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基于PLC的锅炉燃烧模糊自寻优控制

发布时间:2019-06-15 20:35 来源:未知 编辑:admin

  基于PLC的锅炉燃烧模糊自寻优控制_能源/化工_工程科技_专业资料。基于PLC的锅炉燃烧模糊自寻优控制

  控制系统 文章编号: 1001-9944(2008)01-0033-04 基于 P LC 的锅炉燃烧模糊自寻优控制 王士超, 白瑞祥 ( 天津科技大学 电子信息与自动化学院, 天津 300222 ) 摘要: 锅炉控制系统是一个多变量、 大时滞、 干扰因素多的非线性时变系统, 常规控 制 手 段 很难达到理想效果。针对燃煤热水锅炉燃烧系统普遍存在热效率低的问题, 提出一种以炉 膛温度为指标的风煤比模糊自寻优控制算法, 并给出了基于西门子 PLC 的实现方法。实践 表明, 该方法能有效提高锅炉的热效率, 实现锅炉的经济环保运行。 关键词: 风煤比; 热平衡; 模糊自寻优控制; 可编程控制器 中图分类号: TP27 文献标志码: A Self- optimization Fuzzy Contr ol for Combustion of Boiler Based on PLC WANG Shi-chao, BAI Rui-xiang ( College of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China ) Abstr act : The boiler is a time variation control system with the characteristics of many variable reasons, large time delay and a lot of disturbances. It is difficult to match the ideal result by the traditional ways. Because the combus- tion efficiency of coal boiler system is much low, this paper presents a kind of blast- coal ration fuzzy self- optimiza- tion controller, used by boiler temperature. And this method has developed on the basis of siemens PLC. The actual test results show that this method can enhance the combustion efficiency and the economic operation of coal boiler is realized. Key wor ds: blast- coal ration; heat balance; fuzzy self- optimization control; PLC 当前, 我国北方居民小区冬季采暖大多采用燃 煤热水锅炉, 而锅炉作为一个多变量、 大时滞的非线 性时变系统, 很难用数学模型来精确描述。因此, 采 用传统 PID 控制方法很难达到理想的控制效果, 容 易出现能耗高、 热效率低、 污染严重等问题。如何提 高锅炉热效率、 减少大气污染是当务之急。 影响锅炉热效率的因素很多, 风煤比( 入炉空气 与煤粉的比例) 是其中最重要的一个参数, 只有当入 炉空气与煤粉以最佳比例混合时, 锅炉才能实现最 大热效率值。目前锅炉燃烧控制应用比较成熟的方 法是固定风煤比, 采用氧化锆对烟气含氧量的测量 值作为反馈, 实现风煤比的在线微调。但是, 氧化锆 传感器价格昂贵、 使用寿命短、 氧量信号滞后时间长 ( 约几分钟) , 再加上锅炉烟道漏风等原因影响测量 精度。因此, 提出一种模糊自寻优系统, 实现锅炉燃 烧过程的最优风煤比控制。 收稿日期: 2007- 03- 26 ; 修订日期: 2007- 08- 24 作者简介: 王士超( 1982- ) , 男, 硕士研究生, 研究方向为智能化自动化装置、 工业系统控制; 白瑞祥( 1964- ) , 男, 教授, 研 究 方向为智能自动化控制、 自动化系统集成、 计算机控制系统应用。 自动化与仪表 2008(1) 33 控制系统 式中, K0、 1、 2 是锅炉负荷、 煤质和运行工况的随机 K K 1 1.1 原理分析 锅炉热平衡系统 燃料进入锅炉燃烧, 产生的热量传递给水, 热水 函数。 1.2 控制原理 由于锅炉主要靠热辐射传热, 其最高燃烧效率 经过循环将热量传递给用户。由于进入炉内的燃料 不可能完全燃烧, 而燃料燃烧放出的热量也不会全 部用于生成热水, 其中必有一部分热量被损失掉。 进 入锅炉的热量与各项热损失和有效利用的热量之间 的平衡叫做锅炉热平衡, 锅炉热平衡的表达式为 总是在最高火焰温度时出现, 且大量的现场试验证 实, 在稳定工况时, 锅炉的炉膛温度与燃烧效率是一 一对应的。由于炉膛温度比其它热量信号更快速地 反应锅炉热效率, 因此通过温度 T 对送风量阶跃信 号的响应来判别实际风煤比是否合理, 较其它一些 方法更准确、 更灵敏、 更有效。 根据波尔兹曼定律, 物体的辐射能量与它本身 温度的四次方成正比, 即 ( 4) R=εT 4 δ 其中: R 为辐射体发射的能量; ε 为辐射率; δ 为波尔 兹曼常数; T 为辐射体的绝对温度。 因此锅炉燃烧控制系统以锅炉热平衡理论为依 据, 以炉膛温度 T 为指标, 应用模糊控制算法, 自动 寻找最佳风煤比, 使锅炉热效率最高。 Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 正平衡热效率 ( 1) ( 2) η 1/Q =Q 其中: Q 为输入锅炉的总热量 kJ/h; Q1 为有效利用热 量; Q2 为排烟损失热量; Q3 为气体不完全燃烧损失 热量; Q4 为固体不完全燃烧损失热量; Q5 为散热损 失热量; Q6 为灰渣物理热损失。 锅炉热损失主要是 Q2 和 Q4 两部分组成, 其中 Q2 一项大约占总损失热量的 70% 。根据锅炉原理, 增大空气过剩系数 α 有利于煤粉在富氧状态充分 , 燃烧, 使固体不完全燃烧损失 Q4 减少。但过多的热 空气伴随着烟气的排出带走大量的热, 从而使排烟 损失 Q2 大大增加。减小空气过剩系数 α 结果正好 , 相反。所以, 只有当空气过剩系数 α维持在某一特 定的范围时, 锅炉的各项热损失之和最小, 也就是有 效利用的热量最大, 即锅炉的热效率 η最高。风煤 比β 又与空气过剩系数 α之间存在着比例关系, 因 此, 存在最佳风煤比使锅炉的热效率最高 。风煤比 与热效率 η之间的单峰值曲线 所示。 β η η max η 0 [1] 1.3 模糊自寻优系统 自寻优控制的工作原理是利用被控对象的极值 特性或其他非线性静态特性, 改变控制量, 试探地搜 索它对性能指标的影响, 从而确定相应的运转条件, 使某一性能指标达到或接近最优。 目前, 自寻优控制 系统广泛使用的是步进搜寻法, 而步进搜寻法又包 括变步长和固定步长两种。固定步长法由于步长固 定, 容易出现收敛速度慢等问题, 一般很少采用; 变 步长法收敛速度快, 它的基本思想是在离最佳点很 远的地方, 采用较大的步长, 反之, 采用较小的步长。 本文利用炉膛温度与风煤比之间的极值关系, 即热 效率与风煤比的峰值特性, 以炉温为指标, 采用变步 长风煤比模糊自寻优控制方案[2]。 对于风煤比的自寻优, 普遍的做法是固定入炉 煤量, 通过变频器调整鼓风机转数来改变入炉空气 量, 从而实现风煤比的在线调整。 使用这种方法仍存 在一个问题, 在某种情况下, 即使寻找到最佳风煤 比, 但此时锅炉的辐射热能仍不能满足用户所需要 的热能, 即 Qmax<Q0 ( Q0 用户所需锅炉辐射热量) ; 或 者在最佳风煤比时 Qmax>Q0。解决此问题的方法是: 在风煤比自寻优的基础上, 计算出锅炉燃烧辐射热 量与用户所需热量, 通过比对二者间的大小关系, 适 当增加或是减少煤量, 待系统稳定后重新构造自寻 优系统。 Automation & Instrumentation 2008(1) β 0 β max β 图1 热效率与风煤比单峰值曲线 P e a k va lue gra ph of combus tion e fficie ncy a nd bla s t- coa l ra tion 其 中 : β为 曲 线 上 任 意 一 点 风 媒 比 ; η 为 对 应 的 热 0 0 效率。 与 β η之间的关系可用二次方程近似表示 ( 3) η 2 β+K1 β 0 =K 2 +K 34 控制系统 表2 模糊控制表 2 模糊自寻优控制器设计 经过上述分析, 选取炉膛温度变化 Δ 和鼓风 T U -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 7 6 5 3 3 2 0 -2 -3 -3 -4 -5 -7 Ta b.2 -5 7 6 5 4 4 2 -1 -3 -4 -4 -4 -5 -7 -4 7 6 5 5 4 2 -1 -4 -4 -5 -5 -6 -7 Fuzzy control ta ble -3 7 6 5 5 4 2 -1 -4 -5 -5 -5 -6 -7 -2 6 6 5 4 4 2 -1 -4 -5 -4 -5 -6 -6 E2 -1 0 6 5 5 4 4 3 3 2 3 1 1 0 -1 0 -2 0 -4 -1 -3 -2 -4 -3 -5 -4 -6 -5 1 0 1 1 0 -1 -1 1 2 1 0 -1 -1 0 2 -4 -4 -4 -3 -3 -2 1 4 4 3 4 4 4 3 -6 -6 -5 -4 -4 -2 1 4 5 5 5 6 6 4 -6 -6 -5 -4 -4 -2 1 4 5 5 5 6 6 5 -6 -5 -4 -4 -3 -2 1 4 4 4 4 5 6 6 -6 -5 -4 -3 -3 -2 1 4 3 3 4 5 6 量变化 Δ i- 1 ( 上一次鼓风量变化) 作为模糊控制器 V 的输入语言, 记作 E1、 2。选取鼓风量变化 Δ i( 本次 E V 鼓风量变化) 作为输出语言, 记作 U。 对 误 差 E1、 2 以 及 U 的 模 糊 集 及 其 论 域 定 义 E 如下: E1 和 E2 的论域均为 {- 6, - 5, - 4, - 3, - 2, - 1, O, 1, 2, 3, 4, 5, 6} U 的 论 域 为 {- 7, - 6, - 5, - 4, - 3, - 2, - 1, O, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 偏差 E1 的模糊子集为{负大, 负中, 负小, 负零, 正零, 正小, 正中, 正大} 记作{NB, NM, NS, NO, PO, PS, PM, PB} E1 能量, 并根据室内外温度变化以及供回水温度确定 锅炉燃烧辐射热量的设定值。为了避免锅炉频繁的 起起停停, 设定了一个能量差门限, 即只有当能量设 定值和采样计算值的偏差大于这个门限时才启动自 寻优系统。在调整入炉煤量时, 应当等待一段时间, 待燃烧系统稳定后再执行自寻优, 以减少不必要的 寻优次数, 提高系统的响应速度。 当模糊控制器寻找 到温度极值点时, 风与煤的比例处于最佳状态, 锅炉 的热效率最高。软件流程图如图 2 所示。 E2 及 U 的模糊集均为{负大, 负中, 负小, 零, 正 小, 正中, 正大} 记作{NB, NM, NS, 0 , PS, PM, PB} 1) 实验研究结果表明, 用正态性模糊变量来描 述人进行控制活动的模糊概念是适宜的。 因此, 采用 正态函数作为 E1、 2 以及 U 的隶属函数。 E 2) 通过对操作工人手动操作经验的研究和总 结, 建立模糊控制规则表, 如表 1 所示。模糊控制规 则 采 用 “ A AND B, THEN C” 经 典 控 制 语 句 。 的 IF [3] 例如: “ E1=NB AND E2=NB, THEN U=PB” 。 IF 表1 模糊控制规则表 Ta b.1 E1 NB NM NS NO PO PS PM PB NB PB PB PS PS NS NS NM NB NM PB PB PM PS NM NM NB NB Fuzzy control rule ta ble E2 NS PB PB PM PS NM NM NB NB 0 U PB PM PS 0 0 NS NM NB PS NB NB NM NS PM PM PB PB PM NB NB NM NS PM PB PB PB PB NB NM NS NS PM PS PM PB 3) 将得出的模糊控制规则清晰化( 即去模糊化) , 得出模糊控制表, 如表 2 所示。 图2 模糊自寻优流程图 Fig.2 Fuzzy s e lf- optimiza tion flow cha rt 其中: Q0 为用户所需锅炉辐射 热 量 的 设 定 值 ; Qi 为 3 程序设计以及在 P LC 上的实现 1) 模糊控制软件流程 首先根据锅炉的实际情况选取采样时间, 当设 当前锅炉辐射能量; t0 和 t1 为时间常数; T 为温度。 2) PLC 程序设计 模糊控制在微机上的实现方式有 3 种: 强度转 移法、 直接查表法和公式计算法。考虑到 PLC 对浮 定的采样时间到时, 检测炉膛的辐射温度计算辐射 自动化与仪表 2008(1) 35 控制系统 点运算的能力比较差, 达不到在线实时计算能力, 因 此宜采用直接查表法。直接查表法就是在离线时将 模糊控制表存入 PLC 的存储区, 当系统运行时将采 集的数据经过量化计算, 与控制表中的内容逐一查 找比对, 即可得到输出量。 在硬件设计中, 选用西门子公司的 S7- 200PLC, 考虑到系统输入输出点数以及日后的升级问题, 选 择 CPU226; 选用 EM231 模块作为 A/D 输入模块, 将温度信号采集到 PLC 中; 采用 EM232 模块作为 DTR MOVR …… AC0 , AC1 *AC1 , VD600 // 查询表存入 VD600 ( 输出 U) ③去模糊化子程序 SBR_3 如下: LD *R I0.1 VD110 , VD120 //VD110 中存放比例因子 [4] MOVR VD600 , VD120 4 结语 本方案提出了一种间接提高锅炉热效率的方 D/A 输出模块, 用以控制鼓风机送风量。 实现模糊控制查表法的 PLC STL 程序如下。 法, 即以温度为指标, 通过对风煤比的寻优, 找出系 统的最佳热效率点, 巧妙地避开了对锅炉有效利用 热量在线测量的难题。同时, 选择响应速度快的温 度作为寻优参量, 对于锅炉燃烧系统大时滞的改善 起到了一定的作用。本系统在丹东稳压给水设备厂 的燃煤热水锅炉上投放使用, 锅炉燃烧热效率显著 提高, 基本达到了节省燃煤, 减少大气污染的预期 效果。 参考文献: [1] 王岩, 强文义 . 最 优 风 煤 比 控 制 技 术 的 研 究 [J]. 控 制 与 决 策 , 2001 , 16 ( 4 ) : 494- 496. [2] 赵阳, 沈德雨 . 一种工业锅炉风煤比快速 Fuzzy- PI 自寻优模糊控 制系统 [J]. 装备指挥技术学院学报, 2003 , 14 ( 4 ) : 86- 89. ① 在初始化时使用数据传送指令 MOVW 将模 糊 控 制 查 表 中 的 输 出 变 量 U 依 次 存 入 VW400 - VW569 存储器中。 例如: LD SM0.0 MOVW 7 , VW400 MOVW 7 , VW401 …… ②查询模糊控制表的子程序 SBR_2 如下: LD +I *I +I +I +I ITD I0.1 //VW100 中存放的是经过量化的 E1 // 完成( E1+7 ) *13+E2+7 +7 , AC0 +13 , AC0 +7 , AC0 VW102 , AC0 +400 , AC0 AC0 , AC0 //VW102 中存放的是经过量化的 E2 // 将查询位置编号存入 VW110 MOVW VW100 , AC0 [3] 李士勇 . 模糊 控 制 神 经 网 络 和 智 能 控 制 [M]. 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大学出版社, 1996. MOVW AC0 , VW110 [4] 陈莹, 崔旭东, 黄伟峰 . 基于 PLC 的 水 力 发 电 机 组 模 糊 控 制 器 的 设计 [J]. 西北水电, 2006 ( 1 ) : 46- 50. ■ ( 上接第 13 页) 上式说明, 在 A1 和 A2 及 R1 和 R2 精确匹配的 条 件 下 , 放 大 器 的 KCMR 与 KCMR1、 CMR2 无 关 , 仅 与 第 K 一级增益 Avf1 和 Avf2 第二级的 KCMR0 有关。同时指出 了设计高 KCMR 放大器的方法, 那就是 KCMR1 与 KCMR2、 述电路的设计可以达到电磁流量计对信号调理的苛 刻要求。 该电路的输入阻抗>1G, 共模抑制比>80dB, 经过两个月的运行, 证明电路设计合理, 就是在强干 扰下, 只要管道良好接地就能正常运行。 参考文献: [1] 黄宝森 . 电磁流量计 [M]. 北京: 原子能出版社, 1981. [2] 李 江 华 , 谢 红 , 等 . 仪 表 放 大 器 技 术 初 探 与 应 用 [J]. 应 用 科 技 , R1 与 R2 要尽量匹配; 为了提高 KCMR0, R3 与 R4、 5 与 R R6 也必须尽量匹配。 3 结语 电磁流量计转换器是流量计的关键部分, 由于 2001, 28 ( 9 ) : 10- 12. [3] 李小京 . 电磁流量计放大滤波电路的设计 [J]. 化工自动化及仪表, 2000 , 27 ( 2 ) : 50- 52. [4] 耿素军 . 智能化传感器中应用仪 表 放 大 器 的 电 路 设 计 [J]. 电 气 电 子教学学报, 2004 , 26 ( 4 ) : 19- 21. 放大电路的输入阻抗极高, 很容易引入干扰信号, 实 际线路中的干扰信号经常比被测信号幅值大, 而上 ■ 36 Automation & Instrumentation 2008(1)

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