潘 昊

（1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013）

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和生活廣泛使用的一種熱力設(shè)備，主要用于加熱、供暖和產(chǎn)生蒸汽。作為熱力、發(fā)電裝置的重要組成部分，它的穩(wěn)定運行對電力、工業(yè)系統(tǒng)的正常運行具有重要意義。鍋爐的燃燒效率和安全性直接關(guān)系能源利用效率和工業(yè)生產(chǎn)效益[1]。在鍋爐運行過程中，負(fù)荷變化會對其燃燒效率和污染物排放產(chǎn)生重要影響[2]。如何對鍋爐的負(fù)荷進行調(diào)節(jié)，是鍋爐運行控制的關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)的鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)一般采用人工調(diào)節(jié)方式[3]，即通過手動配合局部比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）等方式來調(diào)節(jié)鍋爐的燃料量、配風(fēng)量[4]。這種方式不僅效率低下，而且容易出現(xiàn)人為誤操作導(dǎo)致的安全事故[5]。同時，由于鍋爐燃燒屬于非線性、大延遲、強耦合模型[6-7]，傳統(tǒng)的PID算法逐漸不能適應(yīng)復(fù)雜多變的運行環(huán)境[8]。為了解決這些問題，基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）設(shè)計了一種工業(yè)鍋爐自動負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由PLC控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、人機交互界面等組成。系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即采集層、控制層和人機交互層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集層主要由傳感器組成，用于采集鍋爐運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測鍋爐狀態(tài)，主要參數(shù)包括爐膛溫度、爐膛壓力、燃料供給量、二次風(fēng)流量、氧含量以及汽包液位等參數(shù)。

控制層主要由PLC和執(zhí)行器組成。PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制算法確定燃燒器的燃燒量和配風(fēng)量，輸出相應(yīng)的控制信號控制執(zhí)行器的運動。執(zhí)行器包括供料器、風(fēng)機變頻器及風(fēng)量調(diào)節(jié)閥等，以實現(xiàn)對鍋爐負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

人機交互層主要由工控機及操作組態(tài)界面軟件組成，用于顯示鍋爐的運行狀態(tài)和人機交互操作。操作界面顯示鍋爐運行參數(shù)、連鎖報警參數(shù)、鍋爐當(dāng)前負(fù)荷及鍋爐目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定接口，方便操作人員對鍋爐運行狀態(tài)進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。操作界面設(shè)置自動/手動切換開關(guān)，在出現(xiàn)異常狀況時可切換為手動模式，保留操作人員的最高操作權(quán)限。

1.2 控制策略

系統(tǒng)采用分級自適應(yīng)匹配算法進行鍋爐的自動負(fù)荷調(diào)節(jié)，基本思想是采用PLC程序模擬人工手動負(fù)荷調(diào)節(jié)過程。通過分析鍋爐歷史運行數(shù)據(jù)，根據(jù)以往人工調(diào)節(jié)時各負(fù)荷狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)運行點數(shù)據(jù)，建立鍋爐燃料量—配風(fēng)量—負(fù)荷的匹配關(guān)系表，將鍋爐運行從最低負(fù)荷—最高負(fù)荷均勻分為多個檔位，將負(fù)荷、燃料量、配風(fēng)量進行映射形成各自的檔位表，確定各檔位相應(yīng)的負(fù)荷、供料量和配風(fēng)量區(qū)間，進而逐檔位進行步進調(diào)節(jié)，降低純PID控制的大延遲和超調(diào)振蕩等缺陷，具體控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程

鍋爐啟動后，在每個控制循環(huán)的開始先判斷運行狀態(tài)是否穩(wěn)定。若相關(guān)安全參數(shù)超限，則退出循環(huán)并連鎖停機。通過當(dāng)前供料量查詢?nèi)剂狭繖n位表獲取當(dāng)前檔位值，由人機界面設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷查詢負(fù)荷檔位表獲取目標(biāo)檔位值。若目標(biāo)檔位大于當(dāng)前檔位，則相應(yīng)的增加供料器供料量，每個控制循環(huán)內(nèi)增加一檔，同時根據(jù)風(fēng)量檔位表調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率和風(fēng)閥開度，此時鍋爐燃燒負(fù)荷提升一檔。為保證安全性，待延遲一段安全時間燃燒狀態(tài)穩(wěn)定后進行下一周期操作，如此循環(huán)直至當(dāng)前檔位等于目標(biāo)檔位，則進入穩(wěn)態(tài)運行階段。此時，若鍋爐燃燒存在一定波動，則通過氧含量PID和爐膛負(fù)壓PID來微調(diào)風(fēng)機頻率和風(fēng)閥開度，確保鍋爐穩(wěn)定運行（目標(biāo)檔位小于當(dāng)前檔位時，相應(yīng)減檔操作同上）。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，PLC具有高可靠性、強抗干擾能力和靈活的編程功能[9]?？刂葡到y(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC作為主控制器，并組態(tài)以太網(wǎng)通信模塊以及Profibus-DP總線模塊，用以與人機交互上位機、變頻器等通信[10]，同時配備工業(yè)交換機。系統(tǒng)主要硬件配置表如表1所示。

表1 PLC系統(tǒng)硬件配置表

為保證系統(tǒng)參數(shù)測量和執(zhí)行的穩(wěn)定性，采用較高精度的傳感器。主要測控設(shè)備選型如表2所示。

表2 系統(tǒng)測控設(shè)備配置表

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境中進行測試，測試對象為一臺20 t·h-1燃?xì)庑驼羝仩t。通過設(shè)定目標(biāo)負(fù)荷，分別測試鍋爐從啟爐負(fù)荷升至100%負(fù)荷、100%負(fù)荷降至停爐負(fù)荷以及各中間負(fù)荷間的增減，記錄鍋爐各項參數(shù)的變化。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測鍋爐運行狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷當(dāng)前負(fù)荷級別，并自動調(diào)節(jié)燃燒器燃燒量和配風(fēng)量，能夠穩(wěn)定維持鍋爐負(fù)荷處于目標(biāo)范圍內(nèi)，如圖3所示。同時，人機交互界面顯示清晰，操作簡單方便，易于實際應(yīng)用。

圖3 測試界面

4 結(jié)語

文章設(shè)計了一種基于PLC的鍋爐自動負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過采用分級自適應(yīng)匹配算法，實現(xiàn)了對鍋爐負(fù)荷的自動調(diào)節(jié)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化，具有穩(wěn)定性好、魯棒性強等優(yōu)點，可以為鍋爐的自動化控制提供一種有效的解決方案。