西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8产品型号
1引言
燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统,主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统，其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成,各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。如图1所示。
图1 燃烧控制系统结构图
2控制方案
锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求，还要保证锅炉安全经济运行。一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的，可以用三个控制器控制这三个控制变量，但彼此之间应互相协调，才能可靠工作。对给定出水温度的情况，则需要调节鼓风量与给煤量的比例，使锅炉运行在佳燃烧状态。应使炉膛内存在一定的负压，以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火，保证了人员的安全和环境卫生。
2.1控制系统总体框架设计
燃烧过程自动控制系统的方案，与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关，对不同的情况与要求，控制系统的设计方案不一样。将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统，设计控制系统时，充分考虑工程实际问题，既保证符合运行人员的操作习惯，又要大限度的实施燃烧优化控制。控制系统的总体框架如图2所示。
图2 单元机组燃烧过程控制原理图
P为机组负荷热量信号为D+dPb/dt。控制系统包括：滑压运行主汽压力设定值计算模块（由热力系统实验获得数据，再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线）、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。
2.2燃料量控制系统
当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时，必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。燃料量控制是锅炉控制中基本也是主要的一个系统。因为给煤量的多少既影响主汽压力,也影响送、引风量的控制,还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数,燃料量控制对锅炉运行有重大影响。燃料控制可用图3简单表示。
图3 燃料量控制策略
其中：NB为锅炉负荷要求；B为燃料量；F(x)为执行机构。
设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来消除燃料侧内部的自发扰动，改善系统的调节品质。由于大型机组容量大，各部分之间联系密切，相互影响不可忽略。特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。
2.3送风量控制系统
为了实现经济燃烧，当燃料量改变时，必须相应的改变送风量，使送风量与燃料量相适应。燃料量与送风量的关系见图4。
图4 燃料量与送风量关系
燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量，过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。实现经济燃烧基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。
送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调，可以达到锅炉的高热效率，保证机组的经济性，但由于锅炉的热效率不能直接测量，故通常通过一些间接的方法来达到目的。如图5所示，以实测的燃料量B作为送风量调节器的给定值，使送风量V和燃料量B成一定的比例。
图5 燃料量空气调节系统
在稳态时，系统可保证燃料量和送风量间满足
B=αvV
选择αv使送风量略大于B完全燃烧所需要的理论空气量。这个系统的优点是实现简单，可以消除来自负荷侧和燃料侧的各种扰动。
2.4引风量控制系统
为了保持炉膛压力在要求的范围内，引风量必须与送风量相适应。炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全和经济运行。炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛，将会增大引风机的负荷和排烟损失，炉膛压力太低甚至会引起内爆；炉膛压力高且高出大气压力的时候，会使火焰和烟气冒出，不仅影响环境卫生，甚至可能影响设备和人生安全。引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力，且炉膛负压必须控制在允许范围内，一般在-20Pa左右。
控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要的外部扰动是送风量。作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，无论在内扰和外扰下，都近似一个比例环节。一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制，如图6所示。
图6 引风量控制子系统
图中rs为炉膛负压给定值，S为实测的炉膛负压，Q为引风量，V为送风量。由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡，故利用送风量作为前馈信号，以改善系统的调节性能。由于调节对象相当于一个比例环节，被调量反应过于灵敏，为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作，可设置调节器的比例带自动修正环节，使得在小偏差时增大调节器的比例带。对于负压S的测量信号，也需进行低通滤波，以抑制测量值的剧烈波动。
3系统硬件配置
在锅炉燃烧过程中，用常规仪表进行控制，存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。采用PLC对锅炉进行控制时，由于它的运算速度快、精度高、准确可靠，可适应复杂的、难于处理的控制系统。可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性，可用小的投资使系统建成及运转；当设计的自动化系统要有所改变时，不需要重新编程，对输入、输出系统不需要再重新接线，不须重新培训人员，就可使PLC系统升级；后，系统性能较高。硬件结构图如图7所示。
图7 硬件结构图
根据系统的要求,选取西门子PLCS7-200CPU226作为控制核心，还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。CPU226的I/O点数是24/16，这样完全可以满足系统的要求。选用了EM231模块，它是AD转换模块，具有4个模拟量输入，12位AD，其采样速度25μs，温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器的输出信号经过调理和放大处理后，成为0～5V的标准信号,EM231模块自动完成AD转换。
S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485，可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。
为实现人机对话功能，如系统状态以及变量图形显示、参数修改等，还扩展了一块Eview500系列的触摸显示屏，操作控制简单、方便，可用于设置系统参数，显示锅炉温度等。还有一个以太网模块CP243-1，其作用是可以让S7-200直接连入以太网,通过以太网进行远距离交换数据，与其他的S7-200进行数据传输，通信基于TCP/IP，安装方便、简单。
4系统软件设计
控制程序采用STEP7-Micro/Win软件以梯形图方式编写,其软件框图如图8所示。
图8 软件主框图
S7-200PLC给出了一条PID指令,这样省去了复杂的PID算法编程过程,大大方便了用户的使用。使用PID指令有以下要点和经验:
（1）比例系数和积分时间常数的确定。应根据经验值和反复调试确定。
（2）调节量、给定量、输出量等参数的标准归一化转换。
（3）按正确顺序填写PID回路参数表（LOOPTABLE）,分配好各参数地址。
5 结束语
单元机组燃烧过程控制系统在某火电厂发电机组锅炉协调控制系统中投入使用。实际运行情况表明：由于引入负荷模糊前馈，使得锅炉燃烧控制系统作为协调控制的子系统，跟随机组负荷变化的能力显著提高，风煤比能够在静态和动态过程中保持一致；送、引风控制系统在逻辑控制系统的配合下运行的平稳性和安全性提高，炉膛负压波动减小，满足了运行的要求；在机组负荷不变时，锅炉燃烧稳定，各被调参数动态偏差显著减少，实现了锅炉的优化燃烧；采用非线性PID调节方式，解决了引风挡板的晃动问题。
采用西门子的PLC控制，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，也大幅地提高了燃烧能的热效率。通过操作面板修改系统参数可以满足不同的工况要求，机组的各种信息，如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来，主要控制参数(温度值)的实时变化情况以趋势图的形式记录显示,方便了设备的操作和维护，该系统通用性好、扩展性强，直观易操作。
1、引言
触摸屏是一种新型可编程控制终端，是新一代高科技人机界面产品，适用于现场控制，可靠性高，编程简单，使用维护方便。在工艺参数较多又需要人机交互时使用触摸屏，可使整个生产的自动化控制的功能得到大大的加强。
PLC有着运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高、使用方便、编程灵活、抗干扰能力强等特点。近几年，随着科学技术的不断进步，各行业对其生产设备和系统的自动化程度要求越来越高，采用现代自动化控制技术对减轻劳动强度、优化生产工艺、提高劳动生产率和降低生产成本起着很重要的作用。触摸屏结合PLC在闭环控制的变频节能系统中的应用是一种自动控制的趋势。
触摸屏和PLC在闭环控制的变频节能系统中的使用，可以让操作者在触摸屏中直接设定目标值（压力及温度等），通过PLC与实际值（传感器的测量值）进行比较运算，直接向变频节能系统发出运算指令（模拟信号），调节变频器的输出频率。并可实时监控到被控系统实际值的大小及变频器内的多个参数，实现报警、记录等功能。一般PLC结合触摸屏的闭环调节的变频节能系统如下图所示。
图1 触摸屏结合PLC控制的变频节能系统示意图
2、闭环控制的变频节能系统用途
闭环控制的变频节能系统用途很广，各种场合的变频节能系统的拖动方式及控制方式各有不同，具体应用时应根据实际情况选择设计。下面列举一些：
·中央空调节能：冷冻泵、冷却泵、主机、却塔风机、风机盘管等。
·恒压供水：水厂一、二级泵，供水管网增压泵、大厦供水水泵等
·锅炉：引风机、送风机、给水泵等，变频节能系统的控制调节预处理信号由锅炉自动控制系统、DCS或多冲量控制系统给出。
·汽轮机：循环泵、凝结泵等，其控制调节预处理信号由汽轮机自动控制系统及DCS给出。
·纯水处理系统：软化水泵、增压泵等。
·洁净室：增压风机、FFUqunkong等等。
3、整个闭环控制的变频节能系统的组成设备及其作用
(1)PLC选用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU224XP、DIDO模块、AIAO模块组成。PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心。其主要的作用要体现以下几方面：
①完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。
②完成对整个系统的逻辑控制及PID调节的运算。
③向触摸屏提供所采集及处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。
④将PID运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。
⑤通过通信电缆及USS4协议完成对变频器内部参数读写及控制。
(2)触摸屏采用SIEMENS公司MP370： 其主要作用如下
①可实时显示设备和系统的运行状态。
②通过触摸向PLC发出指令和数据,再通过PLC完成对系统或设备的控制。
③可做成多幅多种监控画面，替代了传统的电气操作盘及显示记录仪表等，且功能更加强大。
(3)变频器：采用SIEMENS公司440系列，通过USS4协议可由触摸屏通过PLC设置其内部的部分参数，根据PLC发送过来的数据（模拟量）值调节水泵或风机的转速，并将其内部运行参数反馈到PLC。
(4)压力、温度等传感器：将被控制系统（水系统或风系统）的实际参数值转变成电信号上传至PLC。
(5)电气元件：给PLC、触摸屏、变频器及传感器等供电，完成各种操作及驱动等。
4、触摸屏画面设计
触摸屏画面由ProTool等专用软件进行设计，先通过编程电脑调试，合格后再下载到触摸屏。触摸屏画面总数应在其存储空间允许的范围内，各画面之间尽量做到可相互及强制切换。
（1）主画面的设计
一般的，可用欢迎画面或被控系统的主系统画面作为主画面，该画面可进入到各分画面。各分画面均能一步返回主画面。若是将被控主系统画面作为主画面，则应在画面中显示被控系统的一些住要参数，以便在此画面上对整个被控系统有大致的了结。
（2）控制画面的设计
该种画面主要用来控制被控设备的启停及显示变频器内部的参数，也可将变频器参数的设定做在其中。该种画面的数量在触摸屏画面中占的多，其具体画面数量由实际被控设备决定。
（3）参数设置页面的设计
该画面主要是对变频器的内部参数进行设定，还应显示参数设定完成的情况，实际制做时还应考虑加密的问题。
（4）实时趋势页面的设计
该画面住要是以曲线记录的形式来显示被控值、变频器的主要工作参数（如输出频率）等的实时状态。
（5）信息记录页面的设计
该画面主要是记录可能出现的设备损坏、过载、数值超范围和系统急停等故障。该画面还可记录各设备启停操作，作为凭证。
（6）节能画面的设计
该画面主要是记录和显示变频器的累积用电数及实时节电状态，以便向用户展示变频节能的好处，也可用来与其它的节电测量作比较。
5、PLC程序设计
PLC程序由S7-200专用编程软件进行设计，通过编程电脑下载到PLC进行联机调试，合格后即可使用。PLC在编程前应先对各功能程序段的地址进行规划，以免重复使用同一地址，造成误动。
（1）逻辑功能的设计
这部分程序主要是完成各变频器、水泵（或风机）的启动停止、联动、联锁及自动投切等等功能，一般在离线状态下就能完成软件逻辑功能的测试。
（2）PID功能的设计
通过S7-200中的PID向导可完成PID调节程序，具体应用时需根据实际被控设备及采样设备决定其配置。
（3）采样程序的设计
采样元件使用标准配置时，应注意采样AD转换后的具体数据是否与PID及显示等程序配套，实际制做时还应考虑采样是多路且相关联的情况。
（4）PLC与变频器通信程序的设计
SIEMENSS7-200PLC与SIEMENS430等变频器的通信一般使用USS4协议程序来完成，该程序的主要目的是监控变频器的实时运行状态。
（5）其它辅助程序的设计
PLC程序在实际编程过程中，需考虑对一些程序进行修补，尽量减少程序漏洞，反复推敲，不断的完善。
结束语
在闭环控制的变频节能系统中采用触摸屏可以使用户简单直观监控整个中央空调变频节能系统及与其相关联的设备和系统，提高了整个被控系统以及企业的自动化程度和硬件档次。随着微电脑技术的不断发展，触摸屏本身的成本也在不断的降低，再与PLC在系统中使用，实现了整个被控系统自动化程度的质的飞跃，这必将使触摸屏与PLC被更多的应用在未来的各种生产系统中，并成为自动化控制发展的一个亮点。