基于PLC的選擇性催化還原脫硝系統PID控制

姜家國，郭曼利，盧 干

（1.滁州職業技術學院 電氣工程學院，安徽 滁州 239000；2.國網蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物之一，它不僅對動植物的生長產生影響，甚至影響人體健康。氮氧化物的重要來源之一是由火力發電廠燃煤所產生的，因此減少火力發電廠氮氧化物的排放量成為改善環境質量，提高人類居住環境水平的重要部分。

目前，火電發電廠減少氮氧化物排放主要是通過脫硝控制技術，其中選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術是國內外應用的主流技術[1]。吳曄等[2]研究了火電廠SCR脫硝系統的噴氨優化策略，通過優化調整流場，使噴氨量顯著減少；陳皓煒等[3]提出了一種ITD3-PI復合串級控制算法并且將其應用在SCR脫硝系統中，該方法控制效果良好；王天田等[4]研究了選擇性催化還原系統的還原劑供給量的自適應控制，實現了系統的還原劑供給量總是處于最佳狀態。上述方法主要是對脫硝系統的控制方法和策略進行相應的研究，取得了一定的成果。另外，陳軍等[5]提出在PLC中實現單神經元PID，從而實現對加熱器的控制，該方法性能良好；朱鵬程等[6]提出基于PLC的PID自整定算法，實現對高精度調平系統的設計；周曉娟等[7]針對爐窖溫度控制系統，設計了基于PLC的PID算法，實現了恒溫控制。這些方法通過在PLC控制器中設計PID算法，從而實現了對相應被控對象的控制。

基于此，本文對選擇性催化還原脫硝系統進行研究，設計控制算法，并將控制算法在S7-1200 PLC控制器中實現，以此來實現對選擇性催化還原脫硝系統的控制。實驗結果表明，該方法的有效性。

1 選擇性催化還原脫硝控制系統

選擇性催化還原脫硝控制系統主要是通過對噴氨量的控制，實現對氮氧化物排放量的控制。當前，針對噴氨量的控制主要有固定氨氮摩爾比和固定脫硝控制系統出口煙氣氮氧化物含量兩種方式[8]，固定氨氮摩爾比是指固定SCR反應器入口煙氣中氨與氮氧化物摩爾濃度的比值，固定出口煙氣氮氧化物含量是使出口氮氧化物濃度保持在一個設定值。其中，固定脫硝控制系統出口煙氣氮氧化物含量是一種有效的控制噴氨量控制方式。某火力發電廠的選擇性催化還原脫硝控制系統便是采用固定出口煙氣氮氧化物含量方式，系統采用串級PID控制器進行控制，脫硝系統的整體設計如圖1[8]。

圖1 SCR脫硝串級PID控制系統Fig.1 SCR Denitration cascade PID control system

其中，GN(s)為氨氣（NH3）流量傳遞函數；GSCR(s)為出口氮氧化物含量傳遞函數；PID1為主回路控制器；PID2為副回路控制器；d為擾動量；r為出口氮氧化物含量設定值；y為出口氮氧化物含量測量值。

在上述脫硝系統中，當出口煙氣氮氧化物含量y與系統設定值r有偏差時，主回路PID1控制器根據偏差值調整噴氨流量值；當噴氨流量值與噴氨量有偏差時，副回路PID2控制器根據偏差值調整噴氨量，從而使出口煙氣氮氧化物含量與設定值相等。

某電廠機組在60%和80%負荷下的氨氣流量傳遞函數和出口氮氧化物含量傳遞函數見表1[9]。

表1 不同負荷下SCR脫硝系統傳遞函數Table 1 Transfer function of SCR denitration system under different loads

2 基于PLC控制器的實現

本文設計的選擇性催化還原脫硝控制系統的控制器使用西門子PLC，型號選用S7-1200系列的CPU 1215C。它是一款緊湊型、模塊化的PLC，可實現高度精確的自動化任務。選擇性催化還原脫硝控制系統中的主、副回路控制算法都在該型號PLC中實現。

S7-1200中內置了PID控制指令“PID_Compact”，該指令用于通過連續輸入變量和輸出變量控制工藝過程。它是一種具有抗積分飽和功能并且能夠對比例作用和微分作用進行加權的PID控制器。

PID控制器的輸出值由3個分量組成：P為比例分量，它是計算的輸出值與設定值和過程值（輸入值）之差成比例；I為積分分量，它是計算的輸出值與設定值和過程值（輸入值）之差的持續時間成比例增加，以最終校正該差值；D為微分分量，它是計算的輸出值與設定值和過程值（輸入值）之差的變化率成函數關系，并隨該差值的變化加快而增大，從而根據設定值盡快矯正輸出值。

具體的PID控制器算法可以根據式（1）進行輸出值的計算。

式（1）中：y為PID算法輸出值；KP為比例增益；s為拉普拉斯運算符；b為比例作用權重；w為設定值；x為過程值；TI為積分作用時間；TD為微分作用時間；?為微分延遲系數；c為微分作用權重。

本文研究選擇性催化還原脫硝控制系統中主、副回路的PID控制算法均需要調用“PID_Compact”指令，使用時，首先在程序中添加“循環中斷”（Cyclic interrupt）組織塊，然后在“循環中斷”組織塊中調用“PID_Compact”指令，并對相應的變量進行賦值。PID指令插入用戶程序時，STEP 7會自動為指令創建工藝對象和背景數據塊。背景數據塊包含PID指令要使用的所有參數，每個PID指令必須具有自身的唯一背景數據塊才能正確工作。需要注意的是，PLC中PID指令不能放在主程序循環OB塊中執行。

在指令中：“Setpoint”是PID控制器在自動模式下的設定值；“Input”是用戶程序的變量用作過程值的源；“Input_PER”是模擬量輸入用作過程值的源；“Mode”是期望的PID模式，在“Mode Activate”輸入的上升沿激活；“Output”是REAL格式的輸出值；“Output_PER”是模擬量輸出值；“Output_PWM”是脈沖寬度調制的輸出值，開關時間構成輸出值；“State”是PID控制器的當前操作模式[10]。

3 實驗結果與分析

通過對SCR脫硝串級PID控制系統進行整定，確定主回路的PID控制器參數KP=0.06，TI=25，TD=17，?=0.0006，b=1，c=1；副回路的PID控制器參數KP=10，TI=10，TD=20，?=0.0005，b=1，c=1。在此參數下，結合表1氨氣流量傳遞函數和出口氮氧化物含量傳遞函數，分別進行變工況、加入擾動和調整設定值實驗，相關實驗過程和結果如下：

1）變工況的實驗

初始時，機組為80%負荷，t=2500s時，機組調整為60%負荷。實驗過程中，出口氮氧化物含量設定值一直為50mg/m3，實驗結果如圖2。

圖2 SCR脫硝串級PID控制系統變工況響應曲線Fig.2 Response curve of SCR denitration cascade PID control system under different working conditions

由實驗結果可以看出：初始時，機組負荷為80%，系統能夠很快穩定，出口氮氧化物含量能夠穩定在50 ；在t=2500s時，機組負荷變為60%，系統經過調整之后可以穩定下來，且出口氮氧化物含量能夠穩定在50mg/m3。由此可以看出，系統模型發生改變時，仍能實現控制，系統模型適應能力較強。

2）加入擾動信號的實驗

初始時，系統的出口氮氧化物含量設定值為50 ，經過一段時間系統穩定下來，在穩定之后某刻（t=2500s）加入擾動信號，實驗結果如圖3。

圖3 SCR脫硝串級PID控制系統加入擾動響應曲線Fig.3 Addition disturbance response curve of SCR denitration cascade PID control system

由實驗結果可以看出：初始時，系統在經過一段時間的調節之后，很快能夠恢復到穩定狀態，系統出口氮氧化物含量能夠穩定在50mg/m3。當出現擾動之后，系統經過一定時間的調整之后，也能很快恢復到穩定狀態，并且系統出口氮氧化物含量能夠穩定在50mg/m3。由此可以看出，系統在出現擾動后，仍能恢復穩定，系統具有較強的抗干擾能力。

3）調整出口氮氧化物含量設定值的實驗

初始時，系統出口氮氧化物含量設定值設置為50mg/m3，經過一段時間系統穩定下來，在穩定之后某刻（t=2500s）系統出口氮氧化物含量設定值由50mg/m3調整為40mg/m3，實驗結果如圖4。

由實驗結果可以看出：系統在出口 濃度設定值發生變化時，系統經過一段時間的調整之后，能夠很快穩定在調整后新的設定值，系統性能良好。

4 結語

本文提出了基于PLC的選擇性催化還原脫硝系統PID控制。在S7-1200中調用PID控制指令，設計系統控制器，實現控制器方式簡單、便捷。實驗結果表明，設計的控制器控制效果良好。

圖4 SCR脫硝串級PID控制系統設定值變化響應曲線Fig.4 Response curve of set value change of SCR denitration cascade PID control system