基于plc的水煤浆燃烧控制解决方案

基于plc的水煤浆燃烧控制解决方案

html5（通用于动静态逻辑控制的编程逻辑控制器）最初主要用于代替矩阵来执行逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。尤其是具有很强的工业环境适应性，因此在工业控制系统中得到了广泛的应用。本文介绍了应用西门子PLC控制系统的燃水煤浆燃烧控制的解决方案。随着环保和节能越来越受到重视，锅炉燃烧系统对于燃料选择变得十分重要，水煤浆因其燃烧效益高、负荷调整便利、减少环境污染、改善劳动条件和节省用煤等优点逐渐成为锅炉的首选燃料，但是传统的燃烧器采用程控器和专用仪表控制，存在功能简单、输入输出点数少、运算功能差的不足，难于对燃烧水煤浆锅炉实现精确的燃烧控制和燃烧配风。本文给出基于SIEMENSS7-300PLC设计的针对以水煤浆作为燃料的燃烧控制系统，利用PLC易扩展、可编程、运算功能强的优势，通过控制算法实现符合设计要求的燃烧控制。实现燃水煤浆燃烧控制系统的点火、升温、燃烧的流程控制，保证系统稳定、安全的运行，实现对负荷的调节，并且为保证水煤浆更好更充分的燃烧，对风量配比进行调节控制。1燃烧管理系统的设计燃水煤浆燃烧控制系统是针对燃水煤浆锅炉的控制要求，实现燃烧过程控制和系统安全保护的控制系统。1.1控制方案设计燃水煤浆热载体加热炉供热控制系统是根据燃水煤浆热载体加热炉和循环系统等所组成的工艺流程要求和控制任务，本着“分散控制、集中管理”的特点，整个控制系统由人机界面（HMI）、PLC控制站和各个设备控制柜组成。一台燃水煤浆热载体加热炉控制系统结构拓扑如下图所示。1.2锅炉控制流程燃烧控制系统主要包括现场信号采集子系统、燃烧流程子系统、报警子系统和闭环调节子系统等。现场信号采集子系统，是将现场信号采集进入PLC系统。信号采集后，通过量程转换，将仪表参数显示在上位机画面中，同时通过运算处理，到达输出控制目的。燃烧控制流程子系统在启动后，根据工艺要求，自动运行启动流程，直到锅炉进入正常燃烧状态。报警子系统用于监测设备运行情况，当运行参数越限时产生报警事件，并由控制器采取防护措施。闭环调节子系统负责在锅炉处于正常燃烧状态时，实现自动控制热媒出口温度、炉膛压力以及自动配风。1.3c和控屏之间的连接在本系统设计中，燃烧器控制系统硬件主要由西门子SIMATICS7-300系列PLC和MP系列MP277-10寸的触摸屏组成。PLC和触摸屏之间采用西门子公司PROFI-BUS总线进行连接。PLC模块配置：西门子300系列PLCCPU313C-2DP、CPU的24V电源PS307、开关量输入模块SM321、开关量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332。PLC系统采用模块化方式，模块与模块之间的连接是通过背后的连接件以总线的方式连接，只需将电源供给各个模块，再将信号接入相应的模块即可。1.4水煤浆热媒炉启动/停止控制水煤浆热媒炉的启动需要按照一定的顺序进行。按照启动顺序的要求可以将整个启动过程分成6个阶段：阶段0（准备阶段）：各个设备处于待机状态；阶段1（吹扫阶段）：鼓风机、引风机运行后，对炉膛进行吹扫60秒钟；阶段2（点火阶段）：向点火装置发出点火命令，等待火焰信号阶段3（炉膛升温阶段）：点火成功后，炉膛温度将会上升，当炉膛温度大于启动要求的温度后再进入下一个阶段；PLC程序根据上述阶段要求控制各个相关设备的启动/停止等，从而完成对水煤浆热媒炉整个启动过程的控制。在启动过程中如果遇到设备故障或无法达到各个阶段的要求的状况，系统将产生报警并退出启动过程，需要将报警复位后才能再次重新进入启动流程（参见图3）。2燃烧量的确定燃水煤浆燃烧控制的关键在于，如何控制燃料（水煤浆）的燃烧量，如何配比合适的燃烧风，使燃料充分燃烧，以及如何使系统运行的安全、可靠、稳定；因此，燃烧控制主要由燃料的流量和配风控制以及系统安全连锁控制两部分组成。2.1燃烧控制的对象本实例中水煤浆锅炉的燃烧是用于热媒的加热与控制，燃烧控制的对象为热媒的出口温度。在控制热媒出口温度的同时，还需要对锅炉的炉膛压力进行控制，保炉膛压力的稳定，提高燃烧效率。2.1.1pid控制模块区别于燃煤热媒炉，燃水煤浆热媒炉的燃料水煤浆具有流动性，可以像燃油一样进行泵送，因此热媒出口温度控制是通过控制供浆泵的频率来控制燃烧时使用的燃料（水煤浆）量的多少来实现的。水煤浆热媒炉处于正常燃烧阶段并且当出口温度控制在“自动”模式下时，系统将会自动调节热媒的出口温度。控制器自动比较温度的设定值SP和反馈的过程值PV，这样产生一个差值。然后，通过一个自适应调整参数的PID算法的计算，输出一个频率值，通过这个基准去控制供浆泵，达到自动控制温度的目的。由于使用西门子PLC，在通过西门子PLC的编程软件STEP7的编程过程中，可以直接调用系统中的PID控制计算模块，将需要使用的参数和采集的数据直接写入PID控制模块，PLC程序就可以在系统运行过程中进行计算并获得相应的输出值。PID控制模块的基本算法为：其中：Mn是PID控制器采样时刻n时输出值；SPn是采样时刻n时给定值；PVn是采样时刻n时反馈值；SPn-1是采样时刻n-1时给定值；PVn-1是采样时刻n-1时反馈值；Kc是PID控制器的比例系数；Ti是PID控制器的积分时间；Td是PID控制器的微分时间；Ts是PID控制器的采样时间；Mx是采样时刻n-1时的积分项数值。传统的燃烧器配风只有风门挡板控制，鼓风机没有配置变频器，只能在鼓风机全速运转的情况下，通过控制风门挡板的开度来控制风量，导致鼓风机用电量的极大浪费。本系统采用鼓风机变频方式调节进风量，以减少电耗，节约能源。所以，燃烧配风时，按照供浆量自动配比鼓风量，达到最优的风煤比；手动时，风量根据操作人员的设定值进行调节。导热油出口温度控制原理，如图4所示。2.1.2自动调节炉秆压力水煤浆热媒炉的炉膛压力控制是通过控制引风机的频率来实现的。当引风机的变频器运行在“自动”模式下时，系统将会自动调节热媒炉的炉膛压力。控制器自动比较炉膛压力的设定值SP和反馈的过程值PV，这样产生一个差值。然后，通过一个自适应调整参数的PID算法的计算，输出一个频率值，通过这个基准去控制引风机，达到自动控制炉膛负压的目的。炉膛压力控制原理，如图5所示。2.2燃烧安全连轴基的实现热媒炉在正常燃烧时，系统将对运行参数进行实时监测，当一些关键测点的数值出现异常时，必须停止热媒炉的运行，起到对锅炉的保护作用。2.2.1是否停止燃烧热媒炉热媒炉在正常生产运行的过程中，能够瞬间产生大量的热量，因此，管道内的热媒必须保证必要的流量，能够及时的带走热量，否则对热媒、管道和炉子都会产生致命的破坏。因此，在流量超低的情况下，必须停止热媒炉的运行。系统通过现场的流量仪表检测热媒实时的流量，通过变送器由PLC模拟量模块测量流量数据，在根据流量连锁的设定值判断是否停止燃烧。为防止检测回路的干扰或传感器误动作，在检测到数据异常后，判断此异常数据可否维持2秒以上，如果不能则不进行连锁报警处理。热媒流量超低连锁停炉工作原理和工作流程如图6示。2.2.2停炉均停炉和流量超低联锁一样，一旦检测到管道内热媒温度过高，必须停炉，保证安全。热媒温度超高连锁停炉工作原理和工作流程与图6的工作流程基本相同。只是将热媒流量超低连锁设定值判定环节替换成“热媒出口温度>连锁设定值”即可。3燃烧水煤浆的控制效果本设计应用结合具体项目进行了有益的