基于PLC的鍋爐加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

目前，我國(guó)對(duì)大型鍋爐的給水與蒸汽質(zhì)量指標(biāo)要求十分嚴(yán)格，因而需要對(duì)爐水品質(zhì)連續(xù)監(jiān)控。測(cè)量pH值大多采用傳統(tǒng)的PID控制算法．但在反應(yīng)過(guò)程中，因其中和點(diǎn)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(guò)小，又將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變壞。對(duì)于鍋爐給水加藥測(cè)控裝置，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了加藥系統(tǒng)的自動(dòng)化，但無(wú)自動(dòng)配藥設(shè)備，仍需根據(jù)汽水實(shí)驗(yàn)室的化驗(yàn)結(jié)果人工配藥，這樣不僅工作強(qiáng)度大，而且所加的氨、聯(lián)胺均屬有劇毒易揮發(fā)物質(zhì)，會(huì)給操作者造成嚴(yán)重危害，并導(dǎo)致環(huán)境污染。為此，提出變?cè)鲆嫒齾^(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(guò)對(duì)帶有時(shí)滯的pH值中和過(guò)程進(jìn)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(qiáng)，響應(yīng)速度快和控制精度高的特點(diǎn)，尤其是IFC算法能克服pH值中和過(guò)程中的較大時(shí)滯。通過(guò)在某電廠的實(shí)際應(yīng)用，已實(shí)現(xiàn)了鍋爐給水配藥、加藥系統(tǒng)的全自動(dòng)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(hào)；PID為控制器；P為被控對(duì)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(guò)程輸出量。由圖可見(jiàn)，常規(guī)PID控制中的比例作用實(shí)際上是一種線性放大或縮小作用，很難適應(yīng)酸堿中和過(guò)程中被控對(duì)象非線性的特點(diǎn)。

2．2 變?cè)鲆嫒齾^(qū)段非線性PID控制

將pH值變化按拐點(diǎn)分為：一個(gè)高增益區(qū)和兩個(gè)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(biāo)。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(jì)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(jì)算控制量(模糊量)；由上述得到的控制量(模糊量)計(jì)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(tái)300 MW的發(fā)電機(jī)組，分為兩個(gè)單元，一單元為1#、2#機(jī)組，二單元為3#和4#機(jī)組。每個(gè)單元加藥計(jì)量泵包括鍋爐補(bǔ)給水(生水經(jīng)各種水處理方式凈化后．用于補(bǔ)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(tái)加藥計(jì)量泵，即3#和4#機(jī)組各用l臺(tái)加藥計(jì)量泵，當(dāng)其中l(wèi)臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)切換到備用泵。在該系統(tǒng)中通過(guò)檢測(cè)pH值來(lái)控制爐水中磷酸鹽的加入量，pH值要求控制在914～9．78，當(dāng)其中1臺(tái)機(jī)組的pH值低于9.4時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)機(jī)組的加藥泵。此時(shí)，磷酸鹽加藥箱內(nèi)的磷酸鹽溶液經(jīng)過(guò)管道(管道上的閥門(mén)都為手動(dòng)閥，正常時(shí)為打開(kāi)狀態(tài))被泵入相應(yīng)機(jī)組的除氧器出水管加藥點(diǎn)。若3#機(jī)組的加藥計(jì)量泵出現(xiàn)故障，則打開(kāi)備用泵與其相連管道上的閥門(mén)，備用泵接替3#機(jī)組的加藥計(jì)量泵，為3#機(jī)組的爐水加藥；4#機(jī)組亦然。由于爐水中加入了適當(dāng)?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(guò)減溫減壓裝置引入磷酸表及pH表探頭進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)模擬量轉(zhuǎn)換，再經(jīng)控制系統(tǒng)PID運(yùn)算后控制變頻器輸出，控制加藥泵轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)控制爐水的加藥量，使?fàn)t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(duì)象及變送器4部分。其中，調(diào)節(jié)器由S7-200 PLC和相應(yīng)控制軟件組成；執(zhí)行器由變頻器、電機(jī)和計(jì)量泵組成；被控對(duì)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(jī)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(hào)，根據(jù)運(yùn)行工藝參數(shù)和確定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行窗口式PID復(fù)合運(yùn)算，中間結(jié)果送變頻器，控制加藥泵加藥量以實(shí)現(xiàn)加藥的自動(dòng)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(jī)軟件WinCC+西門(mén)子PLC的組合方案。PLC系統(tǒng)通過(guò)PorfiBus總線方式與上位機(jī)WinCC連接。如圖4所示。其中上位監(jiān)控部分由工業(yè)計(jì)算機(jī)(WinCC)來(lái)完成。監(jiān)控工作人員可通過(guò)CRT實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況．設(shè)定或修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)通過(guò)CRT遠(yuǎn)程軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行。上位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管理，并與MIS系統(tǒng)等聯(lián)網(wǎng)。上位機(jī)可對(duì)控制器進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)范圍包括控制器的網(wǎng)絡(luò)地址和時(shí)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(diǎn)、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(chǎng)的一套可編程控制器(PLC)來(lái)完成。它是自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的核心，用于采集相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。由于化學(xué)加藥系統(tǒng)具有純滯后性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致控制作用不及時(shí)，引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或振蕩，而利用計(jì)算機(jī)可方便實(shí)現(xiàn)滯后補(bǔ)償。采用改進(jìn)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(hào)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)的交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)加藥泵。電氣部分的控制方式設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程和本地兩種，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)／半自動(dòng)／自動(dòng)三種功能，后兩種功能由上位機(jī)切換。

4 IFC算法的濾波處理應(yīng)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(gè)數(shù)值，并求出其平均值采集當(dāng)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(shí)際情況設(shè)定的信號(hào)波動(dòng)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(dāng)前采樣的X6替換X5，然后用這5個(gè)新數(shù)值再求X，進(jìn)行比較，如此循環(huán)執(zhí)行該程序即可實(shí)現(xiàn)濾波功能。圖5為采用濾波程序后，放大了的pH值趨勢(shì)，由此可見(jiàn)，濾波效果良好。圖6給出控制操作界面圖。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明．基于PLC的化學(xué)自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)可靈活滿足各類(lèi)化學(xué)加藥系統(tǒng)的在線監(jiān)控。該系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、鍋爐及輔機(jī)設(shè)備能全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到了預(yù)期效果，解決了以往手動(dòng)控制難保證水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定的問(wèn)題，減輕了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，得到一致好評(píng)。