基于PLC的鍋爐加藥自動(dòng)控制系統的設計

1 引言

目前，我國對大型鍋爐的給水與蒸汽質(zhì)量指標要求十分嚴格，因而需要對爐水品質(zhì)連續監控。測量pH值大多采用傳統的PID控制算法．但在反應過(guò)程中，因其中和點(diǎn)附近的高增益使得難以調整傳統PID控制器參數。因此只能采用很小的比例增益，否則系統不穩定，而比例增益過(guò)小，又將使系統的動(dòng)態(tài)特性變壞。對于鍋爐給水加藥測控裝置，已經(jīng)實(shí)現了加藥系統的自動(dòng)化，但無(wú)自動(dòng)配藥設備，仍需根據汽水實(shí)驗室的化驗結果人工配藥，這樣不僅工作強度大，而且所加的氨、聯(lián)胺均屬有劇毒易揮發(fā)物質(zhì)，會(huì )給操作者造成嚴重危害，并導致環(huán)境污染。為此，提出變增益三區段非線(xiàn)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)對帶有時(shí)滯的pH值中和過(guò)程進(jìn)行數字仿真，結果表明，這兩種控制算法均具有魯棒性強，響應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(chǎng)的實(shí)際應用，已實(shí)現了鍋爐給水配藥、加藥系統的全自動(dòng)控制。

2 pH值控制方法的研究

2．1 常規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(xiàn)性組合的控制方式。圖1為常規的PID控制系統。其中，r為參考輸入信號；PID為控制器；P為被控對象模型；d為干擾量；e(k)為系統誤差；u(k)為控制量；pH(k)為被控過(guò)程輸出量。由圖可見(jiàn)，常規PID控制中的比例作用實(shí)際上是一種線(xiàn)性放大或縮小作用，很難適應酸堿中和過(guò)程中被控對象非線(xiàn)性的特點(diǎn)。

2．2 變增益三區段非線(xiàn)性PID控制

將pH值變化按拐點(diǎn)分為：一個(gè)高增益區和兩個(gè)增益系數不同的低增益區。高增益區控制器采用較低增益；低增益區控制器采用不同的高增益，以滿(mǎn)足系統期望的性能指標。此外為防止積分飽和，采用帶死區和輸出限幅的PID控制算法。

2. 3 模糊控制

模糊控制算法概括為：根據本次采樣得到的系統輸出值，計算出輸入變量；將輸入變量的精確量變?yōu)槟：?；根據輸入變?模糊量)及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量(模糊量)；由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。

3 電廠(chǎng)鍋爐給水加藥控制系統

某發(fā)電廠(chǎng)共有4臺300 MW的發(fā)電機組，分為兩個(gè)單元，一單元為1#、2#機組，二單元為3#和4#機組。每個(gè)單元加藥計量泵包括鍋爐補給水(生水經(jīng)各種水處理方式凈化后．用于補充火力發(fā)電廠(chǎng)的汽水損失)和爐水兩種用水?，F以二單元為例，加藥系統采用兩用一備共3臺加藥計量泵，即3#和4#機組各用l臺加藥計量泵，當其中l臺出現故障時(shí)切換到備用泵。在該系統中通過(guò)檢測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，當其中1臺機組的pH值低于9.4時(shí)，啟動(dòng)相應機組的加藥泵。此時(shí)，磷酸鹽加藥箱內的磷酸鹽溶液經(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))被泵入相應機組的除氧器出水管加藥點(diǎn)。若3#機組的加藥計量泵出現故障，則打開(kāi)備用泵與其相連管道上的閥門(mén)，備用泵接替3#機組的加藥計量泵，為3#機組的爐水加藥；4#機組亦然。由于爐水中加入了適當的磷酸鹽及氫氧化鈉，可提高爐水的緩沖性能，并有利于維持爐水pH值的穩定性，從而防止鍋爐水冷壁的結垢和腐蝕。

該系統將爐水水樣經(jīng)過(guò)減溫減壓裝置引入磷酸表及pH表探頭進(jìn)行測量，經(jīng)過(guò)模擬量轉換，再經(jīng)控制系統PID運算后控制變頻器輸出，控制加藥泵轉速，從而實(shí)時(shí)控制爐水的加藥量，使爐水的磷酸根濃度與pH較好地保持在合格的范圍內。圖2給出其控制流程圖。該控制分為調節器、執行器、被控對象及變送器4部分。其中，調節器由S7-200 PLC和相應控制軟件組成；執行器由變頻器、電機和計量泵組成；被控對象為爐水；變送器采用分析儀表，即pH表。

3．1 控制流程

圖3給出3#機組的爐水加藥控制系統。該系統從在線(xiàn)分析儀表(磷酸根表、pH表)中提取4~20mA信號，根據運行工藝參數和確定的數學(xué)模型進(jìn)行窗口式PID復合運算，中間結果送變頻器，控制加藥泵加藥量以實(shí)現加藥的自動(dòng)閉環(huán)調節。

3．2 控制系統組成

該控制系統選用上位機軟件WinCC+西門(mén)子PLC的組合方案。PLC系統通過(guò)PorfiBus總線(xiàn)方式與上位機WinCC連接。如圖4所示。其中上位監控部分由工業(yè)計算機(WinCC)來(lái)完成。監控工作人員可通過(guò)CRT實(shí)時(shí)監控系統的運行狀況．設定或修改系統的運行參數，同時(shí)通過(guò)CRT遠程軟件控制系統運行。上位工控機進(jìn)行數據處理和管理，并與MIS系統等聯(lián)網(wǎng)。上位機可對控制器進(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、設定算法參數、設定控制量的設定點(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)加藥控制系統的核心，用于采集相應的水質(zhì)數據。由于化學(xué)加藥系統具有純滯后性質(zhì)，會(huì )導致控制作用不及時(shí)，引起系統產(chǎn)生超調或振蕩，而利用計算機可方便實(shí)現滯后補償。采用改進(jìn)的數字PID控制算法和模糊控制算法，使控制器利用輸出控制信號調節現場(chǎng)的交流變頻器，進(jìn)而控制電機的轉速，以調節加藥泵。電氣部分的控制方式設計為遠程和本地兩種，以實(shí)現手動(dòng)／半自動(dòng)／自動(dòng)三種功能，后兩種功能由上位機切換。

4 IFC算法的濾波處理應用

控制系統中．濾波程序的基本原理是在周期內連續采樣5個(gè)數值，并求出其平均值采集當前值，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)際情況設定的信號波動(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。用當前采樣的X6替換X5，然后用這5個(gè)新數值再求X，進(jìn)行比較，如此循環(huán)執行該程序即可實(shí)現濾波功能。圖5為采用濾波程序后，放大了的pH值趨勢，由此可見(jiàn)，濾波效果良好。圖6給出控制操作界面圖。

5 結語(yǔ)

實(shí)踐證明．基于PLC的化學(xué)自動(dòng)加藥控制系統可靈活滿(mǎn)足各類(lèi)化學(xué)加藥系統的在線(xiàn)監控。該系統投運以來(lái)，運行穩定、可靠、鍋爐及輔機設備能全面實(shí)現自動(dòng)調節，達到了預期效果，解決了以往手動(dòng)控制難保證水質(zhì)指標穩定的問(wèn)題，減輕了運行人員的工作強度，得到一致好評。