基于PLC的工业锅炉自动负荷调节系统设计.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备1942023 年第 7 期总第 320 期基于 PLC 的工业锅炉自动负荷调节系统设计潘昊1,2（1.北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013；2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）摘要：负荷调节是锅炉燃烧控制的重要组成部分，直接影响系统的经济型和安全性。基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）设计了一种工业锅炉自动负荷调节系统，介绍系统架构和硬件选型，并详细阐述了控制策略和控制程序设计。系统通过分析历史运行数据建立负荷映射表，采用分级自适应匹配算法能够实时监测锅炉运行状态，并根据设定负荷自动调节燃烧量及配风量，实现了对锅炉的自动负荷调节，可保证锅炉运行的稳定性和安全性。实验结果表明，该系统具有较高的可靠性和实用性。关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；工业锅炉；自动负荷调节；稳定性；安全性Design of PLC-Based Automatic Load Regulation System for Industrial BoilersPAN Hao1,2(1.Beijing Tiandi Rongchuang Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013;2.National Energy Technology and Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013)Abstract:Load regulation plays a critical role in the control of boiler combustion,as it directly affects the safety and economic viability of the system.An automatic load regulation system for an industrial boiler based on Programmable Logic Controller(PLC)technology is designed.The system structure and hardware selection are introduced,followed by a detailed explanation of the control strategy and program design.By analyzing historical operating data and establishing a load mapping table,the system utilizes a hierarchical adaptive matching algorithm to monitor the boiler operation status in real-time and automatically adjust the fuel and air supply according to the set load,achieving automatic load regulation of the boiler and ensuring its stability and safety.Experimental results show that the system has high reliability and practicality.Keywords:Programmable Logic Controller(PLC);industrial boiler;automatic load regulation;stability;safety锅炉是工业生产和生活广泛使用的一种热力设备，主要用于加热、供暖和产生蒸汽。作为热力、发电装置的重要组成部分，它的稳定运行对电力、工业系统的正常运行具有重要意义。锅炉的燃烧效率和安全性直接关系能源利用效率和工业生产效益1。在锅炉运行过程中，负荷变化会对其燃烧效率和污染物排放产生重要影响2。如何对锅炉的负荷进行调节，是锅炉运行控制的关键问题。传统的锅炉负荷调节一般采用人工调节方式3，即通过手动配合局部比例-积分-微分（Proportion Integral Differential，PID）等方式来调节锅炉的燃料量、配风量4。这种方式不仅效率低下，而且容易出现人为误操作导致的安全事故5。同时，由于锅炉燃烧属于非线性、大延迟、强耦合模型6-7，传统的PID 算法逐渐不能适应复杂多变的运行环境8。为了解决这些问题，基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）设计了一种工业锅炉自动负荷调节系统。1系统设计1.1系统结构系统的硬件结构如图 1 所示，主要由 PLC 控制器、传感器、执行机构、人机交互界面等组成。系统采用3 层结构实现，即采集层、控制层和人机交互层。人机PLC控制器交互界面工业交换机状态监测负荷设定连锁报警传感器执行机构图 1系统结构采集层主要由传感器组成，用于采集锅炉运行状态数据，实时监测锅炉状态，主要参数包括炉膛温度、炉膛压力、燃料供给量、二次风流量、氧含量以及汽包液位等参数。基金项目：煤科院节能技术有限公司科技发展基金项目“工业锅炉负荷自动控制系统开发及应用”（2022JNCX-03）。195自动化与控制控制层主要由 PLC 和执行器组成。PLC 作为系统的核心控制器，负责处理传感器采集的数据，并根据控制算法确定燃烧器的燃烧量和配风量，输出相应的控制信号控制执行器的运动。执行器包括供料器、风机变频器及风量调节阀等，以实现对锅炉负荷的 调节。人机交互层主要由工控机及操作组态界面软件组成，用于显示锅炉的运行状态和人机交互操作。操作界面显示锅炉运行参数、连锁报警参数、锅炉当前负荷及锅炉目标负荷设定接口，方便操作人员对锅炉运行状态进行监测和调节。操作界面设置自动/手动切换开关，在出现异常状况时可切换为手动模式，保留操作人员的最高操作权限。1.2控制策略系统采用分级自适应匹配算法进行锅炉的自动负荷调节，基本思想是采用 PLC 程序模拟人工手动负荷调节过程。通过分析锅炉历史运行数据，根据以往人工调节时各负荷状态下的稳态运行点数据，建立锅炉燃料量配风量负荷的匹配关系表，将锅炉运行从最低负荷最高负荷均匀分为多个档位，将负荷、燃料量、配风量进行映射形成各自的档位表，确定各档位相应的负荷、供料量和配风量区间，进而逐档位进行步进调节，降低纯 PID 控制的大延迟和超调振荡等缺陷，具体控制流程如图 2 所示。启炉核查锅炉核心运行参数判断当前负荷档位YN炉膛压力PID连锁停机参数超限NY设定档位=当前档位目标负荷满足档位区间，稳定运行供料器供料量1挡延迟安全时间风机频率调节风阀开度调节供料量燃料量档位表燃料量负荷风量对应表负荷档位表风量档位表判断目标负荷档位氧含量PID图 2控制流程锅炉启动后，在每个控制循环的开始先判断运行状态是否稳定。若相关安全参数超限，则退出循环并连锁停机。通过当前供料量查询燃料量档位表获取当前档位值，由人机界面设定的目标负荷查询负荷档位表获取目标档位值。若目标档位大于当前档位，则相应的增加供料器供料量，每个控制循环内增加一档，同时根据风量档位表调节风机频率和风阀开度，此时锅炉燃烧负荷提升一档。为保证安全性，待延迟一段安全时间燃烧状态稳定后进行下一周期操作，如此循环直至当前档位等于目标档位，则进入稳态运行阶段。此时，若锅炉燃烧存在一定波动，则通过氧含量 PID和炉膛负压 PID 来微调风机频率和风阀开度，确保锅炉稳定运行（目标档位小于当前档位时，相应减档操作同上）。现 代 制 造 技 术 与 装 备1962023 年第 7 期总第 320 期2系统实现在工业自动化领域，PLC 具有高可靠性、强抗干扰能力和灵活的编程功能9。控制系统采用西门子S7-300 系列 PLC 作为主控制器，并组态以太网通信模块以及 Profibus-DP 总线模块，用以与人机交互上位机、变频器等通信10，同时配备工业交换机。系统主要硬件配置表如表 1 所示。表 1PLC 系统硬件配置表序号设备名称规格型号功能1CPUS7-300 CPU315-2DP核心逻辑运算2扩展模块Et200m IM153-1Profibus-DP 通信3通信模块CP 343-1 Lean工业以太网通信4AI 模块SM 331812 bit 模拟量信号输入模块5AO 模块SM 332812 bit 模拟量信号输出模块6DI 模块SM 32132 位数字量输入模块7DO 模块SM 32232 位数字量输出模块为保证系统参数测量和执行的稳定性，采用较高精度的传感器。主要测控设备选型如表 2 所示。表 2系统测控设备配置表序号设备名称规格型号1温度传感器PT100 热电阻 WZP-2302温度传感器K 型热电偶 WRNB-2323压力传感器智能型差压变送器4风流量传感器巴式流量计5氧含量传感器氧化锆探头6电机驱动器ABB ACS-510 变频器3系统测试系统在生产环境中进行测试，测试对象为一台20 t h-1燃气型蒸汽锅炉。通过设定目标负荷，分别测试锅炉从启炉负荷升至 100%负荷、100%负荷降至停炉负荷以及各中间负荷间的增减，记录锅炉各项参数的变化。测试结果表明，系统能够实时监测锅炉运行状态，准确判断当前负荷级别，并自动调节燃烧器燃烧量和配风量，能够稳定维持锅炉负荷处于目标范围内，如图 3 所示。同时，人机交互界面显示清晰，操作简单方便，易于实际应用。m3 h-11 340.4 m3 h-11 457.014 136 m3 h-1757.3 57 Pa 668 S 图 3测试界面4结语文章设计了一种基于 PLC 的锅炉自动负荷调节系统，通过采用分级自适应匹配算法，实现了对锅炉负荷的自动调节。测试结果表明，系统能够快速、准确地响应锅炉负荷的变化，具有稳定性好、鲁棒性强等优点，可以为锅炉的自动化控制提供一种有效的解决方案。参考文献1 曹英华.济南北郊热电厂热电机组与热水锅炉供热优化运行调度 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.2 吴笑妍.电站锅炉燃烧效率预测控制算法与系统 D.吉林：东北电力大学，2019.3 张国民，王彦飞，李金.煤粉锅炉负荷控制与燃烧优化技术研究与应用 J.自动化博览，2021（5）：120-123.4 王震.PID 控制技术在锅炉技术应用中的研究现状 J.民营科技，2016（4）：36.5 周文鑫.运行误操作引起机组跳闸的事故分析 J.电力安全技术，2019（4）：28-30.6李丰泽.循环流化床锅炉燃烧系统优化控制策略研究D.太原：太原理工大学，2022.7 王永红.基于自适应采样模糊控制技术的循环流化床锅炉负荷自动调节系统 J.制造业自动化，2011（1）：26-28.8 刘文旭，李德英，周佳.燃煤锅炉负荷控制运行策略 J.区域供热，2013（4）：11-14.9 施巍鹏.PLC 在工业自动化控制领域中的应用及发展 J.电子元器件与信息技术，2021（12）：60-62.10 柏宁娟，王婷，张娜.西门子 PLC 控制系统与第三方设备之间的通讯方式 J.电子技术与软件工程，2016（7）：39.