作者：邦子宸
摘要：
隨著環(huán)保要求的提高和工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，煤氣發(fā)電廠作為資源回收利用的重要載體，其控制系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性備受關(guān)注?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）憑借抗干擾能力強(qiáng)、編程靈活、擴(kuò)展性好等優(yōu)勢，在煤氣發(fā)電廠控制領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。本文基于PLC的核心理論，結(jié)合煤氣發(fā)電廠的工藝特點(diǎn)，從控制原理、系統(tǒng)架構(gòu)等方面進(jìn)行理論分析，并以安鋼集團(tuán)信鋼公司焦?fàn)t煤氣發(fā)電系統(tǒng)和昆鋼自備發(fā)電廠高爐煤氣發(fā)電機(jī)組為實(shí)例，詳細(xì)闡述PLC在邏輯控制、PID調(diào)節(jié)、監(jiān)控保護(hù)等環(huán)節(jié)的應(yīng)用實(shí)踐。研究表明，PLC控制系統(tǒng)可有效提升煤氣發(fā)電廠的運(yùn)行穩(wěn)定性、燃燒效率和自動化水平，為同類電廠的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。
關(guān)鍵詞：煤氣發(fā)電廠；PLC；控制系統(tǒng)；理論分析；實(shí)例研究
一、引言
（一）研究背景與意義
煤氣發(fā)電廠通過燃燒焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣等工業(yè)副產(chǎn)煤氣發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用，是踐行環(huán)保理念的重要工業(yè)形式。此類電廠具有熱容量小、發(fā)電機(jī)組規(guī)模適中（通常20兆瓦以內(nèi)）的特點(diǎn)，傳統(tǒng)大型電廠的DCS控制系統(tǒng)成本過高，而常規(guī)繼電器控制方式存在可靠性差、操作復(fù)雜、維護(hù)困難等問題。隨著微處理器技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的進(jìn)步，高檔PLC集散控制系統(tǒng)已能滿足中型復(fù)雜控制需求，在降低控制成本的同時(shí)提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，深入研究PLC在煤氣發(fā)電廠的應(yīng)用理論與實(shí)踐，對推動煤氣發(fā)電行業(yè)的自動化升級、提高能源利用效率具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外大型企業(yè)較早將PLC技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，通過整合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤氣發(fā)電系統(tǒng)的集成化控制，在控制精度和可靠性方面處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)對煤氣發(fā)電廠PLC控制的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，已在焦?fàn)t煤氣發(fā)電、高爐煤氣發(fā)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用，主要集中在邏輯控制、參數(shù)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等核心環(huán)節(jié)，但部分中小型電廠仍存在系統(tǒng)兼容性不足、控制算法優(yōu)化不夠等問題，需進(jìn)一步深化研究。
（三）研究內(nèi)容與框架
本文首先闡述PLC的基本理論及煤氣發(fā)電廠的控制需求，隨后從硬件組態(tài)、軟件編程、控制策略等方面進(jìn)行理論分析；接著結(jié)合兩個(gè)實(shí)際工程案例，詳細(xì)介紹PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果；最后總結(jié)PLC應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。
二、PLC應(yīng)用的理論基礎(chǔ)
（一）PLC的核心工作原理
PLC是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，核心由中央處理器（CPU）、存儲器、I/O模塊、電源模塊和通信模塊組成。其工作方式為周期掃描模式，按照“輸入采樣—程序執(zhí)行—輸出刷新”的順序循環(huán)運(yùn)行：輸入采樣階段采集現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器的信號并存儲至輸入映像區(qū)；程序執(zhí)行階段CPU按照梯形圖、功能塊圖等編程語言的邏輯指令進(jìn)行運(yùn)算；輸出刷新階段將運(yùn)算結(jié)果寫入輸出映像區(qū)，驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備動作。該工作模式確保了PLC控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，適用于煤氣發(fā)電廠多設(shè)備、多參數(shù)的連續(xù)控制場景。
（二）煤氣發(fā)電廠的控制需求分析
煤氣發(fā)電廠的核心工藝包括煤氣燃燒、余熱回收、蒸汽發(fā)電、輔助系統(tǒng)運(yùn)行等環(huán)節(jié)，其控制需求主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是邏輯控制，需實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停聯(lián)鎖、故障保護(hù)、運(yùn)行模式切換等功能，如爐膛吹掃、燃料跳閘、孤立運(yùn)行模式切換等；二是過程控制，需對爐膛壓力、汽包水位、蒸汽溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；三是監(jiān)控與報(bào)警，需實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對異常工況及時(shí)報(bào)警并記錄，為運(yùn)維提供依據(jù)。
（三）PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
1. 可靠性原則：采用冗余配置、抗干擾設(shè)計(jì)等措施，如雙機(jī)熱備、屏蔽電纜、隔離變壓器等，適應(yīng)電廠高溫、高電磁干擾的環(huán)境；
2. 經(jīng)濟(jì)性原則：根據(jù)電廠規(guī)模和控制需求選擇合適的PLC型號及模塊，避免過度配置，降低系統(tǒng)成本；
3. 擴(kuò)展性原則：預(yù)留I/O接口和通信接口，便于后續(xù)系統(tǒng)升級和功能擴(kuò)展；
4. 易用性原則：采用直觀的編程方式和監(jiān)控界面，簡化調(diào)試與運(yùn)維流程。
三、煤氣發(fā)電廠PLC應(yīng)用的理論分析
（一）硬件系統(tǒng)組態(tài)理論
PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)需結(jié)合煤氣發(fā)電廠的設(shè)備布局和控制范圍，采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)。核心控制器通常選用中高端PLC系列，如西門子S7-400、S7-300等，根據(jù)控制規(guī)模配置冗余CPU或單機(jī)CPU；I/O模塊采用分布式配置，通過Profibus-DP等現(xiàn)場總線與控制器連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備信號的遠(yuǎn)距離傳輸，減少布線成本并提高系統(tǒng)靈活性。通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建上位機(jī)與PLC的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，通信速率可達(dá)10Mbps以上。
（二）軟件編程與控制策略
1. 邏輯控制策略：采用梯形圖編程語言實(shí)現(xiàn)順序控制邏輯，通過聯(lián)鎖條件判斷確保設(shè)備按流程啟停，如鍋爐吹掃需滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常、信道暢通等前提條件，燃料跳閘需響應(yīng)爐膛超溫、壓力異常等故障信號；
2. PID調(diào)節(jié)策略：針對連續(xù)變化的工藝參數(shù)，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，包括單沖量、三沖量等調(diào)節(jié)方式。例如爐膛壓力采用單沖量PI調(diào)節(jié)，通過控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持負(fù)壓穩(wěn)定；汽包水位采用三沖量PI調(diào)節(jié)，結(jié)合給水流量、蒸汽流量和水位信號實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡；
3. 監(jiān)控與報(bào)警策略：通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)工藝流程畫面、參數(shù)趨勢圖、報(bào)警窗口等，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)，按功能分區(qū)設(shè)置報(bào)警組，支持優(yōu)先級過濾和全局報(bào)警確認(rèn)功能。
（三）系統(tǒng)可靠性與抗干擾設(shè)計(jì)
硬件層面采用雙機(jī)熱備配置（如S7-414-4H），實(shí)現(xiàn)故障無擾動切換；I/O模塊采用隔離設(shè)計(jì)，避免信號干擾；電纜選用屏蔽線并合理布線，減少電磁耦合干擾。軟件層面設(shè)置看門狗定時(shí)器、故障自診斷程序，對通信異常、模塊故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并觸發(fā)保護(hù)動作；采用數(shù)據(jù)冗余存儲，防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失。
四、PLC應(yīng)用實(shí)例研究
（一）實(shí)例一：安鋼集團(tuán)信鋼公司焦?fàn)t煤氣發(fā)電PLC控制系統(tǒng)
1. 項(xiàng)目背景：該項(xiàng)目為2×6000kw焦?fàn)t煤氣發(fā)電工程，需實(shí)現(xiàn)兩臺余熱鍋爐、兩套汽輪發(fā)電機(jī)組及輔助系統(tǒng)的集中控制，要求系統(tǒng)具備高可靠性和快速響應(yīng)能力。
2. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
? 硬件配置：采用西門子S7-400H雙機(jī)熱備系統(tǒng)作為核心控制器，搭配ET200M分布式I/O模塊，通過Profibus-DP總線構(gòu)建冗余通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)2000余點(diǎn)（模擬量300余個(gè)）；上位機(jī)設(shè)置6臺操作員站和2臺工程師站，通過100兆工業(yè)以太網(wǎng)互連；
? 軟件設(shè)計(jì)：采用STEP7進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，WinCC設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)工藝流程顯示、參數(shù)趨勢監(jiān)控、全局報(bào)警等功能；編程實(shí)現(xiàn)8000余條邏輯控制語句，包含6個(gè)PID控制回路（2個(gè)三沖量、4個(gè)單沖量）；
? 核心控制功能：邏輯控制涵蓋爐膛吹掃、風(fēng)機(jī)啟動、鍋爐保護(hù)、燃料跳閘等19項(xiàng)關(guān)鍵流程；PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)爐膛壓力、汽包水位、過熱蒸汽溫度的精確控制，其中過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)引入減溫器后溫度作為前饋信號，提升調(diào)節(jié)精度。
3. 應(yīng)用效果：系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定，焦?fàn)t煤氣燃燒充分，燃盡率高，余熱鍋爐熱效率達(dá)80%以上；設(shè)備故障響應(yīng)時(shí)間小于1秒，無擾動切換成功率100%，大幅降低了運(yùn)維成本，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
（二）實(shí)例二：昆鋼自備發(fā)電廠高爐煤氣發(fā)電機(jī)組PLC控制系統(tǒng)
1. 項(xiàng)目背景：該項(xiàng)目針對高爐煤氣發(fā)電機(jī)組的送、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，采用PLC與高壓變頻器結(jié)合的控制方案，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)和運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
? 硬件配置：選用西門子S7-200系列CPU226作為下位機(jī)，搭配CP243-1以太網(wǎng)模塊，通過Modbus協(xié)議采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；上位機(jī)采用研華工控機(jī)，配置MDM3000電力綜合測試儀實(shí)現(xiàn)電壓、電流等參數(shù)采集；
? 軟件設(shè)計(jì)：采用Step7-Microwin4.0編寫PLC程序，整合Modbus與TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；上位機(jī)采用組態(tài)王Kingview5.1設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，搭配自主研發(fā)的節(jié)能計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、趨勢曲線顯示和節(jié)能分析功能；
3. 應(yīng)用效果：系統(tǒng)投運(yùn)后，操作員可通過監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)掌握風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，節(jié)能效果顯著，廠用電率大幅降低；軟啟動功能避免了電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，設(shè)備使用壽命延長30%以上，運(yùn)維工作量減少50%。
五、結(jié)論與展望
（一）研究結(jié)論
本文通過理論分析與實(shí)例驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：1. PLC的周期掃描工作模式、分布式硬件架構(gòu)和靈活的編程方式，能夠滿足煤氣發(fā)電廠邏輯控制、過程調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等多方面需求；2. 合理的硬件組態(tài)、優(yōu)化的控制策略（如PID調(diào)節(jié)與前饋補(bǔ)償結(jié)合）和完善的抗干擾設(shè)計(jì)，是提升PLC控制系統(tǒng)可靠性和控制精度的關(guān)鍵；3. 工程實(shí)例表明，PLC控制系統(tǒng)在焦?fàn)t煤氣發(fā)電、高爐煤氣發(fā)電等場景中應(yīng)用效果顯著，可提高燃燒效率、降低能耗、減少運(yùn)維成本。
（二）不足與展望
本文的研究主要集中在PLC的常規(guī)控制應(yīng)用，未涉及智能算法（如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）與PLC的結(jié)合優(yōu)化。未來，煤氣發(fā)電廠PLC應(yīng)用可向三個(gè)方向發(fā)展：一是引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC與云平臺的數(shù)據(jù)交互，開展遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測性維護(hù)；二是融合智能控制算法，優(yōu)化PID調(diào)節(jié)參數(shù)，提升復(fù)雜工況下的控制精度；三是推進(jìn)多系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)PLC與DCS、SCADA系統(tǒng)的無縫對接，構(gòu)建全流程智能化控制體系。
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