交互层主要由工控机及操作组态界面软件组成，用于显示锅炉的运行状态和人机交互操作。操作界面显示锅炉运行参数、连锁报警参数、锅炉当前负荷及锅炉目标负荷设定接口，方便操作人员对锅炉运行状态进行监测和调节。操作界面设置自动/手动切换开关，在出现异常状况时可切换为手动模式，保留操作人员的最高操作权限。

1.2 控制策略

系统采用分级自适应匹配算法进行锅炉的自动负荷调节，基本思想是采用PLC程序模拟人工手动负荷调节过程。通过分析锅炉历史运行数据，根据以往人工调节时各负荷状态下的稳态运行点数据，建立锅炉燃料量—配风量—负荷的匹配关系表，将锅炉运行从最低负荷—最高负荷均匀分为多个档位，将负荷、燃料量、配风量进行映射形成各自的档位表，确定各档位相应的负荷、供料量和配风量区间，进而逐档位进行步进调节，降低纯PID控制的大延迟和超调振荡等缺陷，具体控制流程如图2所示。

图2 控制流程

锅炉启动后，在每个控制循环的开始先判断运行状态是否稳定。若相关安全参数超限，则退出循环并连锁停机。通过当前供料量查询燃料量档位表获取当前档位值，由人机界面设定的目标负荷查询负荷档位表获取目标档位值。若目标档位大于当前档位，则相应的增加供料器供料量，每个控制循环内增加一档，同时根据风量档位表调节风机频率和风阀开度，此时锅炉燃烧负荷提升一档。为保证安全性，待延迟一段安全时间燃烧状态稳定后进行下一周期操作，如此循环直至当前档位等于目标档位，则进入稳态运行阶段。此时，若锅炉燃烧存在一定波动，则通过氧含量PID和炉膛负压PID来微调风机频率和风阀开度，确保锅炉稳定运行（目标档位小于当前档位时，相应减档操作同上）。

2 系统实现

在工业自动化领域，PLC具有高可靠性、强抗干扰能力和灵活的编程功能[9]。控制系统采用西门子S7-300系列PLC作为主控制器，并组态以太网通信模块以及Profibus-DP总线模块，用以与人机交互上位机、变频器等通信[10]，同时配备工业交换机。系统主要硬件配置表如表1所示。

表1 PLC系统硬件配置表

为保证系统参数测量和执行的稳定性，采用较高精度的传感器。主要测控设备选型如表2所示。

表2 系统测控设备配置表

3 系统测试

系统在生产环境中进行测试，测试对象为一台20 t·h-1燃气型蒸汽锅炉。通过设定目标负荷，分别测试锅炉从启炉负荷升至100%负荷、100%负荷降至停炉负荷以及各中间负荷间的增减，记录锅炉各项参数的变化。测试结果表明，系统能够实时监测锅炉运行状态，准确判断当前负荷级别，并自动调节燃烧器燃烧量和配风量，能够稳定维持锅炉负荷处于目标范围内，如图3所示。同时，人机交互界面显示清晰，操作简单方便，易于实际应用。