基于PLC的鍋爐控制系統設計

石俊璐

（南京理工大學自動化學院，南京孝陵衛200號 210094）

0 概述

鍋爐供暖系統的自動化控制可以有效地提高煤炭燃燒效率，降低資源消耗、減少大氣污染。給風給煤量比值是影響成本和大氣污染的重要因素，本文針對如何快速、可靠地尋找到最佳比值的問題進行了研究，并在實驗環境條件下進行溫度穩定性和燃燒率的測試。

1 供熱鍋爐監控系統配置分析

供暖系統的控制部分主要包括上位機、下位機，兩者是使用ProfiNet進行通訊的[1]。上位機是給操作者使用的，操作者可以通過由組態軟件對現場進行實時監控與操作，可以實現對供暖系統的給風/給煤量設置、溫度監控與控制、報警檢查、復位等操作[2]；下位機使用的是S7-1200PLC，其作用是接收上位機指令傳遞給供暖系統、采集供暖系統信息傳遞給上位機[3]。S7-1200PLC自身攜帶數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、ProfiNet接口、RS422/485接口等模塊，使用總線方式進行與上位機、驅動系統進行通訊[4]。鍋爐控制系統結構圖如圖1所示：

2 供熱鍋爐系統PLC控制程序設計

供暖系統的PLC程序分為主程序和子程序，主程序可以通過接受調用信號，調用子程序，子程序包括各種具體的控制程序。PLC程序框圖如圖2所示。

圖1 鍋爐控制系統結構圖

圖2 PLC程序組成模塊

主程序（Main）可以調用各個子程序，如圖3所示，OB1主程序中調用了5個子程序，分別是FB1至FB5的FB函數塊，子程序采用LD梯形語言和ST結構化文本語言進行編程。

2.1 手動控制子程序

手動控制主要包括鼓風機、引風機、爐排、循環泵、補水泵的啟停控制和上位機頻率手動輸入，如圖4鼓風機手動控制程序。

2.2 自動控制子程序

自動控制子程序是針對三個方面進行控制的：燃燒效率和溫度控制、鍋爐內壓力控制、循環水控制。

2.2.1 燃燒效率和溫度控制

功能系統的溫度控制是依照需求端的溫度需求，使用優化模糊Smith-PID來控制的，通過PLC控制送煤傳送帶的傳遞，來控制給煤量。再由階段性尋找最優比值法來獲取最佳給風給煤量比值，依照此比值通過控制鼓風機轉速來控制給風量，完成對循環水溫度的控制。

階段性尋找最優比值法可以提高燃燒效率、降低大氣污染、降低煤炭成本，在溫度需求變化較大時，使用恒定比列對給風給煤量進行控制，ST化文本語言編程如圖5。

若溫度需求改變較小，則使用動態步長尋找最佳比值法，使用ST結構化文本語言如圖6所示。

2.2.2 鍋爐內壓力調節

鍋爐內壓力調節是通過上位機輸入壓力值，鍋爐再通過調節排風機轉速調節鍋爐內壓力，保持實際壓力與輸入壓力近似，上位機參數讀取和PID參數設置程序如圖7所示。

2.2.3 循環水系統

由于在水循環的過程中，會出現管道漏水等多種原因，因此需要對循環水量進行補充。循環水量的補充多少使通過檢查出水口處的壓強來確定的。循環水補充控制參數設置程序如圖8所示。

2.2.4 報警子程序

在供暖系統工作時，在人為失誤或者客觀條件導致鍋爐內溫度過高或過低、鍋爐內壓力過大或過大等問題時，需要控制系統對操作人員進行提示或警示，因此需要信號提示、報警提示等功能，使用ST語言編寫的報警程序如圖9所示。

2.3 IFIX組態界面設計

本課題使用的組態軟件是iFIX軟件，該軟件是GE公司的一款組態軟件，是用來和其他工業控制設備進行連接[5]，讀取或寫入工業控制設備的信息，并可以將信息顯示在上位機上，操作員可以直觀地觀察設備的運行情況[6]。

根據該課題供暖系統的工藝，將HMI分成主界面和副界面，主界面包括供暖系統工藝界面和循環水處理流程界面，副界面包括燃燒過程控制界面、參數設置界面、報警界面等[7]。

以供暖系統工藝界面為例進行展示，如圖10，界面里包含鍋爐、給煤設備、管道、鼓風機、排風機等要素，按鈕包括界面切換按鈕、給煤啟停按鈕、鼓風啟停按鈕、排風啟停按鈕等，數據顯示包括煙塵溫度、水溫、風溫、出入口處壓力等，另外還包括各種指示燈以顯示系統當前狀態。

圖3 調用子程序

圖4 鼓風機手動控制程序

圖5 固定風-煤比階段程序

圖6 變步長風-煤比自尋優程序

圖7 爐膛負壓控制參數設置程序

圖8 補水泵控制程序

圖9 報警子程序

圖10 供暖系統工藝界面

圖11 PID算法測試結果

3 供暖系統運行測試

運行測試是課題的最后一步，采用測試方法為誤差分析法以及控制變量對比法。誤差分析法是針對分段自尋優算法的可靠性和穩定性進行研究的方法。控制變量對比法是控制時間、煤質、室溫、環境等變量的相同性，僅改變系統控制策略，對比和分析分段自尋優控制算法和傳統經驗法在煤炭消耗、供暖穩定性等方面的差異。

進行試驗之前，首先要對系統分別進行運行前檢查、通電檢查以及程序檢查。檢查無誤后，分別使用分段自尋優控制算法和傳統經驗法對給風量和給煤量進行控制。

3.1 PID算法對比測試

修改PLC程序中的PID控制器、參數及程序，分別修改為PID控制器、PID控制器及Smith預估器，再與之前的優化模糊Smith-PID算法PLC程序分別進行對比測試。

測試方法是：手動對鍋爐進行溫度給定，測試在固定風煤比的條件下，三種算法的相應速度和超調量大小。測試分為3天，在每天的8點之前將水溫控制在30℃左右，在8：00時，手動將目標水溫設置為90℃，對比三種策略將水溫調整到90攝氏度的時間以及超調量大小，經過測試可得如圖11所示結果：

圖12 鍋爐出水溫度曲線

由對比測試可知，普通PID算法的響應時間最長，響應速度最慢，超調量也最大；Smith-PID算法響應速度較快，但超調量也較大；優化模糊Smith-PID算法響應速度較快，且超調量最小。綜上，測試結果與證明仿真結果正確，選擇優化模糊Smith-PID算法對供暖系統進行控制。

3.2 風煤比尋優算法對比測試

風煤比尋優算法對比測試中，分別使用傳統固定風煤比法、變步長自尋優控制法和分段自尋優控制法分別進行溫度穩定性比較試驗和燃燒效率比較試驗。

3.2.1 溫度穩定性比較試驗

首先，使用傳統固定風煤比對溫度進行控制，并使用監控系統測量并觀測爐膛溫度與出水溫度，得到溫度-時間曲線如圖12(A)所示（綠色曲線代表鍋爐溫度變化，紅色曲線代表水溫變化）。然后，在相同時間段，使用變步長尋優算法、分段自尋優算法對給風給煤量配比進行控制。

開始時，使用手動控制對參數進行調整與設定。先使用小參數對系統進行初步測試，然后逐漸使用較大參數進行測試，最后手動輸入工作參數進行測試。待系統穩定后，使用自動控制方式，分別得到的溫度-時間曲線圖如圖12(B)、12(C)所示。

由圖12的(A)、(B)和(C)對比，可知：

在45分鐘之內，室外溫度、需求溫度變化較小，經過調查，取水溫55℃為最佳，取爐溫400℃為基準溫度。以1分鐘為單位時間，取45個時間點的溫度，分別與基準溫度進行做差，則可得三種方法的平均誤差，如表1所示。

由上表可知，變步長自尋優和分段自尋優控制法誤差接近，且遠好于傳統固定風煤比法。

表1 三種方法的平均誤差

表2 煤炭消耗量對比

3.2.2 燃燒效率比較試驗

燃燒效率的比較試驗是將時間以小時為單位，對比一段時間內每小時兩種策略中煤炭消耗量的大小。試驗鍋爐為4噸型小型鍋爐，得到結果如表2所示。

固定風煤比法煤炭消耗量最高；變步長自尋優控制法可以有效地降低煤炭消耗量，從而提高燃燒效率；分段自尋優控制法的煤炭消耗量最低，燃燒效率最高。

4 結束語

綜上所述，優化模糊Smith-PID算法在保證較高響應速度的同時，有效地降低了超調量，比其他PID算法更優；分段自尋優控制法可以有效地提高控制穩定性和燃燒效率，提高用戶體驗并節省成本。