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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

日期:2021-08-23    来源:中国转动网

国际节能环保网

2021
08/23
15:35
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关键词: 气力输送 环境保护 除灰除尘

 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 。

  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。

 

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

  

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。


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