基于PLC的鍋爐加藥自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

目前，我國對大型鍋爐的給水與蒸汽質(zhì)量指標要求十分嚴格，因而需要對爐水品質(zhì)連續(xù)監(jiān)控。測量pH值大多采用傳統(tǒng)的PID控制算法．但在反應過程中，因其中和點附近的高增益使得難以調(diào)整傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)。因此只能采用很小的比例增益，否則系統(tǒng)不穩(wěn)定，而比例增益過小，又將使系統(tǒng)的動態(tài)特性變壞。對于鍋爐給水加藥測控裝置，已經(jīng)實現(xiàn)了加藥系統(tǒng)的自動化，但無自動配藥設(shè)備，仍需根據(jù)汽水實驗室的化驗結(jié)果人工配藥，這樣不僅工作強度大，而且所加的氨、聯(lián)胺均屬有劇毒易揮發(fā)物質(zhì)，會給操作者造成嚴重危害，并導致環(huán)境污染。為此，提出變增益三區(qū)段非線性PID和積分模糊控制(IFC)算法的兩種新型pH值控制法。通過對帶有時滯的pH值中和過程進行數(shù)字仿真，結(jié)果表明，這兩種控制算法均具有魯棒性強，響應速度快和控制精度高的特點，尤其是IFC算法能克服pH值中和過程中的較大時滯。通過在某電廠的實際應用，已實現(xiàn)了鍋爐給水配藥、加藥系統(tǒng)的全自動控制。

2 pH值控制方法的研究

2．1 常規(guī)PID控制

PID控制是按偏差的比例(P—Proportional)、積分(I—Integral)和微分(D—Derivative)線性組合的控制方式。圖1為常規(guī)的PID控制系統(tǒng)。其中，r為參考輸入信號；PID為控制器；P為被控對象模型；d為干擾量；e(k)為系統(tǒng)誤差；u(k)為控制量；pH(k)為被控過程輸出量。由圖可見，常規(guī)PID控制中的比例作用實際上是一種線性放大或縮小作用，很難適應酸堿中和過程中被控對象非線性的特點。

2．2 變增益三區(qū)段非線性PID控制

將pH值變化按拐點分為：一個高增益區(qū)和兩個增益系數(shù)不同的低增益區(qū)。高增益區(qū)控制器采用較低增益；低增益區(qū)控制器采用不同的高增益，以滿足系統(tǒng)期望的性能指標。此外為防止積分飽和，采用帶死區(qū)和輸出限幅的PID控制算法。

2. 3 模糊控制

模糊控制算法概括為：根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算出輸入變量；將輸入變量的精確量變?yōu)槟：?；根?jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量(模糊量)；由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。

3 電廠鍋爐給水加藥控制系統(tǒng)

某發(fā)電廠共有4臺300 MW的發(fā)電機組，分為兩個單元，一單元為1#、2#機組，二單元為3#和4#機組。每個單元加藥計量泵包括鍋爐補給水(生水經(jīng)各種水處理方式凈化后．用于補充火力發(fā)電廠的汽水損失)和爐水兩種用水?，F(xiàn)以二單元為例，加藥系統(tǒng)采用兩用一備共3臺加藥計量泵，即3#和4#機組各用l臺加藥計量泵，當其中l(wèi)臺出現(xiàn)故障時切換到備用泵。在該系統(tǒng)中通過檢測pH值來控制爐水中磷酸鹽的加入量，pH值要求控制在914～9．78，當其中1臺機組的pH值低于9.4時，啟動相應機組的加藥泵。此時，磷酸鹽加藥箱內(nèi)的磷酸鹽溶液經(jīng)過管道(管道上的閥門都為手動閥，正常時為打開狀態(tài))被泵入相應機組的除氧器出水管加藥點。若3#機組的加藥計量泵出現(xiàn)故障，則打開備用泵與其相連管道上的閥門，備用泵接替3#機組的加藥計量泵，為3#機組的爐水加藥；4#機組亦然。由于爐水中加入了適當?shù)牧姿猁}及氫氧化鈉，可提高爐水的緩沖性能，并有利于維持爐水pH值的穩(wěn)定性，從而防止鍋爐水冷壁的結(jié)垢和腐蝕。

該系統(tǒng)將爐水水樣經(jīng)過減溫減壓裝置引入磷酸表及pH表探頭進行測量，經(jīng)過模擬量轉(zhuǎn)換，再經(jīng)控制系統(tǒng)PID運算后控制變頻器輸出，控制加藥泵轉(zhuǎn)速，從而實時控制爐水的加藥量，使爐水的磷酸根濃度與pH較好地保持在合格的范圍內(nèi)。圖2給出其控制流程圖。該控制分為調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控對象及變送器4部分。其中，調(diào)節(jié)器由S7-200 PLC和相應控制軟件組成；執(zhí)行器由變頻器、電機和計量泵組成；被控對象為爐水；變送器采用分析儀表，即pH表。

3．1 控制流程

圖3給出3#機組的爐水加藥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)從在線分析儀表(磷酸根表、pH表)中提取4~20mA信號，根據(jù)運行工藝參數(shù)和確定的數(shù)學模型進行窗口式PID復合運算，中間結(jié)果送變頻器，控制加藥泵加藥量以實現(xiàn)加藥的自動閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3．2 控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)選用上位機軟件WinCC+西門子PLC的組合方案。PLC系統(tǒng)通過PorfiBus總線方式與上位機WinCC連接。如圖4所示。其中上位監(jiān)控部分由工業(yè)計算機(WinCC)來完成。監(jiān)控工作人員可通過CRT實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況．設(shè)定或修改系統(tǒng)的運行參數(shù)，同時通過CRT遠程軟件控制系統(tǒng)運行。上位工控機進行數(shù)據(jù)處理和管理，并與MIS系統(tǒng)等聯(lián)網(wǎng)。上位機可對控制器進行組態(tài)，組態(tài)范圍包括控制器的網(wǎng)絡地址和時間、選擇控制算法、設(shè)定算法參數(shù)、設(shè)定控制量的設(shè)定點、選擇算法中輸入量及輸出量的通道等。下位控制部分由安裝在現(xiàn)場的一套可編程控制器(PLC)來完成。它是自動加藥控制系統(tǒng)的核心，用于采集相應的水質(zhì)數(shù)據(jù)。由于化學加藥系統(tǒng)具有純滯后性質(zhì)，會導致控制作用不及時，引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或振蕩，而利用計算機可方便實現(xiàn)滯后補償。采用改進的數(shù)字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用輸出控制信號調(diào)節(jié)現(xiàn)場的交流變頻器，進而控制電機的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)加藥泵。電氣部分的控制方式設(shè)計為遠程和本地兩種，以實現(xiàn)手動／半自動／自動三種功能，后兩種功能由上位機切換。

4 IFC算法的濾波處理應用

控制系統(tǒng)中．濾波程序的基本原理是在周期內(nèi)連續(xù)采樣5個數(shù)值，并求出其平均值采集當前值，并求出采集值與平均值的差值△=Xi一X；若|△|>0．2，則舍棄Xi，取X=0．2作為按實際情況設(shè)定的信號波動范圍值；若|△|≤0．2，則Xl出棧，X2替換X1，X3替換X2，X4替換X3，依次遞推。用當前采樣的X6替換X5，然后用這5個新數(shù)值再求X，進行比較，如此循環(huán)執(zhí)行該程序即可實現(xiàn)濾波功能。圖5為采用濾波程序后，放大了的pH值趨勢，由此可見，濾波效果良好。圖6給出控制操作界面圖。

5 結(jié)語

實踐證明．基于PLC的化學自動加藥控制系統(tǒng)可靈活滿足各類化學加藥系統(tǒng)的在線監(jiān)控。該系統(tǒng)投運以來，運行穩(wěn)定、可靠、鍋爐及輔機設(shè)備能全面實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，達到了預期效果，解決了以往手動控制難保證水質(zhì)指標穩(wěn)定的問題，減輕了運行人員的工作強度，得到一致好評。