李媛

【摘 要】為了處理燃煤電廠在發(fā)電過程中產(chǎn)生的大量粉煤灰的問題，研究了一種基于集散控制系統(tǒng)的氣力除灰自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，該方法基于工業(yè)以太網(wǎng)與PROFIBUS-DP控制網(wǎng)絡(luò)，采用了結(jié)構(gòu)化編程的思想設(shè)計控制系統(tǒng)的PLC程序，根據(jù)實際情況，利用WinCC人機(jī)界面軟件進(jìn)行了直觀的組態(tài)畫面，設(shè)計運(yùn)用PID算法實現(xiàn)對灰塵比的自動控制，并運(yùn)用了變頻調(diào)速技術(shù)，不僅大大提高了系統(tǒng)的控制性能，也減小了系統(tǒng)的電能損耗，并且對PID控制算法、模糊PID控制算法進(jìn)行了仿真，觀察了算法控制效果。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電廠；氣力除灰；西門子PLC300

【Abstract】In order to cope with the great amount of fly ash generated in the power generation process at a coal-fired power plant， this paper studies a design approach for the automatic control system of pneumatic ash removal based on distributed control system. Based on industrial Ethernet and PROFIBUS-DP control network， this approach applies the philosophy of structured programming to the design of control system PLC program. In light of the actual situation， WinCC man-machine interface software was used to implement intuitive configuration images， the PID algorithm was employed to achieve automatic control of the dust ratio， and variable frequency speed control technology was utilized； all this not only improved the control performance of the system but also minimized the system power loss. Simulation of PID control algorithm and fuzzy PID control algorithm was performed and the effect of the algorithms was observed.

【Key words】Power Plant； Fly ash pneumatic removing； Siemens PLC300

0 引言

縱觀我國電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠起著非常大的作用，它的發(fā)電量達(dá)到我國總發(fā)電量的80%以上，雖然它為我們提供了充足的電力，但同時卻使環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染。為了及時將燃煤電廠在發(fā)電過程中會產(chǎn)生的大量粉煤灰清除運(yùn)走，同時將其回收利用，需要設(shè)計一種集散控制系統(tǒng)（DCS），來分擔(dān)氣力除灰系統(tǒng)風(fēng)險，保證除灰過程的安全，穩(wěn)定，連續(xù)[1]。本設(shè)計選擇集散控制系統(tǒng)[2]，設(shè)計三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：計算機(jī)監(jiān)控層，執(zhí)行控制層，現(xiàn)場控制層。監(jiān)控層與執(zhí)行層通過以太網(wǎng)通信，執(zhí)行層與現(xiàn)場層通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊。選定監(jiān)控層的軟件組態(tài)王，進(jìn)行實時監(jiān)控。使用西門子S7-300作為執(zhí)行層的核心控制器[3]?，F(xiàn)大多數(shù)電廠采用此系統(tǒng)，但灰塵比無法控制，本課題著重分析PID與模糊PID的控制效果。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

采用集散控制控制系統(tǒng)（DCS），設(shè)計三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：計算機(jī)監(jiān)控層，執(zhí)行控制層，現(xiàn)場控制層。監(jiān)控層與執(zhí)行層通過以太網(wǎng)通信，執(zhí)行層與現(xiàn)場層通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊。系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DCS），分擔(dān)氣力除灰系統(tǒng)的風(fēng)險，保證除灰過程的穩(wěn)定，安全，連續(xù)。某廠有兩套鍋爐設(shè)備，每套鍋爐使用三套電除灰裝置，對應(yīng)三套灰斗。將兩鍋爐分為兩組，每組三層的控制結(jié)構(gòu)，計算機(jī)監(jiān)控層，執(zhí)行控制層，現(xiàn)場控制層。執(zhí)行控制層使用西門子S7-300作為控制核心，完成數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控層，并執(zhí)行監(jiān)控層下傳的控制指令，監(jiān)控層采用組態(tài)王顯示數(shù)據(jù)，錄入指令，對數(shù)據(jù)處理并具有報警的功能。任意一組監(jiān)控層均可控制兩組的執(zhí)行控制層，但兩組監(jiān)控層有優(yōu)先級，兩組監(jiān)控層均正常工作時，每組的監(jiān)控層只可控制自己組的執(zhí)行控制層，只有某一組出現(xiàn)故障時，另一組監(jiān)控層才可以控制兩組執(zhí)行控制層，以此保證系統(tǒng)在故障時的連續(xù)運(yùn)作。通過對PID與模糊PID的算法分析，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)速度，使除灰系統(tǒng)除灰量保持穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)的功能要自動完成整個除灰流程，并將實時數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)[4]；在設(shè)備調(diào)試和檢修時，應(yīng)該能夠進(jìn)行就地控制[4]；如發(fā)生故障，應(yīng)該能夠緊急停止系統(tǒng)運(yùn)行，因此，現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計為自動控制和手動控制兩種方式。[4]

2 PLC程序設(shè)計

2.1 PID算法程序設(shè)計

在本控制系統(tǒng)中，控制的對象是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是整個系統(tǒng)的控制核心，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定與否直接決定了整個系統(tǒng)控制質(zhì)量的好壞。在PID控制算法的選擇中，考慮到壓力的調(diào)節(jié)通道時間常數(shù)T0小且變化快，如果加入微分作用將會使系統(tǒng)變的振蕩，反而不能達(dá)到較好的控制效果，所以在本系統(tǒng)中對壓力的控制采用了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速PI閉環(huán)控制，在模擬調(diào)試的過程中能夠取得較好的控制效果[5]。

在STEP7 中，使用OB35組織塊能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬量信號的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的PI運(yùn)算處理以及將結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量輸出等，在OB35組織塊中調(diào)用FB41 連續(xù)控制PID功能模塊實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的PI閉環(huán)控制。

2.2 組態(tài)設(shè)計

因本控制系統(tǒng)采用DCS集散控制方式，所以組態(tài)設(shè)計的主要部分分為服務(wù)器和客戶端，而服務(wù)器的實現(xiàn)又是由組態(tài)本控制系統(tǒng)的變量、實現(xiàn)主控制器PLC與WinCC的通訊、控制系統(tǒng)主畫面的設(shè)計、管網(wǎng)壓力值的實時趨勢曲線畫面設(shè)計和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速值的實時趨勢曲線畫面設(shè)計以及管網(wǎng)壓力超過上限或低于下限等故障信號的報警記錄畫面設(shè)計。

2.2.1 服務(wù)器的組態(tài)設(shè)計

（1）組態(tài)變量和通訊

首先創(chuàng)建一個多用戶項目，并在變量管理中添加“SIMATIC S7 Protocol Suit”驅(qū)動程序，由于本控制系統(tǒng)PC機(jī)與PLC之間用Industrial Ethernet相連，所以在Industrial Ethernet通道下新建一個控制器1PLC的連接，并設(shè)置好參數(shù)。在新建的PLC連接下，根據(jù)STEP7中的符號表和數(shù)據(jù)塊來建立新的外部變量，并設(shè)置好變量的地址。在Industrial Ethernet下建立與PLC連通的變量，建立變量名字，類型，及在PLC中所對應(yīng)的地址。類似于速度變量的建立，分別建立各個與PLC對應(yīng)的變量，并且為其分配在PLC中的地址。

（2）主畫面的設(shè)計

在WinCC中打開畫面編輯器，創(chuàng)建除灰系統(tǒng)的控制過程主畫面。在主畫面中調(diào)用元件庫中所需的元件組建主畫面，并在主畫面中加入上位機(jī)、PLC、變頻器以及之間連接的網(wǎng)絡(luò)總線，使用戶能夠清楚地看出整個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造[6]。在對主畫面的設(shè)計的過程中，還充分的考慮了組態(tài)畫面的直觀性，使用戶在畫面上就能直觀的看出變頻器、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，各個閥門的開閉情況也能在畫面中直觀地顯示出來，如果風(fēng)機(jī)或者閥門發(fā)生故障，在畫面中能實時的顯示其報警信息。

（3）數(shù)據(jù)及控制畫面的設(shè)計

在數(shù)據(jù)及控制畫面中，顯示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與管網(wǎng)壓力的實時曲線，以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與管網(wǎng)壓力的瞬時值，并進(jìn)行控制，控制部分由點動控制部分的各個閥門的控制，自動控制部分的啟停與緊急停止控制，還由系統(tǒng)故障，或需要調(diào)試程序時啟動的備用自動控制部分構(gòu)成。

（4）報警記錄畫面設(shè)計

本控制系統(tǒng)中，控制的對象是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和管網(wǎng)的壓力，如果壓力值超出系統(tǒng)要求上限（16MPa），則應(yīng)該對管網(wǎng)壓力值進(jìn)行報警；如果風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高也應(yīng)該進(jìn)行報警，并且應(yīng)有相應(yīng)的報警記錄，WinCC為用戶提供了“WinCC AlarmControl”控件，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的報警記錄顯示。

在設(shè)計報警記錄畫面之前應(yīng)該先在計算機(jī)屬性的啟動標(biāo)簽內(nèi)選擇“報警記錄運(yùn)行系統(tǒng)”，這樣WinCC運(yùn)行時便能夠啟動報警記錄。打開WinCC項目管理器中“報警記錄”選項，做如下的設(shè)置：

①轉(zhuǎn)速值的模擬量報警

在報警記錄編輯器上的菜單“工具”中打開“附加項”，選擇“模擬量報警”，此時在“模擬量報警”選項卡中新建一個“轉(zhuǎn)速值的模擬量”，并設(shè)置好上限（2200）以及對應(yīng)的消息號1。模擬量設(shè)置完成后，對轉(zhuǎn)速的上限值進(jìn)行設(shè)定。

②管網(wǎng)壓力的模擬量報警

壓力的模擬量報警與轉(zhuǎn)速的模擬量報警值設(shè)置方式相同，建立壓力的模擬量報警。

全部變量鏈接完成后，在報警記錄窗口的下方出現(xiàn)1～2共2個類別為錯誤、類型為報警的消息，并為每個消息設(shè)置相應(yīng)的消息文本。在設(shè)置好消息號后，打開WinCC報警記錄畫面，添加“WinCC AlarmControl”控件，設(shè)置標(biāo)題為“風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與管網(wǎng)壓力報警”。

（5）程序設(shè)計

通過工藝流程設(shè)計系統(tǒng)程序，本系統(tǒng)程序可分為三部分，第一部分：點動程序的設(shè)計；第二部分：自動控制程序的設(shè)計；第三部分：備用自動程序的設(shè)計。

①第一部分：點動程序的設(shè)計

點動程序的設(shè)計包括各個閥門的點動程序的設(shè)計，如三個進(jìn)料閥的電動控制，進(jìn)氣閥的點動控制，出料閥的點動控制，灰?guī)爝M(jìn)料閥的點動控制，以及風(fēng)機(jī)的點動控制。打開全局腳本，在項目函數(shù)中編寫所需的點動控制函數(shù)，在動作中編寫點動控制的總程序。完成程序的設(shè)計后，在動作中設(shè)計觸發(fā)器的設(shè)計，通過按鈕的來觸發(fā)點動程序的運(yùn)行。

②第二部分：自動程序的設(shè)計

根據(jù)工藝流程設(shè)計自動運(yùn)行程序，自動運(yùn)行程序共分為卸料階段，流化階段，輸送階段，吹掃階段，共四個階段[7]。在動作中設(shè)計觸發(fā)器的設(shè)計，通過按鈕的來觸發(fā)點動程序的運(yùn)行。

③第三部分：備用自動程序的設(shè)計

因備用自動程序是WinCC調(diào)試程序時，程序從PLC中讀取，所以備用自動程序在PLC中設(shè)計，在WinCC組態(tài)界面中只需對按鈕進(jìn)行定義，啟動就可。

3 控制系統(tǒng)的通訊設(shè)計

3.1 基于 TCP/IP 協(xié)議的通信

S7-300CPU315-2Dp 支持工業(yè)以太網(wǎng)通信，其通過以太網(wǎng)通信處理器（CP343-1）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接[8]。CP343-1 支持 TCP/IP 協(xié)議，帶有 RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口，可將 S7-300 系統(tǒng)連接到工業(yè)以太網(wǎng)（IE）中[8]。這里主要研究上位監(jiān)控機(jī)與除灰站（1#PLC）間的遠(yuǎn)程通信[8]。

（1）設(shè)置上位機(jī)通信參數(shù)

在上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接 internet TCP/IP 協(xié)議屬性中設(shè)置 CP1613 工業(yè)以太網(wǎng)卡的IP 地址 192.168.0.1 和子網(wǎng)掩碼 255.255.255.0。設(shè)置好 IP 地址和子網(wǎng)掩碼后，則開始對 PLC 的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器進(jìn)行初始化[8]。

（2）設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器

工業(yè)以太網(wǎng)基于 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，其通信協(xié)議基于 ISO 與 TCP/IP，傳輸速率可達(dá)到 100Mbit/s[8]。通過以太網(wǎng)向?qū)渲?CP243-1 通信處理模塊，將 S7-300連接至工業(yè)以太網(wǎng)上[9]。服務(wù)器端組態(tài)配置的流程為：進(jìn)入以太網(wǎng)配置向?qū)?、指定模塊位置、指定模塊地址、指定命令字節(jié)和連接數(shù)、配置連接、配置 CRC 保護(hù)和保持活動間隔、為配置分配存儲區(qū)、生成項目組件及完成配置[8]。

3.2 PLC與變頻器的PROFIBUS-DP通訊

本控制系統(tǒng)采用MM420變頻器，利用CBP通訊板與主站PLC進(jìn)行通訊，并通過報文的形式與主站PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在設(shè)計中，變頻器的PPO類型選用PPO1，即包含2個PZD字。主站PLC和變頻器之間的數(shù)據(jù)交換需要在STEP7軟件中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，并通過調(diào)用SFC14（讀數(shù)據(jù)）和SFC15（寫數(shù)據(jù)）來實現(xiàn)變頻器與PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

4 控制算法的仿真

4.1 系統(tǒng)PID仿真

模擬除灰系統(tǒng)算法仿真，在MATLAB中建立simulink仿真文件，在SimPowerSystems中選擇Machines中Asynchronous Machines SI Unite三相電機(jī)，選擇機(jī)械輸入接口形式為轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子類型為鼠籠型，在Parameters中設(shè)置電機(jī)參數(shù)，額定功率2.2kw，額定線電壓380V，額定頻率50Hz，定子電阻為3.478Ω，定子漏感為0.01254H，轉(zhuǎn)子電阻為2.546Ω，轉(zhuǎn)子漏感為0.01226H，勵磁電感為0.3329H，轉(zhuǎn)動慣量為0.0131，極對數(shù)為2。用PWM脈沖觸發(fā)和逆變電路代替實際運(yùn)行中的變頻器，逆變電路中用IGBT和二極管搭建。PWM觸發(fā)電路采用三角波比較方式產(chǎn)生觸發(fā)信號，核心控制算法采用simulink中的PID控制模塊，總仿真圖如圖1所示。

仿真結(jié)果如圖2所示。

4.2 模糊PID仿真

1）模糊集合的編輯和運(yùn)算： 在M A T L A B 命令窗口鍵入f u z z y 回車進(jìn)入模糊邏輯編輯器[10]，然后在 FILE 菜單下選擇NewFIS → Mamdani 建立Mamdani型模糊控制器。在 EDIT 下添加輸入和輸出量，分別為偏差E和偏差變化率DE以及控制增量Kp，Ki[10]。在輸入和輸出圖標(biāo)上雙擊，可以對輸入和輸出的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯，如論域范圍、隸屬函數(shù)形狀、模糊子集個數(shù)等[11]。E、DE、Kp、Ki的論域分別為：{-10，10}、{-10，10}、{0，0.1}、{0，1}，

2）模糊規(guī)則編輯： 在邏輯編輯器的菜單view中選editrule進(jìn)入規(guī)則編輯器，編輯模糊控制規(guī)則[10]。本系統(tǒng)模糊控制規(guī)則采取“IF e is A and de is B THEN u is C ”的形式，

3）模糊推理： 由于選用了Mamdani型模糊控制器，模糊推理采用Mamdani 推理，解模糊采用缺省值[12]： 重心法 。

4）生成模糊關(guān)系矩陣： 做好上述工作后，生成一個后綴為f i s的文件[13]。然后使用函數(shù)readfis（ ）形成模糊關(guān)系矩陣[10]。

5）仿真模型如圖3所示

6）仿真結(jié)果如圖4 所示。

5 結(jié)論

近幾年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)成為了目前工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展熱點，并廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中，為全世界幾乎所有的自動化過程控制企業(yè)提供了[14]開放式、數(shù)字化、多點、多站、高靈活度、高可靠性的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)[15]。本文所設(shè)計的基于控制網(wǎng)絡(luò)的煤氣加壓變頻調(diào)速系統(tǒng)就是基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和變頻調(diào)速技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化自動控制系統(tǒng)[16]。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]