基于PLC模糊控制技術的計量給煤機控制研究

李玉杰

(沈陽工程學院自控系熱自教研室，遼寧 沈陽 110136)

給煤機是火電廠燃燒系統(tǒng)的重要輔助設備，與磨煤機配合實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)中給煤量的連續(xù)均勻調節(jié)和計量。

目前，300 MW及以上機組的鍋爐都采用直吹式制粉系統(tǒng)，鍋爐的給煤量完全由給煤機決定，因此其控制性能的優(yōu)劣非常關鍵。

由于給煤機系統(tǒng)為非線性的時變系統(tǒng)且建模困難，一般的控制方法很難保證系統(tǒng)正常運行，而目前給煤機的給煤量主要通過人為控制，受操作經(jīng)驗等因素影響較大，為此引進模糊控制技術，以PLC為控制器，對給煤機控制進行研究。

模糊控制理論于1965年由美國加利福尼亞大學教授L.A.Zadeh提出［1］，旨在解決現(xiàn)實中一些難以建立 (或無法建立)數(shù)學模型的工程問題。經(jīng)過多年的研究，模糊控制技術得到發(fā)展與完善，提升了控制系統(tǒng)的控制性能。現(xiàn)場設備運行狀況復雜多變，單一的模糊控制規(guī)則很難達到理想的控制要求。根據(jù)不同的設備運行狀況選擇不同的控制規(guī)則，不僅能使設備運行在最佳狀態(tài)，提高運行效率，而且能降低設備故障率，延長設備使用壽命，提高經(jīng)濟效益。

1 給煤機系統(tǒng)的結構和控制原理

電子稱重式給煤機安裝了托輥稱重裝置，當被輸送的煤通過該稱重裝置時產生1個與載荷重量成正比的電壓信號，該信號與滾筒上測速傳感器的速度乘積為給煤率信號，給煤機根據(jù)燃燒系統(tǒng)的要求通過變頻器控制輸送皮帶的速度以調節(jié)給煤率。電子稱重計量給煤機結構見圖1。

圖1 計量給煤機結構

2 給煤機系統(tǒng)控制模型分析

圖2為給煤機的PLC控制模型方框圖。該系統(tǒng)為多閉環(huán)有關聯(lián)控制結構，有2個閉環(huán)，內環(huán)是1個模糊－PID控制器，根據(jù)給定流量Fg控制給煤機，使給煤量Ft控制在理想的給定值Pg附近。外環(huán)根據(jù)當前的稱重計量狀態(tài)Px和DCS要求的給煤量Pg形成給煤率定值Fg。Px用來判斷當前稱重系統(tǒng)的稱重傳感器和速度傳感器是否故障，以確定和修正給煤率定值Fg。

圖2 給煤機的控制模型方框圖

當偏差Ei較大時PLC控制器采用模糊-PID復合控制方式［2］，當偏差較小時采用PID控制方式，可解決系統(tǒng)誤差較大、動態(tài)特性不理想、超調量較大等控制難題。

3 模糊－PID復合控制器設計

圖3為模糊－PID復合控制器結構圖。被控量為Fi，控制量為Ui，－PID和PID兩種控制方式采用并行運行的方法，由Bang-Bang開關進行切換。

圖3 模糊－PID復合控制器結構

a． Bang－Bang轉換開關

Bang－Bang轉換開關為PLC控制器中的軟件開關，決定了采用哪種控制算法。設el表示大小偏差的分界值，其切換規(guī)律如下:

當|Ei|≤el時，Kp=“1”，Kf=“0”，采用 PID控制;

當|Ei|＞el時，Kp=“0”，Kf=“1”，采用－PID模糊控制。

b． PID控制器

PID控制器采用一般的增量式數(shù)字算法，其參數(shù)按常規(guī)整定。

理想的模擬PID控制算式見式 (1):

式中:p為調節(jié)器輸出;e為調節(jié)器偏差輸入信號;Kp為比例系數(shù)，且比例帶P=1/Kp;Ti為積分時間;Ti越大，積分作用越弱，積分時間越長;Td為微分時間。

c． 模糊控制原理及模糊控制器的實現(xiàn)

模糊控制通過模糊邏輯和近似推理的方法，把人的經(jīng)驗形式化、模型化，變成計算機可以接受的控制模型，用PLC代替人進行有效的實時控制，利用PLC模糊控制器實現(xiàn)模糊控制時，必須解決以下問題:輸入量、輸出量的模糊量化;建立模糊控制規(guī)則或模糊控制規(guī)則表;輸出信息的模糊判決。

4 PLC功能的實現(xiàn)

西門子S7－200系列 PLC設計緊湊［3］、具有良好的擴展性、廉價的價格、豐富的功能模塊及強大的指令系統(tǒng)。這些功能使S7－200系列的PLC無論是在獨立運行，還是在相連成網(wǎng)絡的系統(tǒng)中，都能實現(xiàn)復雜的控制功能，從而滿足小規(guī)模的控制要求。

a． PLC選型。采用西門子200系列的PLC作為控制器，PLC選用CPU224(100～230 V電源輸入，14DI/10DO);模擬量輸入模塊選用 EM231(4輸入*12位);模擬量輸出模塊選用EM232(2輸出*12位)。

b． 控制程序框圖［4］見圖4。

圖4 PLC控制程序框圖

c． PLC程序設計。基于PLC模糊控制器的設計過程，考慮到PLC程序循環(huán)掃描方式的特點，為滿足控制的實時性要求，節(jié)省在線實時計算的工作量。具體設計時，根據(jù)模糊語言變量賦值表和模糊推理規(guī)則，建立離線的模糊查詢表，并按一定規(guī)律存放在PLC的保持存儲區(qū)中。實時控制時，PLC只需對采樣得到的精確量進行等級量化，得到相應的模糊化論域元素，再通過查表獲得輸出控制量的量化值，最后將其乘以比例因子即可得到最終的精確控制量。

5 結束語

計量給煤機是火電廠入爐煤計量的依據(jù)，要想達到鍋爐正平衡效率，必須保證給煤機計量與控制的準確性。目前火電機組給煤機計量與控制普遍存在計量不準確、控制不穩(wěn)定的問題，迫切需要研究一種新型的控制裝置及采用先進的控制算法。本文采用模糊控制技術，以PLC為控制器，對給煤機控制進行研究，實踐證明此方法值得推廣應用。

［1］ 顧 林．PLC模糊控制器在給煤機給煤量控制系統(tǒng)中的應用 ［J］．硅谷，2011，10(17):151－152．

［2］ 李士勇．模糊控制和智能控制理論與應用［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1990．

［3］ 季海明．井下煤倉給煤機智能控制系統(tǒng)的研發(fā)與實踐［J］．煤礦機電，2010，31(4):70－72．

［4］ 馬玉順．PLC在給煤機變頻控制系統(tǒng)中的應用［J］．電氣時代，2010，30(7):100－102．