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PLC在工业锅炉自动控制中的应用

3 PLC控制系统结构
3.1 PLC控制系统的组成
PLC控制的结构如图5所示。控制设备选用德国SI-EMENS公司的PLC系列可编程序控制器。系统配有一台上位机和一台下位机。通过数据通讯网络，彼此相连。下位机的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可编程控制器，上位机采用台湾研华公司的工业控制机IPC。

图5 PLC控制系统的结构图

系统配置的软件有S7-400编程软件和SIMATIC WinCC全面开放的新一代人机界面监控软件。STEP 7-400用于PLC的编程、调试和生成各种程序文档，SIMATIC WinCC用于实现人机接口功能。

锅炉控制系统由锅炉本体，一次仪表、微机、手/自动切换操作器、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力，流量，氧量，转速等热工参数转换成电压、电流或电阻值输入PLC。手/自动切换操作部分:手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时由PLC发出控制信号经执行部分进行自动操作。PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。

除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行PLC系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及常规报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。

3.2 燃烧过程的模式识别与智能控制
燃烧过程的模式识别与智能控制结构图如图6所示:

图6 燃烧过程智能控制结构图

这里给定量为给煤量、送风量、引风量等;被控量为蒸汽温度、蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛压力蒸汽流量等。

本系统设计了一个专家控制器。
(1) 专家控制器的基础是知识库
专家控制器由经验数据库和学习与适应装置组成。图6所示的为工业锅炉燃烧专家控制器的结构框图。图6中知识库用于存入有关工业锅炉燃烧过程控制的专家知识，包括有经验的锅炉操作人员和控制工程师手动操作调整的综合经验与判断能力。其中经验数据库主要存储经验和事实数据，学习与适应装置的功能是根据在线运行获取的信息补充或修改知识库的内容，对锅炉热效率进行自学习寻优。锅炉专家控制器在某一工况下，可以通过改变鼓风量，搜索到锅炉燃烧热效率的最高点，按此时的最佳风煤比设定鼓风量、抛煤机转速和炉排转速并把这些数据补充到知识库中，从而可以实现锅炉的节能经济运行并改善系统的动态特性。

(2) 建立知识库
建立知识库的主要工作是如何表达已获取的知识。专家控制器的知识库用产生式规则建立，其中每条规则都可以独立地增删修改，使知识库的内容便于更新。控制规则集是被控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结，当规则条数不多，搜索空间很小时，推理机构可以采用向前推理方法，逐次判断各规则的条件，满足则执行，否则继续搜索。

(3) 特征识别与信息处理
这部分的作用是实现对信息的提取加工，为控制决策和学习适应提供依据。它包括抽取动态过程的特征信息、识别系统的特征状态，并对特征信息作必要的加工。在锅炉专家控制器中，通过主蒸汽流量和压力的测量值及计算一段时间内的累加值，就可以判断蒸汽负荷的增减，通过炉膛温度的测量值及增量和累加值，就可以判断锅炉的燃烧状况，从而为下一步控制决策提供依据。
利用上述方法，在负荷波动较大时搜索最高炉温。在负荷平稳时搜索最佳风煤比以获得最高的锅炉效率。此外还可采用分层递阶智能控制算法。

4 结束语
经过对武钢能源总厂工业锅炉控制系统的反复调试与不断改进，生产过程的自动控制得以实现，生产效率明显提高，节能效果十分显著，取得了良好的经济效益和社会效益，受到了生产厂的一致好评。该系统的设计思路及设计技巧对其它相似过程的控制也具有一定的借鉴作用。
实践证明，锅炉这种具有大惯性、纯滞后、非线性的多变量系统，各变量间相互耦合，干扰因素多，数学模型不易建立，某些参数难以检测，燃料发热值及压力频繁波动情况下，用常规方法不能进行有效控制，应用智能控制及模式识别技术，能够收到满意的控制效果。

参考文献
[1] 宋德玉. 可编程序控制器原理及应用系统设计技术[M]. 北京:冶金工业出版社,1999.
[2] 陈诗滔. 工业过程仪表与控制[M]. 北京:中国轻工业出版社,1998.

作者简介
潘 炼(1964-) 副教授/高级工程师 主要研究方向:计算机控制技术在冶金工业的应用。

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