基于PLC控制器的瀝青拌合設(shè)備燃燒控制系統(tǒng)探討

周粵波

(云南博業(yè)工程機(jī)械有限公司，云南 昆明 650215)

新市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，公路建設(shè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，利潤(rùn)空間也相對(duì)較小，尤其是現(xiàn)代化施工、修筑、技術(shù)工藝等要求的不斷提高。加上公路建設(shè)投資、造價(jià)控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制要求不斷嚴(yán)格，以及石油產(chǎn)品價(jià)格的持續(xù)上漲，燃燒油價(jià)格越來(lái)越高，且公路施工過(guò)程中瀝青混合料本的比重越來(lái)越大，對(duì)選擇合適的燃燒能源及更新改進(jìn)燃燒控制性能性能，就顯得非常有工程實(shí)踐應(yīng)用研究意義。從一些路面施工項(xiàng)目機(jī)械成本竣工分析可知，瀝青拌和系統(tǒng)中燃油費(fèi)用約占整個(gè)機(jī)械成本費(fèi)用的30%～40%左右。為了有效降低施工成本，增強(qiáng)施工企業(yè)項(xiàng)目施工社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，就顯得非常重要。通過(guò)一些理論研究和工程實(shí)踐應(yīng)用對(duì)比分析結(jié)果表明，燃煤要比燃油更加經(jīng)濟(jì)，對(duì)降低公路施工企業(yè)的生產(chǎn)成本有很大的影響。瀝青拌合設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，燃燒控制系統(tǒng)的性能尤為重要。瀝青拌合設(shè)備燃煤過(guò)程是一個(gè)多變量的非線性系統(tǒng)，尤其對(duì)于大型的瀝青拌合系統(tǒng)而言，需要考慮采用投資大的先進(jìn)的多參量控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制，以確保燃煤系統(tǒng)具有較為理想的燃燒效率。筆者將從燃煤系統(tǒng)的過(guò)程動(dòng)態(tài)特性入手，合理選擇燃煤控制對(duì)象，并結(jié)合PLC等先進(jìn)控制設(shè)備，設(shè)計(jì)出高效節(jié)能的瀝青拌合設(shè)備燃煤控制系統(tǒng)。

1 燃煤燃燒器控制參數(shù)選擇

瀝青拌合設(shè)備燃煤燃燒器其燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制方案和特性參數(shù)的選擇，雖然與燃料種類、供給系統(tǒng)、點(diǎn)火方式、以及負(fù)荷等因素有密切的關(guān)系，但對(duì)于瀝青拌合系統(tǒng)而言其燃燒過(guò)程的控制任務(wù)大致相同，具體可以歸納出以下三方面的任務(wù)。

(1)維持燃燒器爐內(nèi)溫度T。當(dāng)外部負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，燃燒控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外部負(fù)荷波動(dòng)特性，通過(guò)改變?nèi)剂陷斔土繉?shí)現(xiàn)與負(fù)荷波動(dòng)的匹配。

(2)確保燃煤燃燒全過(guò)程具有較高節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。要通過(guò)合理的調(diào)配確保整個(gè)燃燒系統(tǒng)具備最佳風(fēng)燃比α(即:風(fēng)量與燃料量間的比值)，即當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)引起燃料量改變的同時(shí)，還需要控制送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量，以確保送風(fēng)量與燃料量間具備較好的匹配性能，確保整個(gè)燃燒過(guò)程具有較高的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(3)確保燃燒器具備較高的安全可靠性。即要保證爐膛內(nèi)部負(fù)壓具有較高穩(wěn)定性，避免由于爐膛負(fù)壓過(guò)大引起爆膛事故發(fā)生，或由于負(fù)壓過(guò)小，引起送風(fēng)系統(tǒng)能耗增加，排煙熱損失增大。

從燃煤燃燒器的三個(gè)重要任務(wù)可知，整個(gè)瀝青燃煤控制系統(tǒng)的主要控制變量包括爐溫T、最優(yōu)風(fēng)燃比α、以及爐膛負(fù)壓P三個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變量，相對(duì)應(yīng)的就是燃料量F、送風(fēng)量AF、以及引風(fēng)量EG。對(duì)于燃料量F則通過(guò)合理選擇輸送電機(jī)和燃料控制閥完成，而對(duì)于送風(fēng)量AF和引風(fēng)量EG則可以通過(guò)以變頻器為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)根據(jù)燃料量的多少合理控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)平衡。以燃煤為動(dòng)力的瀝青拌合設(shè)備燃燒系統(tǒng)，其特性參變量的組合控制設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 瀝青拌合設(shè)備燃煤燃燒組合控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

瀝青拌合設(shè)備燃煤燃燒控制系統(tǒng)，其在滿足圖1所示意的爐溫T、最優(yōu)風(fēng)燃比α、以及爐膛負(fù)壓P三個(gè)控制變量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)外，在功能設(shè)計(jì)上還需從自動(dòng)化、智能化、人性化等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如:在瀝青拌合設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)拌合設(shè)備的全自動(dòng)、半自動(dòng)、以及手動(dòng)操控，同時(shí)可以根據(jù)生產(chǎn)配合比設(shè)置控制系統(tǒng)的特性參數(shù)。另外，還應(yīng)設(shè)置可視化操控界面，預(yù)留計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等輔助設(shè)備接口，便于資料的匯總和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2 基于PLC的燃煤燃燒器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于PLC控制器的燃煤燃燒器控制系統(tǒng)，其主要由控制器(PLC)、變頻器、電機(jī)、風(fēng)機(jī)輸送機(jī)、檢測(cè)傳感器裝置、燃料控制閥組、燃燒室、以及點(diǎn)火裝置等共同組成，其具體控制邏輯如圖2所示。

圖2 基于PLC的燃煤燃燒器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

利用熱電偶溫度傳感器測(cè)得爐內(nèi)的溫度值，將所采集的溫度信號(hào)經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)(即:4－20mA的直流電流信號(hào)和1～5V的直流電壓信號(hào))，并經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和過(guò)濾放大處理單元，將電信號(hào)有效轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)信號(hào)電纜傳輸給PLC控制器，與給定信號(hào)進(jìn)行對(duì)動(dòng)態(tài)對(duì)比，根據(jù)PID調(diào)節(jié)單元比較結(jié)果由PLC控制器輸送出對(duì)應(yīng)的邏輯控制命令，經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，向燃煤系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)整燃煤輸送量。在向燃煤調(diào)節(jié)閥發(fā)送調(diào)節(jié)命令的同時(shí)，將控制信號(hào)輸送給變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的電源頻率，實(shí)現(xiàn)燃煤量F與送風(fēng)量AF、引風(fēng)量EG的動(dòng)態(tài)匹配，使得瀝青拌合設(shè)備燃燒控制系統(tǒng)具有最優(yōu)風(fēng)燃比α，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1 系統(tǒng)主要硬件功能單元優(yōu)化選型

從圖2可知，以燃煤為主的瀝青拌合設(shè)備燃燒控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用PLC作為燃燒全過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制器。CPU是整個(gè)燃燒控制系統(tǒng)的核心，除了要監(jiān)控溫度傳感器、壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅魉杉降娜紵髦械奶匦詤⒘客?，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理、數(shù)據(jù)信息顯示、故障自診斷、提示報(bào)警等功能?？紤]到燃燒控制系統(tǒng)后期功能擴(kuò)大開發(fā)需要，選擇西門子S7－400 CPU帶有一個(gè)并行的I/O接口總線，其處理速度在1.5μs/字節(jié)(P－總線)，不僅可以對(duì)I/O接口數(shù)據(jù)進(jìn)行高速提取和存儲(chǔ)，同時(shí)CPU還帶有一個(gè)串行通訊總線，其傳輸速度為10.5M波特率，可以通過(guò)MPI接口和支持MPI通訊協(xié)議的設(shè)備(如CPU、OP、FM等)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換共享。變頻器主要通過(guò)控制風(fēng)機(jī)輸入電源頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)與燃煤輸送機(jī)的匹配平衡，選用西門子公司生產(chǎn)的MicroMaster430全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器，其非常適用于風(fēng)機(jī)、泵類等變轉(zhuǎn)矩負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，功率在7.5kW～250kW范圍，同時(shí)其具備內(nèi)部功能互聯(lián)(Bi-Co)技術(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中具有高度可靠性和靈活性。結(jié)合瀝青拌合性能條件，優(yōu)選GWH300型紅外溫度傳感器，溫度監(jiān)測(cè)范圍(0～300)℃;優(yōu)選UVS1 GIK15R02－5型火焰檢測(cè)器;優(yōu)選WFY－90型智能爐膛負(fù)壓表;優(yōu)選61－BG32264型熄火保護(hù)自動(dòng)點(diǎn)火器。

2.2 系統(tǒng)主要軟件功能單元優(yōu)化設(shè)計(jì)

PLC軟件控制程序，由梯形圖編制，根據(jù)S7－400軟件功能特點(diǎn)，采用分層結(jié)構(gòu)化順序控制邏輯進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。具體控制流程如圖3所示。

從圖3可知，本文設(shè)計(jì)的基于PLC的瀝青拌合設(shè)備燃煤控制系統(tǒng)，依然采用柴油來(lái)點(diǎn)火，并通過(guò)燃燒燃油來(lái)預(yù)熱燃燒器，待燃燒器達(dá)到設(shè)定的預(yù)熱溫度時(shí)，打開進(jìn)門控制閥進(jìn)煤，啟動(dòng)燃煤輸送電機(jī)，將燃煤與風(fēng)量按照調(diào)節(jié)比例要求輸送到燃燒器中，完成點(diǎn)火操作。通過(guò)PLC控制器I/O接口進(jìn)行燃煤特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)采集，并經(jīng)內(nèi)部PID調(diào)節(jié)計(jì)算后，將調(diào)控命令發(fā)送給變頻器，通過(guò)變頻器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量和輸送機(jī)狀態(tài)，以獲得最優(yōu)風(fēng)燃比α，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、高效穩(wěn)定調(diào)控運(yùn)行功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出瀝青拌合設(shè)備燃煤燃燒過(guò)程是一個(gè)多變量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)復(fù)雜過(guò)程，需要合理調(diào)控實(shí)現(xiàn)燃料量與風(fēng)量間的動(dòng)態(tài)平衡，才能獲得較好的調(diào)控運(yùn)行效果。針對(duì)燃煤系統(tǒng)燃燒動(dòng)態(tài)調(diào)控特性，設(shè)計(jì)了基于PLC、變頻器等為核心的瀝青拌合燃煤燃燒控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃煤量與風(fēng)量間的動(dòng)態(tài)平衡，確保燃煤燃燒系統(tǒng)始終具有最優(yōu)風(fēng)燃比α，節(jié)能效果較為明顯。改控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控便捷、硬軟件平臺(tái)開發(fā)較容易、控制效果較好等優(yōu)點(diǎn)，在瀝青拌合設(shè)備燃燒控制系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)改造領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

圖3 基于PLC的瀝青拌合設(shè)備燃煤系統(tǒng)邏輯控制程序

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