基于PLC的热水锅炉自动化控制系统

基于PLC的热水锅炉自动化控制系统

【摘要】本文以作者所经历的项目现场的锅炉为背景，分析了基于PLC的供暖锅炉的自动化控制。结合了工作调试中总结出来的一些工作经验和一些控制思路，分析出几个重要环节的控制思路，以更好的控制给煤量、鼓风量、引风量、供回水温度等参数，以满足生产工艺要求，有效地降低能耗，提高生产管理水平。

【关键词】供暖锅炉PLC负荷控制优化策略

【引言】

目前，我国很多在运行的锅炉都存在自动化水平不高、效率低和环境污染严重的问题，因此实现锅炉的自动控制具有重要的意义。

PLC自动化系统采用模块化设计，程序也采用模块化设计，且每个模块都可以单独的优化，以便于整个系统的升级、控制管理和日后的维护，保证了系统的可开发性，和有良好的可扩充性，发挥系统的最大性价比。

【正文】

热水锅炉的工作原理是通过煤的燃烧，将锅炉中的水加热，并将加热到一定程度的热水通过增加迫使其流出，为外界供暖。控制系统需要根据工艺需求实时的调整燃烧系统。按工艺要求，自控程序分锅炉负荷控制（燃烧自动控制）、循环泵自动控制和补水定压控制等几部分。其中水系统（循环泵、补水泵）控制相对比较简单，负荷控制较为复杂，以下是作者对热水锅炉及机组总结出的负荷控制的控制方案。

1.锅炉负荷控制

锅炉负荷控制的目的是：根据供暖需求的热量，通过一系列中间控制环节控制锅炉的供回水温度和流量，使住户处的室内温度达到并维持在合适的温度值，且锅炉运行在节能状态。

当供暖面积一定时，出水流量基本就不变了，所以因为室外温度的变化，所需的热量主要就通过改变供回水温差来实现。

理论上，锅炉负荷控制应该控制总网供回水温差，因为温差可以直接反映出供热质量，温差太大或太小都说明供热质量不很理想。但实际上，负荷控制是根据总网供水温度控制的，因为总网回水温度测量存在滞后性，一般就直接采用供水温度控制，这也可以更直接反映出锅炉的燃烧情况，使燃烧过程维持在一个动态平衡上，以达到节能的效果。

所以，负荷控制就是总网供水温度控制。如下图1所示，前提是供暖面积一定，出水流量是一定的，室外温度的变化直接影响用户需要的热量，直接受控对

象是出水温度，主要的控制方式有三种：手动控制、恒温控制和温度曲线控制。

图1 负荷控制框图

1、手动控制

手动控制是由司炉工根据经验手动给定各执行机构的控制参数，根据供、回水温度的实际值来衡量当前供暖情况。所以手动控制主要取决于司炉工的现场经验。

2、恒温控制

恒温控制即是指决策人根据已有的经验，来推算出达到国家供暖标准所需的供水温度设定值，然后通过这一设定值来控制各设备的运行参数，从而使锅炉的出水温度达到并维持在这个设定值上，这个设定值是可以根据实际情况而调整的。

3、温度曲线控制

温度曲线控制即是指根据供暖方提供的供暖曲线，通过程序设定，根据室外温度自动计算出当前出水温度的设定值，然后用这个设定值去控制各设备。

负荷控制最主要的是燃烧系统和风系统，使锅炉实际出水温度达到设定值。室外温度变化使负荷需求改变从而改变锅炉的出水温度，控制器会根据供暖曲线自动计算出当前锅炉出水温度的设定值，然后控制燃烧系统来确保出水温度。完成这一任务，首先是要调节炉排速度以改变燃料量，然后调节鼓风量以保证氧气含量，再根据炉膛负压控制引风量，使炉膛维持一定的负压值，以实现较好的风煤配比调节。这其实是几个PID回路串级调节过程，如下图2：

图2 燃烧控制框图

改变鼓风势必会影响炉膛负压，炉膛负压的大小对于节能影响很大。负压大，被烟气带走的热量大，热损失增加，煤耗量增大，理想运行状态应在微负压（靠近0的方向）状态下。

给煤调节在于通过调节炉排的转速改变燃料量。考虑到燃煤锅炉运行中经常产生煤量的自发性扰动（煤的阻塞和自流），因此引入锅炉出口水温作为锅炉的反馈信号，以尽快消除由于设备结构造成的给煤量自发扰动的情况。若只有出水温度调节炉排也有一定的偏差，所以在实际控制系统中一般还加入了炉膛温度来修正炉排的频率给定信号，实现锅炉的经济燃烧。如下图3：

图3 优化后的燃烧控制框图

2 控制策略优化

以上提出的控制方案，都是控制系统的基本控制原理，并没加入现场的一些突变因素，所以当发生突变情况时，可能需要借助司炉工的帮助，进行手动调试。考虑以上因素，作者在这套原理基础之上，从整体控制系统方向又提出了另外几种优化控制方案。

2.1曲线控制优化方案

在锅炉控制行业，最经典的控制方案就是曲线控制，其中包括两种曲线：供暖曲线和风煤比曲线。供暖曲线控制即是上述的温度曲线控制。供暖曲线是一个地区气候的体现，在实际过程中，每年的天气不是一成不变的，所以在控制过程中，还不能完全按照供暖曲线走，得根据当前的室外温度和时间段来辅正。供暖时间段是指在一天24小时中，白天比夜晚室外温度高，白天因为上班，居民家大多数是空着的，利用这些特点，将不同的时间段对应出一个修正系数，再将这个修正系数整合到出水温度修正值中去，得出最终的供暖出水温度指导温度，这样能使控制系统更加节能、更加符合季节实况。

2.2 控制系统寻优方案

供暖行业的自动控制基本上就是PID控制，这里的寻优方案是人为的通过编程来实现PID的自动寻优，即PID参数自动寻优。

PID参数自动寻优是技术人员将很多组PID经验参数设置在程序中，当外界发生变化时，程序会自动根据变化的频率和幅度寻找合适的PID参数，并将此PID参数应用到控制系统中。PID经验参数是由相关专业人士提供的。

2.3参数自整定模糊PID控制

参数自整定模糊PID控制的系统结构主要由参数可调PID和模糊控制系统两部分组成。参数自适应模糊PID控制的主旨是以模糊控制为粗调、PID为细调。在模糊控制的基础上，由PID控制系统向设定点移动，实现无差控制，即在模糊控制确定的范围里加以PID精确快速的控制，可以实现由于各种因素引起波动大时的跳跃性调节，解决了波动大时，控制输出跟不上控制节奏的情况。

在控制系统中，一些被控参数的频繁变化导致PID总是小幅振荡，也使得被控对象频繁动作，使执行机构造成严重的机械磨损；而从控制要求来说，很多系统又允许被控量在一定范围内存在误差，即存在死区，这就引入了带死区的PID的概念，这可以减小甚至消除小幅振荡，保证执行机构的使用寿命。模糊控