控制技術(shù)在三合一循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用

鄭月齋　陳曉英　李文健　周成華　胡斌　王標(biāo)兵

摘 要： 針對三合一循環(huán)流化床鍋爐的工作原理和特點(diǎn)，采用方便、快捷的手段，在比較成熟的控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探索和實(shí)施。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及化，筆者對下一步的故障遠(yuǎn)程診斷進(jìn)行了專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的探索。

關(guān)鍵詞： 鍋爐控制； PLC； WinCC； 故障診斷

中圖分類號： TP 273，TK 323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）04-0085-04

0 引 言

Internet+本質(zhì)上是對實(shí)體企業(yè)技術(shù)上的升級改造，關(guān)鍵技術(shù)問題是對底層數(shù)據(jù)的采集和對采集上來的數(shù)據(jù)的應(yīng)用，以達(dá)到特定的目的。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)由于其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，已被列入國家重點(diǎn)推廣的清潔燃燒技術(shù)之一，現(xiàn)在越來越多地被應(yīng)用在鍋爐上。鍋爐作為生產(chǎn)和生活的主要動力源，在國民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用。本文就控制技術(shù)在三合一循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用進(jìn)行了一些探索。

1 控制技術(shù)的設(shè)計(jì)思路

1.1 控制系統(tǒng)的輔助工具

在使用過程中需要實(shí)時(shí)的監(jiān)控鍋爐的工作狀態(tài)，對生產(chǎn)過程中的檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)需要進(jìn)行報(bào)警，如冷卻系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)的報(bào)警，使問題能得到及時(shí)的處理。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用到了Siemens的Step7和Win CC軟件。Win CC是西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，主要用于對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，Step7是西門子公司的下位機(jī)編程軟件。視窗控制中心（Windows Control Center，Win CC）提供的圖形化工具，可方便地實(shí)現(xiàn)控制過程中的一些關(guān)聯(lián)的界面的開發(fā)，如變量組態(tài)（內(nèi)部變量和與step7通信的變量）、畫面組態(tài)（有時(shí)鐘、報(bào)警、在線表格控件）、報(bào)警組態(tài)、變量記錄的組態(tài)等，方便地建立生產(chǎn)和加工過程中的實(shí)時(shí)窗口，建立過程容易操作，操作邏輯易理解，它的最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠在運(yùn)行和組態(tài)環(huán)境之間快速完成被修改畫面的測試，而不影響生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)報(bào)警和數(shù)據(jù)采集，內(nèi)置了豐富Active X控件，方便了生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鍋爐的主要設(shè)備包括了氣鍋、爐子、爐堂、鍋堂、水冷壁、過熱器、燃燒設(shè)備、引風(fēng)設(shè)備、送風(fēng)設(shè)置，給水設(shè)備、空氣預(yù)熱器、燃料供給線路設(shè)備及除塵設(shè)備等組，嚴(yán)格來說，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要是對這些點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集，需要的話，采取觸發(fā)控制的方式啟停相應(yīng)的設(shè)備，如相關(guān)的閥門或開關(guān)，因此，是一個(gè)典型的多變量、純滯后、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)[1]，需要在控制策略和軟件實(shí)現(xiàn)上很好地解決多變量間的解偶關(guān)系和工作機(jī)制中的滯后響應(yīng)問題。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了目前使用較多的集中控制分散驅(qū)動（P-T方案）的集散控制思想[2]，把控制系統(tǒng)分為三層[3]，如圖1所示。

用戶管理層：用戶層是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)的技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)的設(shè)定（在圖1的工控機(jī)上），是實(shí)現(xiàn)Internet+關(guān)鍵層，在用戶層完成Wincc功能的各類組態(tài)，如歷史趨勢、報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、變量組態(tài)，還有其他的一些參數(shù)設(shè)置，如與控制層通信的協(xié)議設(shè)置模式，在常規(guī)組態(tài)無法滿足功能要求時(shí)的控制程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)等等。可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)的追蹤、參數(shù)超出正常值時(shí)報(bào)警與故障的提示處理等功能。

控制層：圖1中的PLC部分，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞，主要完成各種控制動作命令的下達(dá)、通過DI采集現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳到用戶管理層，數(shù)據(jù)分析后，通過DO控制設(shè)備層的動作，并完成處理。連鎖動作在數(shù)據(jù)采集的過程中，可能需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理，采用一些觸發(fā)的機(jī)制完成對控制對象的操控。

設(shè)備層：圖1中的各類變頻器是控制系統(tǒng)中和現(xiàn)場設(shè)備直接連接的設(shè)備，接受來自PLC的控制命令，根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的動作或提供相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)。主要由一些閥門和變送器、斷電器等組成。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

鍋爐的控制系統(tǒng)緊密圍繞生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)開展[4]。關(guān)鍵點(diǎn)包括溫度的控制、水位的控制以及產(chǎn)生穩(wěn)定的蒸汽。

2.1 給水控制

給水的自動控制是由汽包水位、蒸汽流量和給水流量三沖量的控制來進(jìn)行的。其中汽包水位是主信號，通過調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速或給水調(diào)節(jié)閥的開度，調(diào)節(jié)給水流量，維持汽包水位在正常范圍內(nèi)。當(dāng)水位超過規(guī)定范圍時(shí)，上位機(jī)的界面上可以根據(jù)組態(tài)的情況做出報(bào)警的提示；當(dāng)出現(xiàn)水位過高時(shí)，控制系統(tǒng)打開閥門，調(diào)整汽包水位。蒸汽流量的信息采集上來用于控制給水流量，給水流量作為反饋信號。

汽包水位自動控制分為單沖量和三沖量控制方式，單沖調(diào)節(jié)器可以在手動或自動狀態(tài)下運(yùn)行。三沖量可以在手動、自動、串級狀態(tài)下運(yùn)行。單沖量在鍋爐啟動時(shí)控制汽包水位，三沖量用于鍋爐負(fù)荷大于30%時(shí)控制汽包水位。根據(jù)三沖量給水調(diào)節(jié)的原理，PLC程序中利用Step7的PID控制功能實(shí)現(xiàn)串級控制，框圖如圖2所示。圖2中，給水調(diào)節(jié)閥收到開關(guān)量驅(qū)動信號后，根據(jù)信號電機(jī)自行正向或反向運(yùn)行，執(zhí)行打開或關(guān)閉閥門的操作。

水位會因?yàn)槎喾N原因產(chǎn)生擾動，如水流量的壓力變化，閥門開關(guān)度的改變時(shí)都會造成水位控制的擾動，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了給水流量信號的反饋?zhàn)饔?，控制系統(tǒng)能穩(wěn)定給水流量?？刂仆猸h(huán)是根據(jù)蒸汽流量的前饋信號來進(jìn)行鍋筒水位的控制，這種控制方式能克服因溫度和壓力的變化造成的“虛假水位”而產(chǎn)生的調(diào)節(jié)器誤動作，從而有效的提高水位的控制精度，確保鍋爐安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2 蒸汽壓力控制

蒸汽壓力的穩(wěn)定為設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行提供保障，蒸汽壓力控制和經(jīng)濟(jì)燃燒的控制框圖如圖3所示。圖3中，利用step7 的PID功能塊對爐排的運(yùn)行速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，排汽的過程中，結(jié)合對鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蒸汽壓力的穩(wěn)定。

2.3 爐膛負(fù)壓控制

爐膛壓力是指送入爐膛內(nèi)的空氣、煤粉及煙氣和引風(fēng)機(jī)吸走的煙氣量之間的平衡關(guān)系。爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運(yùn)行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。使用壓力表檢測出爐內(nèi)壓力，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電流信號，用電信號控制引風(fēng)機(jī)頻率，控制引風(fēng)量。只要PI參數(shù)整定合適，一般采用單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制策略，即可把爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在-40～-60 Pa（如圖4）：[5]太小，爐火外噴；太大，漏風(fēng)量增加，增加電耗。

2.4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以看出，系統(tǒng)中有大的交流電機(jī)和變頻器，PLC系統(tǒng)由電子元器件組成，肯定會對PLC系統(tǒng)造成干擾，造成干擾的后果是影響采集上來的信號，造成控制系統(tǒng)的故障。為防止干擾，需要對系統(tǒng)電源和接地做好處理，高頻電路就近多點(diǎn)接地，低頻電路一點(diǎn)接地，要注意交流地和信號地不能共用。在系統(tǒng)建立時(shí)，對浮地還是接地根據(jù)需要進(jìn)行選擇，同時(shí)，在PLC程序中要考慮周全，做好相應(yīng)的處理程序。

（1） 一般來說，模擬量信號比開關(guān)量信號易受到外界的干擾，干擾信號大多是在變頻器的啟停和大的接觸器通斷時(shí)發(fā)生，在開啟相應(yīng)的設(shè)備時(shí)，程序中須考慮可能造成的干擾處理，加強(qiáng)對模擬信號的監(jiān)測，在設(shè)備開?；蛴须娫吹耐〝鄷r(shí)，考慮一定的時(shí)間周期，避免馬上造成的干擾異動，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2） PLC編程時(shí)，要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度可能會造成的意想不到的結(jié)果（前面的程序指令執(zhí)行了，但控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行由于速度的限制還沒有結(jié)束，新的指令又已到達(dá)的情況），需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)置一些空指令。

（3） 在PLC由于程序運(yùn)行出現(xiàn)故障造成停機(jī)時(shí)，編寫的程序要有較強(qiáng)的自修復(fù)能力，恢復(fù)PLC設(shè)備工作，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，同時(shí)做好記錄告知工作，使技術(shù)人員能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)存在的隱患，對于頻繁出現(xiàn)的情況及時(shí)分析原因，找到解決問題的方法。

3 基于GPRS系統(tǒng)的專家診斷系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在本項(xiàng)目產(chǎn)品中的應(yīng)用，對應(yīng)提升產(chǎn)品的智能化管理與售后服務(wù)的快速響應(yīng)，具有重要的意義。本項(xiàng)目預(yù)留基于GPRS系統(tǒng)的接口，用戶可根據(jù)需要，選配相關(guān)配件后，結(jié)合移動物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺，建立專家診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對變頻粒蒸汽鍋爐的無線智能交互控制；對動態(tài)設(shè)備地理位置、自動維護(hù)、設(shè)備用戶和經(jīng)銷商等信息的智能化管理；對運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷[6]；企業(yè)對產(chǎn)品的快速售后響應(yīng)（如圖5和圖6所示）。

支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的鍋爐的監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7中，鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過溫度、壓力水位等傳感器來采集，信號發(fā)生器將鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)、地理位置信息和用戶信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到設(shè)備制造者和設(shè)備使用者的計(jì)算機(jī)或者手機(jī)上，設(shè)備制造者和設(shè)備使用者可以實(shí)時(shí)了解鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。通過監(jiān)測軟件，設(shè)備制造者能夠?qū)﹀仩t遠(yuǎn)程故障診斷，并可以通過物聯(lián)網(wǎng)將控制信號傳送到汽鍋爐上，遠(yuǎn)程對鍋爐進(jìn)行控制和維護(hù)，便于企業(yè)制定維護(hù)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)品維護(hù)服務(wù)。這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，提高了鍋爐的科學(xué)技術(shù)含量，在性能，參數(shù)等方面都達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平；并極大提高了燃燒效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

三合一循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)技術(shù)，采用了底層的控制系統(tǒng)對具體設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，探索了利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的故障診斷方法，方便、快捷的實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備故障的初步診斷，為快速的解決問題提供了有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 莊濤. 工業(yè)蒸汽鍋爐的自動化控制研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 山東大學(xué)，2008.

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[3] 王文標(biāo). 鍋爐集成自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]. 大連海事大學(xué)，2007.

[4] 岑可法，倪明江，駱仲泱，等. 循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M]. 北京：中國電力出版社，1998.

[5] 吳明永. 工業(yè)鍋爐控制策略研究與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 蘭州理工大學(xué)，2009.

[6] 呂俊復(fù)，張建勝，岳光溪. 循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行與檢修[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

Abstract： According to the working principle and characteristics of a circulating fluidized bed boiler， the article explorers and implements control system base on the experiencedcontrol parameter in convenient and quick ways. With the popular and development of Internet network， proposes the expert system on the long distance fault diagnosis.

Keywords： controlment on boiler； PLC； WinCC； fault diagnosis

（責(zé)任編輯：徐興華）