20T/h循環(huán)硫化床鍋爐螺旋給煤機(jī)模糊控制應(yīng)用

王百達(dá)（大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西　大同　037000）

20T/h循環(huán)硫化床鍋爐螺旋給煤機(jī)模糊控制應(yīng)用

王百達(dá)（大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同037000）

1　立項(xiàng)背景及原因

循環(huán)硫化床鍋爐是一種燃燒效率高，煤種適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)熱負(fù)荷變化適應(yīng)范圍大，污染物排放量較小的鍋爐爐型SHX-20-2.5/400-H（AII）中壓鍋爐（以下簡(jiǎn)稱(chēng)20T/h鍋爐）是同煤集團(tuán)為年產(chǎn)5萬(wàn)噸/年甲醇而設(shè)計(jì)的鍋爐，為5萬(wàn)噸/年甲醇和煤氣廠供汽，至投運(yùn)以來(lái)螺旋給煤機(jī)的控制為人工操作，給煤量難以保證，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，存在很大的安全隱患。

螺旋給煤機(jī)是20T/h鍋爐系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，直接關(guān)系到鍋爐蒸汽的安全可靠生產(chǎn)。螺旋給煤機(jī)的給煤系統(tǒng)主要由給煤電機(jī)、漏斗型煤倉(cāng)、螺旋軸輪、運(yùn)煤皮帶等組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)螺旋軸輪在給煤電機(jī)的帶動(dòng)下，將煤倉(cāng)漏斗里的燃煤刮入爐膛從而提供燃燒用煤。其中給煤機(jī)的給煤量是該系統(tǒng)主要的控制對(duì)象：給煤量過(guò)多會(huì)造成爐膛溫度高甚至結(jié)焦事故；給沒(méi)量過(guò)少會(huì)造成溫度下降或熄火事故。目前該給煤機(jī)設(shè)備由工人手動(dòng)操作，工人的操作對(duì)該設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。由于工人工作環(huán)境粉塵濃度大、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境差，爐膛溫度過(guò)高、結(jié)焦、溫度下降、熄火等事故時(shí)有發(fā)生。因此，2012年9月經(jīng)我廠專(zhuān)題會(huì)議研究在螺旋給煤機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制應(yīng)用實(shí)踐。

2　研究或革新內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

螺旋給煤機(jī)系統(tǒng)具有大時(shí)滯、非線(xiàn)性、時(shí)變且建模困難的特點(diǎn)，常規(guī)的控制方法很難保證被控系統(tǒng)正常運(yùn)行。而目前給煤機(jī)的給煤量主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工人根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)和調(diào)度室的指示進(jìn)行控制，受操作經(jīng)驗(yàn)等因素影響較大，為此引進(jìn)模糊控制技術(shù)，以PLC為控制器，對(duì)給煤機(jī)控制進(jìn)行改進(jìn)。

模糊控制技術(shù)是在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種控制技術(shù)。與傳統(tǒng)PID控制方法相比，模糊控制具有更好的適應(yīng)被控對(duì)象變化的能力，不需要建立對(duì)于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于此種控制方式影響最大的是模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性。對(duì)比傳統(tǒng)控制方式模糊控制技術(shù)有如下特點(diǎn)：

（1）被控對(duì)象不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，只需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員或相關(guān)專(zhuān)家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)或操作數(shù)據(jù)；

（2）模糊控制技術(shù)可與經(jīng)典控制方法相結(jié)合，使用靈活，適用范圍廣；

（3）被控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性，對(duì)于非線(xiàn)性、時(shí)變、大滯后系統(tǒng)具有更好控制能力；

（4）模糊控制技術(shù)同時(shí)可用于模型精確的被控對(duì)象；

3　模糊控制器方案研究及確定過(guò)程

20T/h循環(huán)流化床鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中存在非線(xiàn)性、時(shí)變、大滯后等特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)給煤系統(tǒng)的自動(dòng)控制，傳統(tǒng)PID控制方法是很難做到，因此選擇模糊控制方法。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，煤倉(cāng)漏斗下煤不均勻，造成給煤電機(jī)電流產(chǎn)生變化，電流變化與煤倉(cāng)漏斗漏煤量成正比，同時(shí)單位時(shí)間的給煤量與電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載量的乘積成正比。設(shè)單位時(shí)間給煤量為C，電機(jī)電流為I，轉(zhuǎn)速為U，則有下列關(guān)系:C=K IU（其中K為常數(shù)）。要對(duì)給煤機(jī)的給煤量C進(jìn)行控制，這里采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器。

3.1確定模糊控制器的輸入、輸出語(yǔ)言變量及結(jié)構(gòu)

本例使用雙輸入單輸出的二維模糊控制器，該控制器以給煤量的偏差e和偏差變化率ec為輸入語(yǔ)言變量，以螺旋給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速u(mài)為輸出語(yǔ)言變量。

其中C為給煤量的設(shè)定值，c為給煤量的測(cè)量值。模糊控制原理圖如下圖2-1

圖3-1　模糊控制原理圖

3.2輸入語(yǔ)言變量偏差E、偏差變化率EC和輸出語(yǔ)言變量U的語(yǔ)言值確定

系統(tǒng)偏差e的基本論域：［-120，+120］，輸入語(yǔ)言變量偏差E的模糊論域?yàn)椋?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，偏差E的量化因子Ke：Ke=6/120=0.05。輸入語(yǔ)言變量偏差E的語(yǔ)言值為：｛NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB｝=｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大｝。確定在模糊論域的模糊子集NB…PB的隸屬度函數(shù)，建立語(yǔ)言變量E的賦值表如表3-1。表3-1輸入語(yǔ)言變量E的隸屬度函數(shù)表

模糊論域隸屬度語(yǔ)言變　量PB PM PS Z NS NM NB -6　0 0 0 0 0 0 . 6　1 . 0 -5　0 0 0 0 0 . 2　0 . 8　0 . 8 -4　0 0 0 0 0 . 5　1 . 0　0 . 5 -3　0 0 0 0 0 . 8　0 . 7　0 . 2 -2　0 0 0 0 . 3　1 . 0　0 . 5　0 -1　0 0 0 0 . 7　0 . 8　0 . 2　0 0 0　0 0 . 2　1 . 0　0 . 5 0　0 1 0　0 0 . 7　0 . 7　0 . 2 0　0 2 0 0. 3 1. 0. 4 0 0 0 3 0. 1 0. 8 0. 8 0. 1 0 0 0 4 0. 5 1. 0 0. 4 0 0 0 0 5 0. 8 0. 8 0. 2 0 0 0 0 6 1. 0 0. 4 0 0 0 0 0

系統(tǒng)偏差變化率ec的基本論域：［-150，+150］，輸入語(yǔ)言變量偏差變化率EC的模糊論域?yàn)椋?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，則偏差變化率EC的量化因子Kc：Kc=6/150=0.04。輸入變量偏差變化率EC的語(yǔ)言值為：｛NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB｝=｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大｝。確定在模糊論域的模糊子集NB…PB的隸屬度函數(shù)，建立語(yǔ)言變量EC的賦值表如表3-2。

表3-2　輸入語(yǔ)言變量EC的隸屬度函數(shù)表

輸出控制變量u的基本論域：［-20，+20］，輸出語(yǔ)言變量U的模糊論域：Z=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，則控制量u的比例因子Ku:Ku=6/20=0.3。輸出語(yǔ)言變量U的語(yǔ)言值為：｛NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB｝=｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大｝。根據(jù)操作者和相關(guān)工程技術(shù)人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)確定在模糊論域上用模糊子集NB…PB的隸屬度函數(shù)，建立語(yǔ)言變量U的賦值表如表3-3

表3-3　輸出語(yǔ)言變量U的隸屬度函數(shù)表

3.3模糊控制規(guī)則的確定

EC U E PB PM PS Z NS NM NB PB NB NB NB NM NM NS Z M NB NM NM NS NS Z PS PS NM NM NS NS Z Z P M Z NM NS Z Z P S PS PB NS NS Z Z P S PM PM PB NM Z Z P S PM PB PB PB NB Z PS PM PB PB PB PB

3.4解模糊與模糊控制表的生成

e*，ec*kuu*采用最大隸屬度法對(duì)模糊輸出語(yǔ)言變量進(jìn)行解模糊。對(duì)模糊輸入語(yǔ)言變量E和EC的模糊論域的所有元素的組合進(jìn)行模糊化、模糊推理、模糊判決、去模糊，得到與輸出語(yǔ)言變量U上的元素與之一一對(duì)應(yīng)的元素，把這些對(duì)應(yīng)關(guān)系編制成表格，生成模糊控制表。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)在每一個(gè)控制周期都將實(shí)測(cè)偏差和偏差變化率分別進(jìn)行量化，將所得量化值通過(guò)查找模糊控制表得到對(duì)應(yīng)的輸出語(yǔ)言變量（如表3-4），再將說(shuō)得輸出語(yǔ)言變量值與比例因子相乘，得到被控對(duì)象實(shí)際控制量的變化值。

表3-4　模糊控制表

3.5硬件的實(shí)現(xiàn)

S7－200PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程控制系統(tǒng)。它不僅具有功能強(qiáng)大的指令集和通信功能，而且具有豐富的配套拓展模塊，拓展性好，價(jià)格低廉。這使得S7－200PLC在連成網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)和獨(dú)立運(yùn)行的控制系統(tǒng)中都能滿(mǎn)足所需的控制任務(wù)。采用S7－200PLC控制器，PLC為CPU224（AC/DC/Relay，120～240V電源輸入，14DI/10DO）擴(kuò)展模塊為模擬量輸入輸出模塊EM235（4AI/1AO）。模糊控制的程序流程圖如圖2-2所示：

圖2-2　模糊控制程序流程圖

模糊控制在PLC上的主要工作是PLC梯形程序圖設(shè)計(jì)。利用EM235模擬量輸入輸出模塊對(duì)螺旋給煤機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣并輸出對(duì)螺旋給煤機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。在PLC內(nèi)部模擬量輸入模塊EM235在采樣時(shí)間對(duì)給煤機(jī)電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，采樣地址分別是AIW0、AIW4。將采樣后后的電流、轉(zhuǎn)速模擬量存入VW20、VW22。利用PLC的計(jì)算功能將給定量與實(shí)際值進(jìn)行計(jì)算的到偏差e、ec，e，ec的地址是VW20、VW22。將e、ec分別與Ke、Kc進(jìn)行計(jì)算，其中Ke、Kc分別置于地址VW44、VW46中。將模糊化后E和EC分別置入VW50、VW52。計(jì)算得出模糊控制量U放置于VW 54，解模糊得到的精確控制量u放入VW64中。模糊控制量表的查詢(xún)是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用基址尋址+變址尋址的尋址方式將模糊控制量表中U的控制結(jié)果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC的數(shù)據(jù)寄存（保持）區(qū)VB72—VB142。，通過(guò)模糊控制量表的查詢(xún)得到模糊控制量U，經(jīng)過(guò)解模糊運(yùn)算、乘以位于VBW43的Ku可得到精確的控制量u。通過(guò)模擬通量輸出通道AQW0輸出，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出。

4　應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益

系統(tǒng)投入運(yùn)行半年以來(lái)非常穩(wěn)定，爐膛溫度過(guò)高、溫度下降、熄火、結(jié)焦的故障明顯減少。因熄火重新點(diǎn)燃鍋爐次數(shù)明顯減少，節(jié)約費(fèi)用約2萬(wàn)多元，燃煤費(fèi)用減少了13多萬(wàn)元。運(yùn)行一年來(lái)節(jié)約材料費(fèi)、人工費(fèi)共計(jì)用17萬(wàn)元。不僅提高了鍋爐的燃燒效率，而且減少了煤炭用量，達(dá)到了節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行的目的。

5　總體性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外、集團(tuán)公司內(nèi)其他單位技術(shù)的比較

模糊控制是一種人工智能的控制方式，其控制策略為模擬人工智能的控制方法，屬于國(guó)內(nèi)先進(jìn)的控制技術(shù)。

6　存在問(wèn)題及推廣應(yīng)用前景

對(duì)于我廠控制點(diǎn)不多、建模困難的一些工段，相比傳統(tǒng)DCS-PID控制，模糊控制具有更好的魯棒性和適應(yīng)性。對(duì)于被控變量多、被控變量具有非線(xiàn)性、時(shí)滯、時(shí)變和建模困難等特點(diǎn)的控制，模糊控制的控制效果明顯好于傳統(tǒng)的PID控制，是的一種較為理想、適用的控制方式。PLC控制系統(tǒng)與模糊技術(shù)相結(jié)合，這控制系統(tǒng)不僅具有簡(jiǎn)便可靠、適應(yīng)能力強(qiáng)智能化程度高的特點(diǎn)，同時(shí)又以小成本構(gòu)建系統(tǒng)完成了DCS系統(tǒng)的控制任務(wù)，此項(xiàng)技術(shù)在涉及到模糊控制的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有極強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景。