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基于西门子 PLC 的气力除灰控制系统改进优化设计

时间:2021-08-22 20:32:30来源:荏原环境设备有限公司 蔡大伟

导语:​本文主要介绍了通过气力除灰系统、锅炉除渣控制系统的实现,通过对气力除灰系统进行研究,根据偏差大小对控制系统的影响,设计了变速积分增量式 PID 控制器。针对除灰系统运行过程中管道内灰量的变化引起电机负载变化导致物料不能被顺利输送的问题,将增量式 PID 控制技术引入气力除灰控制系统中 . 把组态王强大的监控和显示功能与西门子 1200 系列可编程控制器(PLC)的现场控制完美的结合在一起,利用以太网通信协议实现上位机与下位机的关联,形成了完整的工业过程组态模拟控制系统。通过仿真驱动电机转速与时间的响应曲线 , 对于变速积分增量式 PID 控制器达到匀速的时间为 0.3s, 在快速性和稳定性上都明显优于传统 PID 控制器。

       1 引言

  上世纪五、六十年代,我国火电厂输灰系统都比较简单,几乎均为低浓度的水力输灰,即所谓的“3泵2管1沟” 的单一模式。为了节水,加强环境保护,减少灰场用地和投资,以及灰渣综合利用等方面的要求,渐渐向多类型探索发展,先后发展了高浓度水力输灰、机械输灰和气力输灰技术。气力输送技术应用于燃煤电厂约始于上世纪20年代,主要用于除尘器区域的干灰输送。但直到50年代中后期,国内少数燃煤电厂才开始接触使用气力输送系统,主要是负压形式;60年代以后,仓式气力输送技术开始得到应用;直到进入80年代,国内众多电厂开始陆续引进国外各种类型的输送设备及相关技术,气力输送技术在火电厂行业开始得到蓬勃发展。

  燃煤电厂在我国电力工业的发展中起着很大的作用, 其发电量占我国总发电量的80%以上。但是它在为我们提供充足电力的同时,也污染破坏环境,发电厂在发电过程中,将产生大量的工业废弃物(飞灰或粉煤灰)。为了保证锅炉系统的安全运行,同时为了保护环境,必须及时将这些粉煤灰清除运走,并将废物综合利用。目前广泛采用气力除灰系统,并且对燃煤电厂提出了提高除尘效率和粉煤灰综合利用的要求。而在实际运行中,输灰系统运行的稳定可靠性欠佳,运行故障发生的原因及部位也多种多样,造成除尘效率下降、气力输灰系统停运,使烟尘排放超标,灰水污染环境,影响电厂的正常生产。

  气力除灰系统用于将燃煤电厂在发电过程中产生的大量工业废弃物(飞灰或粉煤灰)清除运走。气力输送是以压缩空气为载体,与粉粒状物料在一定混合比的情况下,在密闭管道内通过气力由一处送往另一处的输送方式。气力除灰输送技术应满足整个机组的快速性、高精度和高自动化的要求,目前大多数输送系统控制回路仍采用传统PID控制器。但传统的PID 控制器难于协调快速性和稳定性之间的矛盾,在相当多的情况下,不能取得令人满意的效果,近年来气力输送技术的设计吸收新的控制思想并利用计算机的优势,形成了模糊PID、自适应PID、智能PID、变速积分PID等多种控制器,取得了较为满意的效果。

  在电厂辅助系统中主要包括化学补给水处理系统、输煤系统、除渣系统和除灰系统等,这些系统的工艺流程多以顺序控制和开关控制为主,采用可编程控制器PLC构成独立的控制子系统单独工作。同时,PLC控制系统通过相应的通信模块挂在分散控制系统DCS通信总线上,实现数据通信,以便DCS系统掌握各辅助工艺系统情况,协调全厂工作。文中设计了一种基于PLC的变速积分增量式PID控制器,通过偏差大小不断改变积分项的累加速度,实现了对电机实时调速的控制。

  2 气力输送技术的工艺流程

  气力输送是以压缩空气(或其它气体)为载体,与粉粒状物料在一定混合比的情况下,在密闭管道内通过气力由一处送往另一处的输送方式。气力除灰系统的主要任务是以仓泵为发送器,以压缩空气作动力,沿除灰管道将电除尘器搜集的飞灰干法送至灰库,然后把灰库里的干灰用车装运,或者搅拌成湿灰用汽车外运。

  除灰系统为单元制布置,每单锅炉1个单元系统,每个单元系统主要分为6部分:电除尘器、灰斗、仓泵、灰斗气化管路、仓泵进气管路、输灰管路。仓泵是除灰系统的主要设备,由进料圆顶阀、出料圆顶阀、泵本体、进气装置、排气平衡阀、压力开关、料位计等组成。

  ①进料阶段。排气平衡阀打开,进料圆顶阀打开,物料下落填充泵体,进气阀和出料阀保持关闭状态。

  ②增压阶段。当仓泵内料位高度达到或到达设定填充时间时,进料圆顶阀和排气平衡阀关闭,进料圆顶阀密封圈充气密封,进气阀组打开,压缩空气进入泵内,压力升高至设定值上限。

  ③输送阶段。出料圆顶密封圈泄压,打开出料圆顶阀, 输送物料,压缩空气将灰从仓泵输送至灰库。

  ④清扫阶段。在进气管线上设定压力开关,当压力下降到设定的下限值,表面输灰结束,吹扫几秒后,关闭压缩空气入口阀,系统复位等待下一次循环。

  同一列仓泵,要错开循环,当一半仓泵在进料时,另一半正在出料。仓泵的交替工作循环保证进入输送管的飞灰流量均衡。

  3 控制模型建立

  为了保证稳定最佳的输送速度,并使电机在管道中的灰量突然增大时能够及时快速的调整其转速,因此需要PLC 控制台对电机进行控制,实现灰料在管道中被顺利输送。需要选取一种适合于该系统的控制算法,使整个输送过程顺利进行。

  由于速度调节是在一定的速度基础上进行的,控制器只需要输出电压的变化量,因此采用增量式PID 控制算法。控制器的输入量为传感器检测到的速度与设定速度的偏差信号,输出量为控制电机转速的驱动电压的增量。

  考虑到偏差较大时,要求快速跟踪;偏差较小时,要求精度高。但这两个要求存在一定得矛盾,如果按快速跟踪来设计控制器,在偏差小时会产生振荡或超调;如果按精度高来设计控制器,在偏差大时无法快速跟踪。为了使系统在偏差大和小时都能满足要求,采用了变速积分增量式PID 算法,通过不断改变积分项的累加速度,使其与偏差大小相对应,偏差越大,积分越慢;反之则越快。

  设置一个系数f[e(k)],它是e(k)的系数,当|e(k)|增大时,f [e(k)]减小,反之增大。积分系数f [e(k)]的值在[0,1]区间内变化,当偏差|e(k )|大于给定的分离区间A +B 后,积分系数f |e(k)|=0不再对当前值e(k)进行继续累加;当偏差|e(k)| 小于B 时,加入当前值e(k),即积分项变为u I (k)=k I分项相同,积分动作达到最大速度;而当偏差|e(k)|在B与A +B 之间时,则累加计入的积分量是部分当前值,其值在0~|e(k)|之间并且随|e(k)|的大小而改变,

  在选择PID 参数的过程中,通常可先根据输出曲线的形状来确定参数KP 、KI 、KD 的大体范围,然后根据系统的输出,得到参数的具体值,如图1所示 。

  

速度闭环 PID 控制框图.png

  图 1 速度闭环 PID 控制框图

  4 除灰系统的PLC控制改造设计

  #1、#2炉除灰系统及其公用设备共用一套PLC,PLC系统是西门子电子产品系统,每个主机架内只有一块网络模块,CPU采用西门子400热备,开关量输入模块为32点24V 直流输入,开关量输出模块为32点输出;模拟量输入模块为8通道输入,供电电源为线性直流24V电源;模拟量输出模块为4通道输出,供电电源为线性直流24V电源。

  根据系统功能的需要,并对系统可靠性进行考虑,PLC 系统内主机架与远程机架通讯采用一路同轴电缆,三台上位机也只配有一块网卡进行通讯。西门子400PLC提供了多种功能,使编成控制更加灵活方便;具有扩展模块,易于系统扩展;内部集成的Profinet接口为用户提供了强大的通信功能,实现上位机PC和PLC的通信,上位机可以实现编程,还可以监视程序的运行。

  4.1 模块化软件设计

  本系统设计方法注重软件设计的模块结构和层次化特点,在设计程序前,要在总体上对软件的组成与模块结构进行分析和设计,程序在设计时进行自顶而下的逐步细化,这对于控制结构和功能比较复杂的系统更容易实现控制。控制系统结构如图2所示。

  系统具有手动控制和自动控制功能,上位机可以实现对输灰系统的监控。

  5 仿真分析

  根据电机模型的传递函数,通过计算机绘制系统在不同PID 控制方式下的阶跃响应曲线,从图3阶跃响应仿真结果可知,采用变速积分增量式PID 控制可以避免普通增量式PID 控制所产生的过大超调并提高了电机调速的快速性,其达到匀速的时间为0.3s,而普通增量式PID 控制算法达到匀速的时间为0.5s,因此采用变速积分增量式算法,系统具有动态响应快、控制稳态性能好,并能很快趋于稳定的特点,适用于电机调速系统的高速控制。

  PLC 控制系统结构图.png

图 2 PLC 控制系统结构图


  4.2 用户软件功能设计

  (1)程控部分主要功能

  ①定时程控除灰: plc根据料位计传输过来的灰粉位置信号(高、正常、低)和仓泵上方的电接点压力表指示压力值信号,采取相应的处理措施;

  ②高灰位优先排灰:料位计指示灰粉位置高时,plc根据中断请求优先控制进行排灰;

  ③程序控制自动输灰:系统处于程控执行状态时,由plc 对干除灰系统进行自动输灰;

  ④远端操作:当系统处于远操状态,操作人员可以在控制室进行远端手操控制。

  (2)上位监控部分主要功能

  ①工艺流程图、趋势图显示:上位机可以显示系统工艺

  6 结束语

  系统的速度响应曲线对比.png

图 3 系统的速度响应曲线对比


  流程图及对仓泵压力变化进行1小时、8小时、12小时、24小时等不同时段曲线跟踪显示等;

  ②参数显示、报警画面显示:当仓泵上方电接点压力表指示偏高时,系统自动发出警告声音,显示红色警告信号; 当料位计监视灰斗内料位高/低时,系统发出警示信号等;

  ③统计管理功能及各类报表显示和打印:系统可以对历史记录情况(当班人员操作记录、除灰次数、除灰时间、压力曲线图等)进行汇总、打印报表等;

  ④ 生产过程事件及报警记录:系统可以对生产过程中异常事件进行跟踪及报警记录;

  ⑤程控系统与主厂计算机联网:系统可以与主厂mis系统进行联网,便于工作记录信息登记、数据传输、上报等。

  本文选用西门子400系列PLC对输灰进行控制,在干除灰系统中采用电接点压力表对仓泵进料/出料过程进行控制,通过设定电接点压力i值、ii值,可以自动地控制干除灰运行, 有效地避免原系统因进料/出料过程控制划分不明显而引起管道堵塞等问题的出现。通过设计变速积分增量式PID 控制器对电机进行控制,使电机在管道内灰量增多的情况下能够及时快速的调节其转速,保证物料在管道内被顺利输送PLC控制系统优化后以来,PLC与上位机通讯再未出现过异常中断情况,系统更加安全、可靠、稳定的运行。


标签: PLC

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