ＰＬＣ技術(shù)在鍋爐房中的應(yīng)用

藏　煒　黃勝偉　趙志偉

【摘要】 以對(duì)鍋爐系統(tǒng)控制中常用的溫度和壓力控制為例,詳細(xì)的分析了系統(tǒng)的控制方法和控制框圖,給出了PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖。最后對(duì)PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并提出使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的方法。

【關(guān)鍵詞】 鍋爐;PLC;應(yīng)用;穩(wěn)定性分析

鍋爐技術(shù)主要應(yīng)用與日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中,供人們用于生活取暖或?yàn)樯a(chǎn)提供動(dòng)力。伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高,對(duì)鍋爐供暖的質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求?，F(xiàn)今鍋爐控制技術(shù)仍比較落后,電機(jī)的控制主要依靠值班人員的手動(dòng)操作,控制過(guò)程繁瑣,并且無(wú)法對(duì)鍋爐供水溫度和管網(wǎng)壓力變化做出實(shí)時(shí)的反應(yīng)。

為了改善這種狀況,將PLC技術(shù)引入鍋爐房的控制中的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。PLC又被稱(chēng)做可編程邏輯控制器(Programmable logic controller),是一種針對(duì)于自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制的數(shù)位邏輯控制器。由于它廣泛采取了微機(jī)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)各種控制功能,繼而解決了使用傳統(tǒng)的控制電路難以解決的問(wèn)題,可以達(dá)到對(duì)鍋爐系統(tǒng)的精確控制。

一、PLC在鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)比較的應(yīng)用于船舶鍋爐,供水鍋爐和企業(yè)生產(chǎn)中。其控制的對(duì)象也廣泛的應(yīng)用于鍋爐含氧量、出水溫度和壓力等量的控制上。溫度和壓力是影響鍋爐系統(tǒng)穩(wěn)定和效率的兩個(gè)重要的指標(biāo),對(duì)于出水溫度和壓力的控制是PLC系統(tǒng)在鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)用中最重要的兩個(gè)方面。

溫度控制的目的是使用于使用的水溫可以達(dá)到用戶要求,并盡可能的維持溫度和壓力在給定溫度的范圍內(nèi)不變,控制系統(tǒng)的組成主要包括溫度與壓力傳感器,變頻器,給煤機(jī)與引風(fēng)機(jī)以及PLC系統(tǒng)中包含的PID控制模塊所形成的多閉環(huán)系統(tǒng)組成,系統(tǒng)的主要控制框圖(如圖1所示)。

如圖1所示為鍋爐出水溫度與爐膛壓力控制系統(tǒng),以給定溫度值或壓力值為控制標(biāo)定量,與鍋爐實(shí)際的溫度或壓力值進(jìn)行比較后,其差值通過(guò)PID調(diào)節(jié),形成控制信號(hào)用以作用于給煤機(jī)或者引風(fēng)機(jī),達(dá)到控制系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定的目的。系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如式(1)所示:

設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的三個(gè)參數(shù)。PID環(huán)節(jié)即為比列-微分-積分環(huán)節(jié),比例系數(shù)決定系統(tǒng)的反應(yīng)力度,積分環(huán)節(jié)用以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,使系統(tǒng)的輸出與給定的標(biāo)定量相等,微分環(huán)節(jié)用于提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度,在保留相角裕量的基礎(chǔ)上增大系統(tǒng)的帶寬。系統(tǒng)PID的設(shè)計(jì)遵循以下步驟:

(1)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間tm的要求,求算系統(tǒng)的帶寬wc,使校正之后的系統(tǒng)滿足在wc的角頻率點(diǎn)上的幅值為0dB。

(2)根據(jù)系統(tǒng)對(duì)超調(diào)量D的要求,求算開(kāi)環(huán)狀態(tài)下相角裕量,使系統(tǒng)校正后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)滿足相角裕量的要求。

(3)根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度要求,確定在某角頻率點(diǎn)w0處滿足增益要求。

對(duì)于系統(tǒng)的PLC軟件方面,系統(tǒng)分為多個(gè)階段運(yùn)行,軟件各部分實(shí)現(xiàn)的流程如下所示:

(1)PLC系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的初始化過(guò)程,設(shè)置各個(gè)寄存器、計(jì)數(shù)器、PLC工作模式等參數(shù)。

(2)系統(tǒng)對(duì)出水溫度和爐膛壓力進(jìn)行采樣,并通過(guò)各自對(duì)應(yīng)的傳感器與溫度和壓力的設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,得到溫度差量ut與壓力差量up。

(3)PLC設(shè)置PID控制器的控制參數(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)處理控制系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)或引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

(4)PLC實(shí)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通訊并傳送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及操作人員的指令,對(duì)一些簡(jiǎn)單的故障進(jìn)行處理。系統(tǒng)的軟件流程圖(如圖2所示)。

其中PLC依據(jù)得到的溫度差量和壓力差量,通過(guò)PID環(huán)節(jié)輸出控制信號(hào)是整個(gè)系統(tǒng)最為重要的環(huán)節(jié)。

二、PLC在鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)用中的穩(wěn)定性分析

為了在控制上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可以在控制方法上予以改進(jìn),結(jié)合圖1所示,對(duì)于系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的其他因素,可以使用前饋控制法。前饋控制是在PID控制中一種常用的配合PID控制而使用的穩(wěn)定系統(tǒng)的方法,它通過(guò)將可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)接入前饋端,在擾動(dòng)信號(hào)還未作用之前將其消除。前饋控制的原理(如圖3所示)。

除了在控制方法上予以改進(jìn)之外,還有其他一些外部因素可能影響到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,這些主要分為影響PLC信號(hào)穩(wěn)定的因素和執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯(cuò)兩部分。在PLC信號(hào)穩(wěn)定方面,傳輸信號(hào)的電路可能由于老化,拉扯造成短路或者斷路;PLC系統(tǒng)元件質(zhì)量問(wèn)題可能造成系統(tǒng)指令信號(hào)出現(xiàn)偏差影響系統(tǒng)穩(wěn)定性;觸點(diǎn)的誤抖動(dòng)可能造成PLC執(zhí)行周期中的順序錯(cuò)亂,使系統(tǒng)發(fā)生紊亂。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu),則主要是控制負(fù)載的接觸不按照要求動(dòng)作,執(zhí)行機(jī)構(gòu)在PLC發(fā)出命令之時(shí)沒(méi)有按要求執(zhí)行指令。在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中,要密切注意工作環(huán)境的變化,確保元件運(yùn)行無(wú)誤。

三、結(jié)論

分析了PLC系統(tǒng)在鍋爐房中的應(yīng)用,并且以典型的溫度和壓力PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行分析,給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框圖和程序的軟件流程圖。討論了從硬件和控制方法上對(duì)PLC應(yīng)用于鍋爐房系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善方法,使用PLC進(jìn)行鍋爐內(nèi)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié),替代原來(lái)的手工調(diào)節(jié),節(jié)省了大量的電能,提高了鍋爐系統(tǒng)的效率。

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