论文部分内容阅读
摘 要：锅炉作为生产企业重要的动力装置，为化工生产提供了足够的蒸汽，由于蒸汽冷凝特性，蒸汽不能直接进行存储，必须通过压力变化进行调整。本文结合我国基于PLC的蒸汽压力控制，对锅炉蒸汽压力控制原理和过程进行了简要的阐述和探讨。
关键词：PLC控制 锅炉 蒸汽压力
随着市场经济不断发展，节能减排越来越受到社会关注，在工业生产中，蒸汽主要来自于蒸汽锅炉，运行状况直接影响能源利用。PLC（可编程序控制），是随着现代社会生产方式以及科学技术不断进步，为了适应小批量、多品种的生产需要不断生产发展的工业控制装置。新形势下，随着电子技术不断发展，PLC各种功能模块得到完善，在增强传统CPU位数以及运算速度的同时，开发出适应运动控制、过程控制的特殊功能模块；同时，通信功能和网络也得到完善。PLC不仅可以连接通用输入、输出设备以及传统编程，通过总线还能形成网络系统，应用范围包括工业自动化的全部区域。另外，由于工业条件限制，企业只能依靠自身建设锅炉产生蒸汽，满足生产需要。因此，在企业建设中，锅炉多以中小型为主，增强蒸汽锅炉热效率水平成为蒸汽锅炉自动控制的主要任务。
一、PLC组成的锅炉控制系统以及锅炉蒸汽压力控制系统
1.PLC组成的锅炉控制系统
根据调查显示，我国目前自动控制系统，由于PLC种类繁多，各种PLC都具有相应特点，在已投产的企业中，主要以性价比较好的S7-300组成相应的控制系统为主。S7-300主要有以下特点：循环周期短、运算速度快，逻辑指令在执行时间最快可以达到0.05us；编程功能强，可用于复杂功能控制和编程，一般采用STEP7-Lite以及STEP7等编程软件，通过多种编程语言编程；通讯功能强，S7-300系列CPU模块通常带有标准RS-485/422串行接口，支持MPI多点通信；扩展性能良好，S7-300PLC拥有众多开关量I/O扩展模块，以及特殊功能模块为用户提供选择，增强了PLC控制性能。
在实际应用中PLC主要由模拟信号输入部分（数据采集）、连续控制输出部分（模拟量输出）、开关量输入部分（外围状态输入）、开关量输出（外围设备工作状态控制）。从而根据实际需要PLC的I/O点进行对应配置，实现锅炉蒸汽压力控制目标。
2.锅炉蒸汽压力控制系统
本单位锅炉的工作流程，主要将煤能量转换成蒸汽能量，在此过程中炉内温度、汽包压力、汽包液位、蒸汽流量等关键参数是监控的重点，其中蒸汽的压力是关系到蒸汽质量，生产安全的重中之重。压力属于反应迅速、热惯性小的快对象，影响此参数的其它变量如：炉温、水温、液位等则属于热惯性大、反应迟缓的慢对象。在加上燃烧煤种多样等特点这大大增加了控制的困难程度。
对于负荷为超过20t/h的蒸汽锅炉，主要采用三冲量锅炉汽包给水自动调节系统。该调节系统的主要原理为：首先以汽包水位作为主调节信号，蒸汽量作为调节器的前反馈信号，然后给与一定量的水流，从而为调节器的反馈信号组成调节系统。本调节系统中，主要采用的是蒸汽流量信号，它不仅能够克服外扰影响，而且还能够调节内扰影响，从而使得给水调节质量波动幅度明显增小。降低出口蒸汽压力的波动。
基于蒸汽压力和给定值偏差的调节策略主要包括：基于蒸汽压力和给定值偏差的单回路调节策略和基于蒸汽压力和给定值偏差以及中间导前信号双回路调节策略。在调节策略过程中主要采用：FUZZY-PID符合调节规律、PID规律以及其他规律。一般情况下，主要采用蒸汽压力和给定值偏差调节策略，以偏差作为信号调整燃料量；在控制规律方面主要运用PID调整规律。
二、基于PLC的锅炉蒸汽压力控制原理以及控制算法
1.基于PLC的锅炉蒸汽压力控制原理
当PLC投入运行之后，主要包括采样、用户程序执行以及输出刷新三个步骤，完成三个步骤称为一个扫描周期；在实际运行中，PLC和CPU必须以一定的扫描速度进行。输入采样阶段，PLC主要以扫描的方式依次进行数据和状态输入，再存入映像区单元；当输入为脉冲信号时，信号宽度必须根据相应要求大于扫描周期，保障输入顺利读入。
在用户程序执行中，PLC必须按照由上到下的顺序进行用户程序扫描；在扫描梯形图时，按照先左后右、线上后下的顺序对各个触点控制线路进行对应的逻辑运算，根据逻辑运算结果刷新RAM系统存储区。或者执行相关指令。在输出刷新阶段中，扫描用户程序结束，PLC进入相关输出刷新阶段，在这个过程中，CPU主要按照映像区对应状态以及数据刷新所有输出电路，经过输出电路驱动对应外设，从而保障PLC真正输出。
2.基于PLC的锅炉蒸汽压力控制算法
为了有效解决锅炉蒸汽压力控制精度和系统稳定性，必须将比例积分PI和比例微分PD进行组合，形成相应的“校正网络”，也称PID调节，PID调节主要包括PD、PI特性曲线；在实际应用中，适当PD、PI调节，是控制系统参数稳定的重要保障。
在PID调节中，PID调节器作为可自动调节的放大器；动态时，为了有效防止系统出现振荡和超调，放大系数比较低；静态时，为了捕捉小误差信号，增强控制精度，放大系数较高。在PID控制算法中，锅炉蒸汽压力控制主要通过偏差控制算法，通过求出蒸汽压力和实际最佳蒸汽压力需求偏差值，对偏差进行处理，获得相应控制信号进行锅炉燃烧系统喷燃器步进电机转速。从而有效调节锅炉炉膛燃烧煤量；将蒸汽量转换成蒸汽压力控制。同时，喷燃器通过输送空气和煤粉，让喷燃器中央电机转速越快，单位时间喷入炉壁煤粉越多，从而保障良好混合、迅速燃烧以及均匀炉壁。例如：蜗壳式喷燃器，具有良好的导向作用，让气流形成涡流，由蜗壳式喷燃器气流进行螺旋前进，保证煤粉稳定燃烧。
3.锅炉燃烧自动控制系统优点
锅炉自动控制系统采用PLC为主要控制元件，对锅炉生产过程实现快速、准确的控制，从而达到节省人力、物力，提高锅炉热效率和节省能源的目的。
三、结束语
基于PLC的锅炉蒸汽压力控制作为锅炉控制的重要环节，在设计阶段必须对锅炉进行详细了解。通过传统蒸汽压力控制方法分析，将PLD算法准确的运用到蒸汽压力控制中。根据蒸汽压力控制难等特点，重点考虑燃料量，从根本上简化控制系统，增强经济利润和使用效益。
参考文献
[1] 陶旋烽.基于PLC的锅炉蒸汽压力的控制[J].科学时代，2012，（10）.
[2] 唐永耀.锅炉控制及PLC应用[D].合肥工业大学，2006.
[3] 陆文一.基于PLC的锅炉燃烧控制系统设计[D].上海交通大学，2010.
[4] 王子龙.基于模糊控制的取暖锅炉控制器设计[D].东北大学，2005.
[5] 于海兴.基于PLC和WINCC的锅炉控制系统[J].青岛远洋船员学院学报，2006，27（2）：14-18.
关键词：PLC控制 锅炉 蒸汽压力
随着市场经济不断发展，节能减排越来越受到社会关注，在工业生产中，蒸汽主要来自于蒸汽锅炉，运行状况直接影响能源利用。PLC（可编程序控制），是随着现代社会生产方式以及科学技术不断进步，为了适应小批量、多品种的生产需要不断生产发展的工业控制装置。新形势下，随着电子技术不断发展，PLC各种功能模块得到完善，在增强传统CPU位数以及运算速度的同时，开发出适应运动控制、过程控制的特殊功能模块；同时，通信功能和网络也得到完善。PLC不仅可以连接通用输入、输出设备以及传统编程，通过总线还能形成网络系统，应用范围包括工业自动化的全部区域。另外，由于工业条件限制，企业只能依靠自身建设锅炉产生蒸汽，满足生产需要。因此，在企业建设中，锅炉多以中小型为主，增强蒸汽锅炉热效率水平成为蒸汽锅炉自动控制的主要任务。
一、PLC组成的锅炉控制系统以及锅炉蒸汽压力控制系统
1.PLC组成的锅炉控制系统
根据调查显示，我国目前自动控制系统，由于PLC种类繁多，各种PLC都具有相应特点，在已投产的企业中，主要以性价比较好的S7-300组成相应的控制系统为主。S7-300主要有以下特点：循环周期短、运算速度快，逻辑指令在执行时间最快可以达到0.05us；编程功能强，可用于复杂功能控制和编程，一般采用STEP7-Lite以及STEP7等编程软件，通过多种编程语言编程；通讯功能强，S7-300系列CPU模块通常带有标准RS-485/422串行接口，支持MPI多点通信；扩展性能良好，S7-300PLC拥有众多开关量I/O扩展模块，以及特殊功能模块为用户提供选择，增强了PLC控制性能。
在实际应用中PLC主要由模拟信号输入部分（数据采集）、连续控制输出部分（模拟量输出）、开关量输入部分（外围状态输入）、开关量输出（外围设备工作状态控制）。从而根据实际需要PLC的I/O点进行对应配置，实现锅炉蒸汽压力控制目标。
2.锅炉蒸汽压力控制系统
本单位锅炉的工作流程，主要将煤能量转换成蒸汽能量，在此过程中炉内温度、汽包压力、汽包液位、蒸汽流量等关键参数是监控的重点，其中蒸汽的压力是关系到蒸汽质量，生产安全的重中之重。压力属于反应迅速、热惯性小的快对象，影响此参数的其它变量如：炉温、水温、液位等则属于热惯性大、反应迟缓的慢对象。在加上燃烧煤种多样等特点这大大增加了控制的困难程度。
对于负荷为超过20t/h的蒸汽锅炉，主要采用三冲量锅炉汽包给水自动调节系统。该调节系统的主要原理为：首先以汽包水位作为主调节信号，蒸汽量作为调节器的前反馈信号，然后给与一定量的水流，从而为调节器的反馈信号组成调节系统。本调节系统中，主要采用的是蒸汽流量信号，它不仅能够克服外扰影响，而且还能够调节内扰影响，从而使得给水调节质量波动幅度明显增小。降低出口蒸汽压力的波动。
基于蒸汽压力和给定值偏差的调节策略主要包括：基于蒸汽压力和给定值偏差的单回路调节策略和基于蒸汽压力和给定值偏差以及中间导前信号双回路调节策略。在调节策略过程中主要采用：FUZZY-PID符合调节规律、PID规律以及其他规律。一般情况下，主要采用蒸汽压力和给定值偏差调节策略，以偏差作为信号调整燃料量；在控制规律方面主要运用PID调整规律。
二、基于PLC的锅炉蒸汽压力控制原理以及控制算法
1.基于PLC的锅炉蒸汽压力控制原理
当PLC投入运行之后，主要包括采样、用户程序执行以及输出刷新三个步骤，完成三个步骤称为一个扫描周期；在实际运行中，PLC和CPU必须以一定的扫描速度进行。输入采样阶段，PLC主要以扫描的方式依次进行数据和状态输入，再存入映像区单元；当输入为脉冲信号时，信号宽度必须根据相应要求大于扫描周期，保障输入顺利读入。
在用户程序执行中，PLC必须按照由上到下的顺序进行用户程序扫描；在扫描梯形图时，按照先左后右、线上后下的顺序对各个触点控制线路进行对应的逻辑运算，根据逻辑运算结果刷新RAM系统存储区。或者执行相关指令。在输出刷新阶段中，扫描用户程序结束，PLC进入相关输出刷新阶段，在这个过程中，CPU主要按照映像区对应状态以及数据刷新所有输出电路，经过输出电路驱动对应外设，从而保障PLC真正输出。
2.基于PLC的锅炉蒸汽压力控制算法
为了有效解决锅炉蒸汽压力控制精度和系统稳定性，必须将比例积分PI和比例微分PD进行组合，形成相应的“校正网络”，也称PID调节，PID调节主要包括PD、PI特性曲线；在实际应用中，适当PD、PI调节，是控制系统参数稳定的重要保障。
在PID调节中，PID调节器作为可自动调节的放大器；动态时，为了有效防止系统出现振荡和超调，放大系数比较低；静态时，为了捕捉小误差信号，增强控制精度，放大系数较高。在PID控制算法中，锅炉蒸汽压力控制主要通过偏差控制算法，通过求出蒸汽压力和实际最佳蒸汽压力需求偏差值，对偏差进行处理，获得相应控制信号进行锅炉燃烧系统喷燃器步进电机转速。从而有效调节锅炉炉膛燃烧煤量；将蒸汽量转换成蒸汽压力控制。同时，喷燃器通过输送空气和煤粉，让喷燃器中央电机转速越快，单位时间喷入炉壁煤粉越多，从而保障良好混合、迅速燃烧以及均匀炉壁。例如：蜗壳式喷燃器，具有良好的导向作用，让气流形成涡流，由蜗壳式喷燃器气流进行螺旋前进，保证煤粉稳定燃烧。
3.锅炉燃烧自动控制系统优点
锅炉自动控制系统采用PLC为主要控制元件，对锅炉生产过程实现快速、准确的控制，从而达到节省人力、物力，提高锅炉热效率和节省能源的目的。
三、结束语
基于PLC的锅炉蒸汽压力控制作为锅炉控制的重要环节，在设计阶段必须对锅炉进行详细了解。通过传统蒸汽压力控制方法分析，将PLD算法准确的运用到蒸汽压力控制中。根据蒸汽压力控制难等特点，重点考虑燃料量，从根本上简化控制系统，增强经济利润和使用效益。
参考文献
[1] 陶旋烽.基于PLC的锅炉蒸汽压力的控制[J].科学时代，2012，（10）.
[2] 唐永耀.锅炉控制及PLC应用[D].合肥工业大学，2006.
[3] 陆文一.基于PLC的锅炉燃烧控制系统设计[D].上海交通大学，2010.
[4] 王子龙.基于模糊控制的取暖锅炉控制器设计[D].东北大学，2005.
[5] 于海兴.基于PLC和WINCC的锅炉控制系统[J].青岛远洋船员学院学报，2006，27（2）：14-18.