基于PLC的锅炉加药自动控制系统

文章编号:1009-2269(2010)02-0025-04
基于PLC的锅炉加药自动控制系统*
张秀香
(兰州工业高等专科学校电气工程系,甘肃兰州 730050)
摘要:为了实现发电厂锅炉给水pH值的自动控制,采用德国西门子公司生产的S7 200可编程控制器、台湾Adv antech公司的ADAM工控机,选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案,将其与在线pH仪、联胺表、电导率仪和液位传感器相结合构成二级监控系统,保障在工业环境下可靠运行,应用WinCC+编制加氨、加联胺系统的动态显示界面;应用ST EP 7Micro/Win软件编制程序,采用经改进的数字PID控制算法实现了锅炉给水配药、加药全自动控制过程.
关 键 词:pH值;PLC;加药系统;自动控制
中图分类号:TP29文献标志码:A
0 引言
各电厂给水加药大多数采用人工调节,不能准确地将pH值控制在规定的范围内,不仅严重浪费大量中和剂,而且造成了热力系统的电化学腐蚀,甚至导致凝汽器的断裂,造成停机事故的发生,因此,设计并开发锅炉给水加药自动控制系统,自动根据给水pH值、联胺值的变化连续调节加药量,合理控制加药量,进而避免锅炉及管路的腐蚀,是保障电厂安全生产、经济运行的需要,又是节省人力、提高自动化管理水平的需要.
1 自动加药系统的原理
锅炉水中适当添加磷酸盐及氢氧化钠,可提高炉水的缓冲性能并对维持炉水pH值的稳定有很大的作用,故能防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀.平衡磷酸盐处理时,磷酸盐的加入量必须适当,这就要求计量泵必须能够自动调节加药量,调节信号是根据汽水取样系统磷酸根表和pH表送来的4~20m A信号,控制计量泵的转速.(由于磷酸根的信号比较弱,变化范围小,不易控制,所以本控制系统采用pH表的4~20mA信号作为调节信号).
以某公司为例介绍控制系统的组成,某公司共有四台300MW的发电机组,分为两个单元,一单元为1号机组和2号机组,二单元为3号机组和4号机组.每个单元又包括锅炉补给水(生水经过各种水处理方式净化后用来补充火力发电厂的汽水损失)和炉水两种用水.二单元炉水加药系统有三台加药计量泵(两用一备),3号和4号机组各用一台,当其中一台出现故障时切换到备用泵.在本系统中通过检测pH值来控制炉水中磷酸盐的加入量,pH值要求控制在9.4~9.78之间,当其中一台机组的pH值低于9.4时便启动相应机组的加药泵,此时磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道(管道上的阀门都为手动阀,正常时都是打开状态)被泵入相应机组的除氧器出水管加药点.炉水中加入适当的磷酸盐及氢氧化钠,可提高炉水的缓冲性能并对维持炉水pH值的稳定有很大的作用,故能防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀[2].
在本系统中,将炉水水样经过降温减压装置引入磷酸表及pH表探头进行测量,通过A/D转
*收稿日期:2009 11 28
作者简介:张秀香(1956 ),女,河南西平人,高级实验师.
换经控制系统PID 运算后控制变频器输出,控制加药泵转速,从而实时控制炉水的加药量,使炉水的磷酸根浓度和pH 值较好地保持在合格的范围内.以3号机组炉水加药控制系统为例(见图1),说明如下.
图1 3号机组炉水加药控制系统
本系统从在线分析仪表(磷酸根表、pH 表)中提取4~20mA 信号,根据运行工艺参数和确定的数学模型,进行窗口式PID 复合运算,中间结果送变频器控制加药泵实现加药自动闭环调节.
2 控制系统组成
控制系统主要由上位机工业计算机、下位机西门子PLC 和检测仪表、变频器和计量泵组成,组成框图如图2所示
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图2 控制系统组成框图
2.1 上位监控部分
整个系统的上位监控部分可由一台工业计算机来完成.监控工作人员可通过CRT 实时监控系统的运行状况,设定或修改系统的运行参数,同时可通过CRT 远程软件操作控制系统运行.上位工控机进行数据处理和管理,并可与M IS 系统等实现联网.在上位机上,可对控制器进行组态,组态范围包括:控制器的网络地址、控制器的时间、选
择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法的输入量及输出量的通道等[3]
.
2.2 下位控制部分
自动加药控制系统的核心是一套控制器,可编程控制器(PLC)是近年来发展起来的并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置,它已成为解决自动控制问题的最有效工具之一,越来越受到人们的重视.控制器安装在现场,采集相应的水质数据.由于化学加药系统具有纯滞后性质,会导致控制作用不及时,引起系统产生超调或振荡,而利用计算机可以方便地实现滞后补偿.经过控制器的控制算法,采用经改进的数字PID 控制算法,输出控制信号(4~20mA )到现场调节设备,以调节加药泵的出力.调节设备可以是直流电机,直接通过调节电机电压来改变转速;可以是步进电机,通过改变加药泵的行程来调节加药泵出力;还可以是变频器,调节加药泵交流电机的转速.随着电力电子技术的发展,交流变频调速控制方法得到了广泛的应用,我们采用变频调速进行化学加药自动控制,由于不需要对管路进行改造,系统可靠,得到了人们的认同,并取得了良好的效果.2.3 PLC 设备选型及说明
本控制系统CPU 模块自带数字量的输入/输出,所以未用单独的D/A 模块.
CPU 模块:以西门子的CPU 224作为控制器的核心,具有丰富的指令系统,能够进行各种复杂的逻辑运算和算术运算,同时可以进行各种函数运算,如信号标度变换、信号滤波、PID 运算等.在CPU 模块内部,由微处理器通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/O 单元.借助编程器接收键入的用户程序和数据;读取并解释执行用户程序;按规定的时序接收输入状态,刷新输出状态,与外部设备交换信息;诊断PC 的硬件状态等[1].(CPU 自带D/A 模块:输出是4~20mA 电流信号.一般来说,变频器既有4~20m A 信号输入端子,也有电压输入端子,在这里采用4~20mA 标准信号输出以控制变频器的频率,以此改变加药量.)
A /D 模块:EM235模拟量混合模块(4输入、1输出)是高速12位模拟量模块,能在149ms 内
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将模拟量转换成相应的数字量.输入可以是电压信号,也可以是电流信号.一般来说,pH值表都有4~20m A信号输出,因此采用4~20mA标准信号输入.
3 控制软件
3.1 上位机软件WinCC系统概述
WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统.它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模块.高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的适用性.
3.2 控制对象数学模型
系统的广义控制对象由变频器、锅炉、取样系统、pH值表等组成.它的等效数学模型可以用一阶惯性环节加纯延迟来表示:
通常情况下,氨加药系统中的延迟时间 远大于时间常数T,因此造成系统调节上的困难.如果要减小 ,则必须缩短取样管道,即pH值表必须放在取样点附近,但这会加大pH值表维护的难度,并且监视用的pH值表与控制用的pH值表不能公用,会增加设备投资和维护费用.为提高控制效果,可采用改进的PI控制算法,也可以采用仿人智能的控制方法.
3.3 下位机控制软件STEP7 Micro/WIN
S7 200CPU提供PID回路指令,进行PID计算.PID回路的操作取决于存储在36Byte回路表内的9个参数[5].PID回路表见表1.
表1 PID回路表
参 数地址偏移量(By te)数据格式(Byte)I/O类型描 述过程变量当前值PV n0双字,实数I过程变量,0.0~1.0给定值SP n4双字,实数I给定值,0.0~1.0
输出值M n8双字,实数I/O输出值,0.0~1.0
增益K c12双字,实数I比例常数,正、负
采样时间T s16双字,实数I单位为秒,正数
积分时间T I20双字,实数I单位为分钟,正数
微分时间T D24双字,实数I单位为分钟,正数
积分项前值M X28双字,实数I/O积分项前值,0.0~1.0过程变量前值PV n-132双字,实数I/O最近一次P ID变量值
PID的编程步骤[4,6]:
1)设定回路输入及输出选项;
2)设定回路参数在PID指令中,必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址.其中,要选定过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间和微分时间,并转换成标准值存入回路表中;
3)设定循环警报选项;
4)为计算指定内存区域,PID计算需要一定的存储空间,存储暂时结果.需要指定此计算区域的起始V内存字节地址;
5)指定初始化子程序及中断程序;
6)生成PID程序.
4 结语
锅炉给水自动加药控制系统采用由工业控制计算、PLC和检测仪表构成的二级监控系统,实现了对在线pH仪、电导率表和水温表等仪表的动态显示,完成了对配药、加药系统的实时控制,克服了手动间歇控制系统的弊端,具有界面友好,操作简单,控制安全可靠等特点,是工业控制计算机与PLC相结合完成化工过程控制的一项有益尝试.其设计思想不仅适合于锅炉给水的控制,在城市废水处理的配药、加药控制系统也有广泛的应用价值.
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第2期 张秀香:基于PLC的锅炉加药自动控制系统
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Auto control System of Chemical adding of the Boiler Based on PLC
ZH A N G Xiu xiang
(Depa rtment of Electr ical Engineer ing,Lanzho u P olytechnic Co lleg e,L anzhou 730050,China)
Abstract:T he S7 200ty pe PLC pro duced by Siemens Corp.in Germany and the ADAM industrial com puter as controlled unit pr oduced by Adv antech co rp.in T aiw an w ere ado pted for r ealizing the automatic control of the w ater PH v alue in po wer plant bo iler.The preceding switch softw are WinCC com binated w ith Siemens PLC w as connected to PH meter,the hydr azine instr um ent,the electro conductibility and the liquid level sensor as a tw o stag es monitor and control system.T he dy namic display interface o f adding am monia and hydrazine system w ere progr am med in WinCC co nfiguration softw are.T he diagram w as w ritten in STEPT 7M icro/Win softw are,the improved digital PID control alg orithm w as adopted for realizing the auto control process of the do sages and drug s adding of the bo iler w ater supply sy stem.Key words::pH value;PLC;sy stem o f chem ical adding;automatic control
(上接第13页)
对该复杂系统的完整建模还有待进一步研究,以期望能够更加完善的验证生物免疫规律和从中发现更加全面的规律,促进VZV 入侵神经内分泌系统的研究.参考文献:
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B Method Model of VZV Intrued Neuroendocrine System
T A N G Yu
(Department of F inance,T aizho u T eachers Colleg e,T aizhou 225300,China)
Abstract:T here are many successful applications o f the B m ethod in the biolo gy.The neuro endo crine system and V ZV are descr ibed by B m ethod.The machine co nfirms and the sim ulation to the V ZV in v ased neur oendo crine system w ere carried on.It tur ned out that the simulated results acco rd w ith the part o f bio logic research.
Key words:B method;V ZV;neur oendocrine sy stem;model
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