基于西门子 PLC 的气力除灰控制系统改进优化设计
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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