CN108146887B - 基于plc和dcs的多通道主动保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业锅炉煤粉储供系统多通道主动保护控制系统，包括顺序发生器、函数发生器、方波发生器、输出通道选择器和数字信号输出单元，顺序发生器根据时间周期要求和工作顺序要求，对顺序发生器的输出位按照规定时序逐位启动停止，函数发生器的输入信号为当前负荷和基准占空比，经过乘法运算将输出控制占空比传递给方波发生器，方波发生器用于对煤粉储供主动保护系统的压缩空气和惰性气体的喷吹周期中喷吹工作时间和喷吹暂停时间进行调整和控制，输出通道选择器接受来自顺序发生器的方波序列和占空比可调节的方波，数字信号输出单元是控制系统的外部输出通道。本发明可以与锅炉热工控制系统高度集成，减少现场硬件控制器的数量。

Description

基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统

技术领域

本发明涉及一种锅炉煤粉储供控制系统，尤其涉及一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统。属于锅炉控制系统技术领域。

背景技术

工业煤粉锅炉使用煤粉作为燃料,燃料的储存和输送是一个复杂的工艺过程，由于工业锅炉用煤粉特殊的物理和化学特性，工业煤粉锅炉煤粉储供系统既要解决安全储存问题还要解决稳定输送问题。

煤粉自燃的条件，一、煤粉仓内有氧气；二、存在死角，煤粉长期堆积，温度超过70℃有很高的几率发生煤粉自燃现象。

工业煤粉锅炉燃烧过程中存在的①煤粉储供系统存在死角,煤粉易堆积挥发,温度升高,易产生自燃的特性②煤粉储存过程中易受潮板结、③当煤粉长时间静止存放堆积密度变化对卸料稳定性和连续性产生影响等问题。

安全储存就是要防止煤粉在粉仓中产生堆积死角，发生氧化，温度异常升高超过70℃，进而产生自燃。

稳定输送就是要在气密性良好的状态下，在煤粉在储供过程中，既要防止拱桥现象的产生，又要防止自流现象，还要保证根据燃烧负荷的变动对星型卸料阀的转速进行调整时，煤粉供给量做出相应的调整。

上述问题是由煤粉的物理化学性能决定的，这也是工业煤粉锅炉生产商和用户共同面临的需要解决的普遍性问题。

如何解决以上问题是工业煤粉锅炉系统制造单位和系统集成商及煤粉燃烧器厂家必需解决的共同的技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统，运用PWM脉宽调制技术，控制脉冲喷吹阀的动作时间和间断时间，利用气化吸热的物理过程，对煤粉储仓中的煤粉进行降温处理，消除煤粉堆积挥发过程中发出的热量对煤粉储供系统安全的影响，避免因温度过高产生自燃的风险。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统，它包括顺序发生器、函数发生器、方波发生器、多通道输出通道选择器和多通道数字信号输出单元，顺序发生器根据时间周期要求和工作顺序要求，对顺序发生器的输出位按照规定时序逐位启动停止，周期运行，进行控制，函数发生器的输入信号为当前负荷和基准占空比，经过乘法运算将输出控制占空比传递给方波发生器，方波发生器用于对煤粉储供主动保护系统的压缩空气和惰性气体的喷吹周期中喷吹工作时间和喷吹暂停时间进行调整和控制，多通道输出通道选择器接受来自顺序发生器的周期为T的方波序列和方波发生器产生的占空比可调节的方波，两组方波相与作为通道选择器的输出，多通道数字信号输出单元是控制系统的外部输出通道，通过该单元建立内部控制输出结果与外部设备的联系。

优选地，所述顺序发生器的输入包括启动信号输入、停止信号输入、喷吹组数设定、喷吹延迟时间设定，输出是一个按位输出的八位二进制的字，该字的每个位按照周期的轮流依次工作，为外设各路吹灰器提供规定的时序，

其中：喷吹组数设定是一个整数值，顺序发生器根据煤粉储供保护控制器的分组数设定数值，确定移位的位数，也就是确定输出通道数，当喷吹组数设定的数字变化时，在下一个周期将按照最新设定的组数，来控制输出通道的数量的多少；

顺序发生器根据喷吹组数设定的输入信号确定各工作位的是否参与工作，按照输入信号喷吹延迟时间设定轮流循环按照周期时间工作。

优选地，本控制系统根据方波发生器的输出信号对顺序控制器的输出进行与运算进行斩波，实现一个周期内工作时间和暂停时间的控制的，方波发生器脉宽调制的周期由外部输入喷吹工作周期确定，向对应的输出单元发出相应的开关信号，驱动外部对应的继电器实现对相应的脉冲电磁阀的控制，进而实现主动防御喷吹控制器对相应的脉冲喷吹电磁阀的控制，方波发生器在每个周期过程中，控制多通道输出通道选择器选择的工作通道，对该通道的接通和关闭时间进行调节。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明是一种基于DCS或PLC硬件的软件编程实现的功能块形式的控制器，可以与锅炉热工控制系统高度集成，减少现场硬件控制器的数量。

2)本发明提出的煤粉储供主动保护控制器的输出通道为8个，控制8路流化喷吹和惰性气体保护喷吹的起停顺序和吹扫持续时间及吹扫间隔时间。可以根据季节的不同和煤种的不同及煤粉含水量的多少，对喷吹保护的各种设定时间进行调整。

3)可以根据工艺需要自由扩展主动防御喷吹控制器的数量。当8路通道仍不能满足实际工程需要，可以通过重复调用功能块的方式，增加外部输出通道实现。

4)本发明提出的实现方法不受PLC或DCS具体型号的限制，应用范围广泛，实现方便。

5)由于是基于PLC和DCS的硬件通过软件编程方式实现的，使用本发明构成的主动防御喷吹控制系统无需分列电容电感电阻用于时序控制，具有外部元件少，故障率低的优点。

6)与传统的惰性气体保护控制装置相比，具有周期性主动注入保护气体的功能，而不是等到温度升高到预警温度再喷吹惰性保护气体的事后弥补形式的保护功能。

7)与传统的流化喷吹控制相比，通过程序控制流化电磁阀的通断，对煤粉仓内设置的流化器的压缩空气用量和喷吹频次进行控制，无需人工操作，自动化程度高，避免人为操作的失误对煤粉的流动性产生负面影响。

附图说明

图1是本发明基于PLC和DCS的煤粉储供主动保护控制系统的外部接线示意图。

图2是本发明基于PLC和DCS的煤粉储供主动保护控制系统的内部原理示意图。

图3是本发明基于PLC和DCS的煤粉储供主动保护控制系统各单元输出波形图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如附图1所示，本发明提供的一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统，包括人机界面、电源模块、CPU模块、DI/DO模块和外部继电器喷吹阀控制回路组成。

(1)人机界面用于显示和设定工艺参数；

(2)电源模块用于为PLC或DCS的CPU和DI/DO模块供电；

(3)CPU是本发明的载体，根据本发明提出的软件结构的煤粉主动保护控制器执行相关程序，实现起动停止、周期控制、脉宽调制、通道分配，PLC或DCS数字量输出DO模块内部继电器开关控制的功能。

(4)DI/DO模块用于输入外部状态开关状态和输出控制器的开关命令。

(5)外部继电器控制根据DI/O模块发出的开关命令，通过继电器的通断电，驱动喷吹阀的执行继电器，以控制喷吹阀的吹扫顺序、吹扫持续时间和吹扫停止时间。以期达到煤粉储仓内部由上而下，流化空气吹扫均匀，惰性保护气体分布适中。防止拱桥的形成和煤粉发热温度升高带来的自燃的风险。

工作原理：

本发明的煤粉储供保护控制系统是一种基于上述硬件组成的软件编程方式实现的数字化的软控制系统，因此也是嵌入式的功能块控制系统。

该控制系统的构成如附图2(基于PLC和DCS的煤粉储供保护控制器的内部原理示意图)所示。可以看出由以下部分构成：(一)SG顺序发生器；(二)F(X)函数发生器；(三)PWM方波发生器；(四)CHS 8选1输出通道选择器；(五)CHO 8选1多通道数字信号输出单元。

(一)SG顺序发生器

(1)顺序发生器,就是一个通过给内部指定的一个专用存储器,根据时间周期要求和工作顺序要求,对顺序发生器的输出位按照规定时序逐位启动停止,周期运行,进行控制的软件功能块。

输入包括①启动信号输入②停止信号输入③喷吹组数设定④喷吹延迟时间设定。

输出是一个按位输出的八位二进制的字，该字的每个位按照周期的轮流依次工作，为外设各路吹灰器提供规定的时序。

(2)喷吹组数设定是一个整数值，顺序发生器根据煤粉储供保护控制器的分组数设定数值，确定移位的位数，也就是确定输出通道数。当喷吹组数设定的数字变化时，在下一个周期将按照最新设定的组数，来控制输出通道的数量的多少。假设设定喷吹组数为5，则顺序发生器的工作为就是从Bit0～Bit4，反复循环，直到接受到停止吹扫的命令。

(3)顺序发生器由一个8位寄存器逐位左移实现通道控制。

顺序发生器的输入信号为①启动命令②停止命令③喷吹组数⑤喷吹周期T设定顺序发生器的输出信号为S1(见附图2波形图)，可以看出输出信号为一个逐位顺序输出的脉冲宽度为T的序列方波。

顺序发生器MW_SG

上表顺序发生器MW_SG的输出自bit0～bit7是按照时间周期顺序由“0”变“1”，再由“1”变“0”。最显著的特征是就是要保证每次只有一位处于“1”也就是每个时刻只有一个通道被选中。

每一位处于“1”状态的时间称为通道选中时间，是由输入信号⑤喷吹周期设定值决定的。

(4)当顺序发生器检测到来自外部的启动信号上升沿信号，延迟时间Td秒后，首先给MW_SG赋值二进制数2#00000001。选择通道0(MW_SG BIT0),则此时顺序发生器MW_SGBIT0＝1,其它各位为0。

(5)顺序发生器根据喷吹组数输入信号③的设定(最多为8)确定其自身各个位的是否参与工作。当该值为8时，参与控制的顺序发生器MW_SG的工作位为8位。按照输入信号⑤吹灰周期的时间设定从bit0到bit7轮流循环按照周期时间工作。依次类推，当输入信号③为7时，参与控制的顺序发生器MW_SG的工作位为7位。按照输入信号⑤吹灰周期的时间设定从bit0到bit6轮流循环按照周期时间工作。

(6)煤粉储供保护控制器启动后，经过延迟时间Td秒，当bit0进入工作模式时，顺序发生器内步计时器T开始计时，当工作时间到达信号⑤设定的数值时，T_MW_SG发出跳变脉冲，通过赋值，顺序发生器MW_SG的数值变为2#00000010，选择通道1(MW_SG BIT1)工作,则此时顺序发生器MW_SG BIT0＝1,其它各位为0。依次，根据输入信号③为喷吹分组设定值来决定改变赋值的次数和数值。当循环赋值次数达到设定值后，在当前通道的工作时间达到输入信号⑤规定的周期时间后，将转到bit0,根据上述时序开始再一轮新的循环。

从以上不难看出，顺序控制器的功能是按照设定的吹扫周期建立多通道煤粉储供控制器的工作顺序，并按照设定的控制器的组数，决定了顺序控制器使用的通道数量。

(二)函数发生器F(X)

(1)其输入信号为当前负荷(如图2⑦)和基准占空比(如图2⑧)，经过乘法运算将输出控制占空比传递方波发生器(如图2(三))。

(2)PWM脉宽调制的开关时间控制值Ton和Toff由外部输入信号信号⑦基准占空比。

(三)PWM方波发生器

该功能模块是用于对煤粉储供主动保护系统的压缩空气和惰性气体的喷吹周期中喷吹工作时间和喷吹暂停时间进行调整和控制的单元。其周期就是喷吹周期T。运用PWM将喷吹周期T分割为Ton和Toff。输出波形S2如附图3所示。

(1)本发明是应用PWM脉宽调制器的输出信号对顺序控制器的输出进行与运算进行斩波，实现一个周期内工作时间和暂停时间的控制的。PWM脉宽调制的周期由外部输入喷吹工作周期确定(附图2输入信号⑤)决定，向(附图2(五))所示对应的输出单元发出相应的开关信号，驱动外部对应的继电器(见附图2外部输出单元所示)，实现对相应的脉冲电磁阀的控制，进而实现主动防御喷吹控制器对相应的脉冲喷吹电磁阀的控制。

(2)PWM脉宽调制器的作用是在每个周期过程中，控制多通道选择器选择的工作通道，对该通道的接通和关闭时间进行调节。

(四)8选一输出通道选择器

本选择器的输入信号时来自顺序发生器(图2(一)SG顺序发生器)的周期为T的方波序列(如图2s1)和PWM产生的占空比可调节的方波(图2S3)。两者相与其逻辑输出即为该通道选择器的输出。如图2所示，其与多通道输出单元(图2(五))的外部输出通道是一一对应的。本选择器最终的选择结果是通过多通道数字输出单元实现外部输出的。

(五)多通道数字输出单元

多通道数字输出单元，是本发明所描述的主动保护喷吹控制系统的外部输出通道，通过该单元建立内部控制输出结果与外部设备的联系。在硬件上就是由基于PLC和DCS的控制器的外部接线示意图(附图1)所示的DO模块。

由于输出通道选择器(如图2(四)所示)chO通道与多通道数字信号输出单元一一对应。所以它们之间存在以下逻辑关系：

M0.0的工作状态与输出通道选择器(如图2(四)所示)Bit0同步。

M0.1的工作状态与输出通道选择器(如图2(四)所示)Bit1同步。

M0.2的工作状态与输出通道选择器(如图2(四)所示)Bit2同步。

M0.3的工作状态与输出通道选择器(如图2(四)所示)Bit3同步。

依此类推：

M0.7的工作状态与输出通道选择器(如图2(四)所示)Bit7同步。

由于M0.1～M0.7对应的控制外部输出继电器KA101～KA107。外部输出继电器的开启和关闭控制着脉冲电磁阀线圈的通断。这样就实现了本文说明的煤粉储供系统主动保护系统的控制流程。

综上所述，本发明所提出的解决方案是以PLC和DCS作为控制器核心，充分利用其硬件资源优势，以功能块的形式在程序中调用，组态灵活、使用不受限制。采用计算机显示器或触摸屏作为人机界面，具有完善的参数设置功能。3)该发明涉及的煤粉储供主动保护控制系统是基于PLC和DCS的功能块形式的嵌入式的，与煤粉工业锅炉控制系统中高度集成，以功能块方式调用的。4)本发明同时也适用于有机热载体煤粉的控制系统。

以下以设有8路输出的主动保护控制器的多通道煤粉储供主动保护控制系统为例，说明本发明的具体实施方式。

参见附图1所示，本发明的硬件包括工控机或者触摸屏，PLC或DCS(包括电源模块、CPU模块、数字量输入DI模块、数字量输出模块、中间继电器、通讯电缆等)。

根据附图1进行硬件安装和接线，确认正确无误，接通外部电源。

2)将本按本发明所述方法编制的功能块下载到CPU中，当下载过程结束后，CPU和HMI通过通讯电缆建立通讯。

根据经验，50％负荷时，喷吹周期(附图2输入5)为200S，基准占空比为10％，(基准占空比根据最大负荷工况下，煤粉储仓的摩擦温升和挥发产生的CO浓度而定)。

根据函数关系f(x)＝20％*50％＝10％即实际控制占空比为10％。则主动保护喷吹控制器每个通道的工作时间为Ton＝300sx10％＝30s,暂停时间Toff＝300*90％＝270s。其中基准占空比按照煤种和经验进行设定。由于是8路主动保护吹扫系统，则设定图2输入信号3的设定值为8。则此时本发明的控制器将根据分组数自动调用8路喷吹控制的子程序。

按下启动按钮，则外部输入信号1(附图2信号1)为正逻辑，触发顺序控制器(附图2件二)工作。

主动保护喷吹控制器启动后，经过延迟时间Td秒，当bit0进入工作模式，顺序发生器同时开始计时。顺序发生器(SG)(图2(一)所示)通过内部逻辑关系选择通道选择器CHS(图2(四)所示)的ch0通道使之进入工作状态，其工作状态的开和关根据(图2(三)所示)方波发生器的输出状态决定。在周期T＝300S内，已确定脉宽调制的Ton＝3S，Toff＝297s。所以此时通道cho将在启动之初的3s内输出正逻辑，驱动与之对应的多通道外部输出继电器单元(图2(五)所示)M0.0进入工作状态。当PWM调制器的输出信号S3在Ton＝3S内输出正逻辑信号时，M0.0则处于开启状态，外部对应的继电器KA101吸合，相应的脉冲电磁阀打开，执行喷吹动作。当喷吹动作持续3S时间满足后，PWM的输出信号S3转为低电平，则最终控制KA101处于失电状态，吹灰器处于停止工作状态。当持续停止时间达到Toff＝297s时。通道0的工作任务结束，顺序发生器SG(图2(一)所示)将根据本周期T的下降沿信号，切换到BIT1，使之处于工作状态。随之相应的通道选择器CHS(图2(四)所示)和多通道外部输出继电器单元(图2(五)所示)也将切换到相应的通道，最终控制KA102继电器，驱动与之对应的脉冲电磁阀工作，根据PWM的通断时间要求执行脉冲喷吹阀的开启和暂停、通道切换。

依次类推当8路主动保护控制系统的工作全部完成后，在周期的下降沿，SG顺序控制器将再次由BIT0开始，再次重复上述过程，在外部信号命令停止主动保护控制器之前，循环往复。直至停止命令的出现。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统，其特征在于：它包括顺序发生器、函数发生器、方波发生器、8通道输出通道选择器和多通道数字信号输出单元，顺序发生器根据时间周期要求和工作顺序要求，对顺序发生器的输出位按照规定时序逐位启动停止，周期运行，进行控制，函数发生器的输入信号为当前负荷和基准占空比，经过乘法运算将输出控制占空比传递给方波发生器，方波发生器用于对煤粉储供主动保护系统的压缩空气和惰性气体的喷吹周期中喷吹工作时间和喷吹暂停时间进行调整和控制，8通道输出通道选择器接受来自顺序发生器的周期为T的方波序列和方波发生器产生的占空比可调节的方波，两组方波相与作为通道选择器的输出，多通道数字信号输出单元是控制系统的外部输出通道，通过该单元建立内部控制输出结果与外部设备的联系。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统，其特征在于：所述顺序发生器的输入包括启动信号输入、停止信号输入、喷吹组数设定、喷吹延迟时间设定，输出是一个按位输出的八位二进制的字，该字的每个位按照周期的轮流依次工作，为外设各路吹灰器提供规定的时序，

其中：喷吹组数设定是一个整数值，顺序发生器根据煤粉储供保护控制器的分组数设定数值，确定移位的位数，也就是确定输出通道数，当喷吹组数设定的数字变化时，在下一个周期将按照最新设定的组数，来控制输出通道的数量的多少；

顺序发生器根据喷吹组数设定的输入信号确定各工作位的是否参与工作，按照输入信号喷吹延迟时间设定轮流循环按照周期时间工作。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC和DCS的多通道主动保护控制系统，其特征在于：本控制系统根据方波发生器的输出信号对顺序控制器的输出进行与运算进行斩波，实现一个周期内工作时间和暂停时间的控制的，方波发生器脉宽调制的周期由外部输入喷吹工作周期确定，向对应的输出单元发出相应的开关信号，驱动外部对应的继电器实现对相应的脉冲电磁阀的控制，进而实现主动防御喷吹控制器对相应的脉冲喷吹电磁阀的控制，方波发生器在每个周期过程中，控制8通道输出通道选择器选择的工作通道，对该通道的接通和关闭时间进行调节。

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