S7-300 PLC在电厂锅炉排渣改造工程中的应用

　某公司于2005年夏天进行锅炉排渣改造，计划每台炉每侧冷渣器的两个事故排渣口出口和正常排渣口出口下设一台刮板输送机，经刮板输送机收集的底渣送至斗式提升机，由斗式提升机经碎渣机破碎后送至原有气力输送系统送至渣仓。
　　
　　该系统控制范围包括从冷渣器正常出口以及事故出口开始到原气力输送系统的进口之间的所有设备的控制。
　　
　　一、系统描述
　　
　　每台冷渣器排渣口，两个事故排渣口和正常排渣口下设一台链斗式输送机和刮板输送机将底渣送至冷渣器外，由斗式提升机提到位于渣斗顶部的破碎机，由破碎机破碎后，进入气力输送系统，由气力输送系统送至渣仓。
　　
　　为保证冷渣器运行的正压以及保证热空气不会从事故排渣口排出，在冷渣器一、二室装设压差检测装置，以压差信号来控制事故排渣口插板门开关，从而控制冷渣器内底渣的料高以达到保证冷渣器内热空气不会从事故排渣口排出。
　　
　　为保证冷渣器中底渣能从正常排渣口全部排出，将原DN420的正常排渣口扩至DN550。正常排渣口下装设中间渣斗，中间渣斗上设高、低料位计，以料位计控制中间渣斗中料高，从而保证冷渣器中热空气不会排至后续机械输送系统。中间渣斗出口装设插板门和电动给料机，以达从正常排渣口均匀给后续机械输送系统给料。
　　
　　考虑到从事故排渣口排出的底渣温度较高，为保证斗式提升机的安全可靠性，每套系统斗式提升机设两台，一台运行，一台备用；斗式提升机出口设有就地事故排渣口，以保证后续气力输送系统故障时能就地排渣。
　　
　　鉴于以上情况，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。系统的工作原理框图如下：
　　
　　系统操作运行分别设有“远程自动”、“远程手动”、“就地手动”三种工作模式。“远程自动”模式为正常的主要运行方式，根据系统满足自动顺序运行的条件，在操作员站（控制室内的触摸屏）上操作完成整个除渣工艺流程。在自动顺序执行期间，出现任何故障或运行人员中断信号，都能使正在运行的程序中断并回到安全状态，使程序中断的故障或运行人员的指令都将在触摸屏上实时显示。当故障排除后，自动控制在确认无误后可再进行启动。系统有丰富的保护和故障界面供操作人员进行操作和分析。“远程手动”模式为运行人员在触摸屏上点触每一个被控对象。远方控制操作有许可条件，以防止运行人员误动作。在远方手动模式下，系统提供了丰富帮助操作指导和反馈信息，指引操作人员的操作，以防止误操作。“就地手动”模式是运行人员通过就地控制箱操作被控对象，就地操作与远方程控操作之间有相互连锁。
　　
　　1、PLC控制系统的特点及组成
　　
　　PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。
　　
　　PLC采用的Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与控制室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，确保系统运行的稳定性。
　　
　　（1）系统结构及硬件配置
　　
　　根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出（DO）采用SM322模块，模拟量输入（AI）采用SM331模块，模拟量输出（AO）采用SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位机采用Easyview公司MT510T真彩触摸屏进行显示和控制，整个干渣系统的工艺流程及测量参数、控制方式、顺序运行状况、控制对象状态等均能够清楚地显示在触摸屏上，当参数越限报警或控制对象故障或状态发生变化时，以不同的颜色进行显示，使操作人员能够一目了然地了解到系统的运行情况，并实时地根据工艺要求进行系统参数进行调整。
　　
　　（2）控制系统的功能实现
　　
　　PLC程序的编制直接关系着底渣系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。
　　
　　PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATICSTEP7V6软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于Windows2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现联锁调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。
　　
　　（3）现场显示
　　
　　现场采用MCC屏进行参数控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。
　　
　　二、系统实现排渣系统的自动控制和监控
　　
　　主要包括如下功能：
　　
　　（1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：系统可以实现上位机操作、控制柜操作和就地手动操作；
　　（2）报警功能：当温度超过工艺要求，可在现场、就地实现越限报警；
　　（3）简单、方便的参数设定：压力调节的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。
　　
　　1、系统控制功能
　　
　　（1）过程控制的功能：
　　
　　1）系统对床压实现了PID自动调节控制；
　　2）对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理；
　　3）实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。
　　
　　（2）逻辑控制
　　
　　联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统可以实现电磁阀控制以及参数越限报警等功能
　　
　　（3）人机接口
　　
　　HMI系统中包含主工艺画面，分系统画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示功能，包括过程量变化趋势的实时趋势。
　　
　　三、软件设计
　　
　　根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：
　　
　　（1）数据采集及工程量转换
　　（2）PID算法
　　（3）流量温压补偿计算以及流量的累积计算
　　
　　对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。PID调节是该系统中最为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。
　　
　　1、PID算法
　　
　　STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。
　　
　　PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分作用之和：
　　
　　Ｍｎ＝ＭＰｎ＋ＭＩｎ＋ＭＤｎ
　　ＭＰｎ＝ＧＡＩＮ?（ＳＰｎ－ＰＶｎ）
　　ＭＰｎ＝ＧＡＩＮ?ＴＳ／ＴＩ?（ＳＰｎ－ＰＶｎ）＋ＭＸ
　　ＭＤｎ＝ＧＡＩＮ?ＴＤ／ＴＳ?（ＰＶｎ－１－ＰＶｎ）
　　Ｍｎ：第ｎ次采样时刻的输出值。
　　ＭＰｎ：第ｎ次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
　　ＭＩｎ：第ｎ次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。
　　ＭＤｎ：第ｎ次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。
　　ＳＰｎ：第ｎ次采样时刻的设定值。
　　ＰＶｎ：第ｎ次采样时刻的过程值。
　　ＭＸ：第ｎ－１次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
　　ＧＡＩＮ：回路增益，P参数。
　　ＴＩ：积分时间常数，即I参数。
　　ＴＩ：微分时间常数，即D参数。
　　ＴＳ：采样时间。
　　
　　从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；Ｉ参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到最佳的控制效果。