1 引言

上世紀(jì)五、六十年代，我國(guó)火電廠輸灰系統(tǒng)都比較簡(jiǎn)單，幾乎均為低濃度的水力輸灰，即所謂的“3泵2管1溝” 的單一模式。為了節(jié)水，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，減少灰場(chǎng)用地和投資，以及灰渣綜合利用等方面的要求，漸漸向多類型探索發(fā)展，先后發(fā)展了高濃度水力輸灰、機(jī)械輸灰和氣力輸灰技術(shù)。氣力輸送技術(shù)應(yīng)用于燃煤電廠約始于上世紀(jì)20年代，主要用于除塵器區(qū)域的干灰輸送。但直到50年代中后期，國(guó)內(nèi)少數(shù)燃煤電廠才開始接觸使用氣力輸送系統(tǒng)，主要是負(fù)壓形式;60年代以后，倉式氣力輸送技術(shù)開始得到應(yīng)用;直到進(jìn)入80年代，國(guó)內(nèi)眾多電廠開始陸續(xù)引進(jìn)國(guó)外各種類型的輸送設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，氣力輸送技術(shù)在火電廠行業(yè)開始得到蓬勃發(fā)展。

燃煤電廠在我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展中起著很大的作用， 其發(fā)電量占我國(guó)總發(fā)電量的80%以上。但是它在為我們提供充足電力的同時(shí)，也污染破壞環(huán)境，發(fā)電廠在發(fā)電過程中，將產(chǎn)生大量的工業(yè)廢棄物(飛灰或粉煤灰)。為了保證鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)為了保護(hù)環(huán)境，必須及時(shí)將這些粉煤灰清除運(yùn)走，并將廢物綜合利用。目前廣泛采用氣力除灰系統(tǒng)，并且對(duì)燃煤電廠提出了提高除塵效率和粉煤灰綜合利用的要求。而在實(shí)際運(yùn)行中，輸灰系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性欠佳，運(yùn)行故障發(fā)生的原因及部位也多種多樣，造成除塵效率下降、氣力輸灰系統(tǒng)停運(yùn)，使煙塵排放超標(biāo)，灰水污染環(huán)境，影響電廠的正常生產(chǎn)。

氣力除灰系統(tǒng)用于將燃煤電廠在發(fā)電過程中產(chǎn)生的大量工業(yè)廢棄物(飛灰或粉煤灰)清除運(yùn)走。氣力輸送是以壓縮空氣為載體,與粉粒狀物料在一定混合比的情況下,在密閉管道內(nèi)通過氣力由一處送往另一處的輸送方式。氣力除灰輸送技術(shù)應(yīng)滿足整個(gè)機(jī)組的快速性、高精度和高自動(dòng)化的要求，目前大多數(shù)輸送系統(tǒng)控制回路仍采用傳統(tǒng)PID控制器。但傳統(tǒng)的PID 控制器難于協(xié)調(diào)快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾，在相當(dāng)多的情況下，不能取得令人滿意的效果，近年來氣力輸送技術(shù)的設(shè)計(jì)吸收新的控制思想并利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，形成了模糊PID、自適應(yīng)PID、智能PID、變速積分PID等多種控制器,取得了較為滿意的效果。

在電廠輔助系統(tǒng)中主要包括化學(xué)補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)和除灰系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的工藝流程多以順序控制和開關(guān)控制為主，采用可編程控制器PLC構(gòu)成獨(dú)立的控制子系統(tǒng)單獨(dú)工作。同時(shí)，PLC控制系統(tǒng)通過相應(yīng)的通信模塊掛在分散控制系統(tǒng)DCS通信總線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，以便DCS系統(tǒng)掌握各輔助工藝系統(tǒng)情況，協(xié)調(diào)全廠工作。文中設(shè)計(jì)了一種基于PLC的變速積分增量式PID控制器，通過偏差大小不斷改變積分項(xiàng)的累加速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)速的控制。

2 氣力輸送技術(shù)的工藝流程

氣力輸送是以壓縮空氣(或其它氣體)為載體，與粉粒狀物料在一定混合比的情況下，在密閉管道內(nèi)通過氣力由一處送往另一處的輸送方式。氣力除灰系統(tǒng)的主要任務(wù)是以倉泵為發(fā)送器，以壓縮空氣作動(dòng)力，沿除灰管道將電除塵器搜集的飛灰干法送至灰?guī)欤缓蟀鸦規(guī)炖锏母苫矣密囇b運(yùn)，或者攪拌成濕灰用汽車外運(yùn)。

除灰系統(tǒng)為單元制布置，每單鍋爐1個(gè)單元系統(tǒng)，每個(gè)單元系統(tǒng)主要分為6部分：電除塵器、灰斗、倉泵、灰斗氣化管路、倉泵進(jìn)氣管路、輸灰管路。倉泵是除灰系統(tǒng)的主要設(shè)備，由進(jìn)料圓頂閥、出料圓頂閥、泵本體、進(jìn)氣裝置、排氣平衡閥、壓力開關(guān)、料位計(jì)等組成。

①進(jìn)料階段。排氣平衡閥打開，進(jìn)料圓頂閥打開，物料下落填充泵體，進(jìn)氣閥和出料閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

②增壓階段。當(dāng)倉泵內(nèi)料位高度達(dá)到或到達(dá)設(shè)定填充時(shí)間時(shí)，進(jìn)料圓頂閥和排氣平衡閥關(guān)閉，進(jìn)料圓頂閥密封圈充氣密封，進(jìn)氣閥組打開，壓縮空氣進(jìn)入泵內(nèi)，壓力升高至設(shè)定值上限。

③輸送階段。出料圓頂密封圈泄壓，打開出料圓頂閥， 輸送物料，壓縮空氣將灰從倉泵輸送至灰?guī)臁?/p>

④清掃階段。在進(jìn)氣管線上設(shè)定壓力開關(guān)，當(dāng)壓力下降到設(shè)定的下限值，表面輸灰結(jié)束，吹掃幾秒后，關(guān)閉壓縮空氣入口閥，系統(tǒng)復(fù)位等待下一次循環(huán)。

同一列倉泵，要錯(cuò)開循環(huán)，當(dāng)一半倉泵在進(jìn)料時(shí)，另一半正在出料。倉泵的交替工作循環(huán)保證進(jìn)入輸送管的飛灰流量均衡。

3 控制模型建立

為了保證穩(wěn)定最佳的輸送速度,并使電機(jī)在管道中的灰量突然增大時(shí)能夠及時(shí)快速的調(diào)整其轉(zhuǎn)速，因此需要PLC 控制臺(tái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)灰料在管道中被順利輸送。需要選取一種適合于該系統(tǒng)的控制算法，使整個(gè)輸送過程順利進(jìn)行。

由于速度調(diào)節(jié)是在一定的速度基礎(chǔ)上進(jìn)行的，控制器只需要輸出電壓的變化量，因此采用增量式PID 控制算法?？刂破鞯妮斎肓繛閭鞲衅鳈z測(cè)到的速度與設(shè)定速度的偏差信號(hào)，輸出量為控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電壓的增量。

考慮到偏差較大時(shí)，要求快速跟蹤;偏差較小時(shí)，要求精度高。但這兩個(gè)要求存在一定得矛盾，如果按快速跟蹤來設(shè)計(jì)控制器，在偏差小時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩或超調(diào);如果按精度高來設(shè)計(jì)控制器，在偏差大時(shí)無法快速跟蹤。為了使系統(tǒng)在偏差大和小時(shí)都能滿足要求，采用了變速積分增量式PID 算法，通過不斷改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)，偏差越大，積分越慢;反之則越快。

設(shè)置一個(gè)系數(shù)f[e(k)]，它是e(k)的系數(shù)，當(dāng)|e(k)|增大時(shí)，f [e(k)]減小，反之增大。積分系數(shù)f [e(k)]的值在[0,1]區(qū)間內(nèi)變化，當(dāng)偏差|e(k )|大于給定的分離區(qū)間A +B 后，積分系數(shù)f |e(k)|=0不再對(duì)當(dāng)前值e(k)進(jìn)行繼續(xù)累加;當(dāng)偏差|e(k)| 小于B 時(shí)，加入當(dāng)前值e(k)，即積分項(xiàng)變?yōu)閡 I (k)=k I分項(xiàng)相同，積分動(dòng)作達(dá)到最大速度;而當(dāng)偏差|e(k)|在B與A +B 之間時(shí)，則累加計(jì)入的積分量是部分當(dāng)前值，其值在0~|e(k)|之間并且隨|e(k)|的大小而改變，

　　在選擇PID 參數(shù)的過程中，通?？上雀鶕?jù)輸出曲線的形狀來確定參數(shù)KP 、KI 、KD 的大體范圍，然后根據(jù)系統(tǒng)的輸出，得到參數(shù)的具體值，如圖1所示 。

　　圖 1 速度閉環(huán) PID 控制框圖

4 除灰系統(tǒng)的PLC控制改造設(shè)計(jì)

#1、#2爐除灰系統(tǒng)及其公用設(shè)備共用一套PLC，PLC系統(tǒng)是西門子電子產(chǎn)品系統(tǒng)，每個(gè)主機(jī)架內(nèi)只有一塊網(wǎng)絡(luò)模塊，CPU采用西門子400熱備，開關(guān)量輸入模塊為32點(diǎn)24V 直流輸入，開關(guān)量輸出模塊為32點(diǎn)輸出;模擬量輸入模塊為8通道輸入，供電電源為線性直流24V電源;模擬量輸出模塊為4通道輸出，供電電源為線性直流24V電源。

根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，并對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行考慮，PLC 系統(tǒng)內(nèi)主機(jī)架與遠(yuǎn)程機(jī)架通訊采用一路同軸電纜，三臺(tái)上位機(jī)也只配有一塊網(wǎng)卡進(jìn)行通訊。西門子400PLC提供了多種功能，使編成控制更加靈活方便;具有擴(kuò)展模塊，易于系統(tǒng)擴(kuò)展;內(nèi)部集成的Profinet接口為用戶提供了強(qiáng)大的通信功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC和PLC的通信，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)編程，還可以監(jiān)視程序的運(yùn)行。

4.1 模塊化軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法注重軟件設(shè)計(jì)的模塊結(jié)構(gòu)和層次化特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)程序前，要在總體上對(duì)軟件的組成與模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，程序在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行自頂而下的逐步細(xì)化，這對(duì)于控制結(jié)構(gòu)和功能比較復(fù)雜的系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸灰系統(tǒng)的監(jiān)控。

5 仿真分析

根據(jù)電機(jī)模型的傳遞函數(shù)，通過計(jì)算機(jī)繪制系統(tǒng)在不同PID 控制方式下的階躍響應(yīng)曲線，從圖3階躍響應(yīng)仿真結(jié)果可知，采用變速積分增量式PID 控制可以避免普通增量式PID 控制所產(chǎn)生的過大超調(diào)并提高了電機(jī)調(diào)速的快速性，其達(dá)到勻速的時(shí)間為0.3s，而普通增量式PID 控制算法達(dá)到勻速的時(shí)間為0.5s，因此采用變速積分增量式算法，系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制穩(wěn)態(tài)性能好，并能很快趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的高速控制。

　

圖 2 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 用戶軟件功能設(shè)計(jì)

(1)程控部分主要功能

①定時(shí)程控除灰： plc根據(jù)料位計(jì)傳輸過來的灰粉位置信號(hào)(高、正常、低)和倉泵上方的電接點(diǎn)壓力表指示壓力值信號(hào)，采取相應(yīng)的處理措施;

②高灰位優(yōu)先排灰：料位計(jì)指示灰粉位置高時(shí)，plc根據(jù)中斷請(qǐng)求優(yōu)先控制進(jìn)行排灰;

③程序控制自動(dòng)輸灰：系統(tǒng)處于程控執(zhí)行狀態(tài)時(shí)，由plc 對(duì)干除灰系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)輸灰;

④遠(yuǎn)端操作：當(dāng)系統(tǒng)處于遠(yuǎn)操狀態(tài)，操作人員可以在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)端手操控制。

(2)上位監(jiān)控部分主要功能

①工藝流程圖、趨勢(shì)圖顯示：上位機(jī)可以顯示系統(tǒng)工藝

6 結(jié)束語

　　

圖 3 系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線對(duì)比

流程圖及對(duì)倉泵壓力變化進(jìn)行1小時(shí)、8小時(shí)、12小時(shí)、24小時(shí)等不同時(shí)段曲線跟蹤顯示等;

②參數(shù)顯示、報(bào)警畫面顯示：當(dāng)倉泵上方電接點(diǎn)壓力表指示偏高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警告聲音，顯示紅色警告信號(hào); 當(dāng)料位計(jì)監(jiān)視灰斗內(nèi)料位高/低時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警示信號(hào)等;

③統(tǒng)計(jì)管理功能及各類報(bào)表顯示和打印：系統(tǒng)可以對(duì)歷史記錄情況(當(dāng)班人員操作記錄、除灰次數(shù)、除灰時(shí)間、壓力曲線圖等)進(jìn)行匯總、打印報(bào)表等;

④ 生產(chǎn)過程事件及報(bào)警記錄：系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)過程中異常事件進(jìn)行跟蹤及報(bào)警記錄;

⑤程控系統(tǒng)與主廠計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)：系統(tǒng)可以與主廠mis系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，便于工作記錄信息登記、數(shù)據(jù)傳輸、上報(bào)等。

本文選用西門子400系列PLC對(duì)輸灰進(jìn)行控制，在干除灰系統(tǒng)中采用電接點(diǎn)壓力表對(duì)倉泵進(jìn)料/出料過程進(jìn)行控制，通過設(shè)定電接點(diǎn)壓力i值、ii值，可以自動(dòng)地控制干除灰運(yùn)行， 有效地避免原系統(tǒng)因進(jìn)料/出料過程控制劃分不明顯而引起管道堵塞等問題的出現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)變速積分增量式PID 控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，使電機(jī)在管道內(nèi)灰量增多的情況下能夠及時(shí)快速的調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速,保證物料在管道內(nèi)被順利輸送PLC控制系統(tǒng)優(yōu)化后以來，PLC與上位機(jī)通訊再未出現(xiàn)過異常中斷情況，系統(tǒng)更加安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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