煤气发电厂PLC应用的理论分析与实例研究

  

  随着环保要求的提高和工业自动化技术的发展，煤气发电厂作为资源回收利用的重要载体，其控制管理系统的可靠性与经济性非常关注。可编程逻辑控制器（PLC）凭借抗干扰能力强、编程灵活、扩展性好等优势，在煤气发电厂控制领域的应用日益广泛。本文基于PLC的核心理论，结合煤气发电厂的工艺特点，从控制原理、系统架构等方面做理论分析，并以安钢集团信钢公司焦炉煤气发电系统和昆钢自备发电厂高炉煤气发电机组为实例，详细阐述PLC在逻辑控制、PID调节、监控保护等环节的应用实践。研究表明，PLC控制管理系统可有效提升煤气发电厂的运行稳定性、燃烧效率和自动化水平，为同类电厂的控制管理系统设计与优化提供参考。

  煤气发电厂通过燃烧焦炉煤气、高炉煤气等工业副产煤气发电，实现了废弃物资源化利用，是践行环保理念的重要工业形式。此类电厂具有热容量小、发电机组规模适中（通常20兆瓦以内）的特点，传统大型电厂的DCS控制管理系统成本过高，而常规继电器控制方式存在可靠性差、操作复杂、维护困难等问题。随着微处理器技术和现场总线技术的进步，高档PLC集散控制管理系统已能满足中型复杂控制需求，在降低控制成本的同时提升系统稳定性。因此，深入研究PLC在煤气发电厂的应用理论与实践，对推动煤气发电行业的自动化升级、提高能源利用效率具备极其重大现实意义。

  国外大型企业较早将PLC技术应用于工业控制管理系统，通过整合计算机技术、网络技术实现了煤气发电系统的集成化控制，在控制精度和可靠性方面处于领头羊。国内对煤气发电厂PLC控制的研究起步较晚，但发展迅速，已在焦炉煤气发电、高炉煤气发电等领域实现了PLC控制管理系统的规模化应用，大多分布在在逻辑控制、参数调节、安全保护等核心环节，但部分中小型电厂仍存在系统兼容性不足、控制算法优化不够等问题，需进一步深化研究。

  本文首先阐述PLC的基本理论及煤气发电厂的控制需求，随后从硬件组态、软件编程、控制策略等方面做理论分析；接着结合两个实际工程案例，详细的介绍PLC控制管理系统的设计与应用效果；最后总结PLC应用的关键技术要点，并对未来发展的新趋势进行展望。

  PLC是专为工业环境设计的数字运算电子系统，核心由中央处理器（CPU）、存储器、I/O模块、电源模块和通信模块组成。其工作方式为周期扫描模式，按照“输入采样—程序执行—输出刷新”的顺序循环运行：输入采样阶段采集现场传感器、执行器的信号并存储至输入映像区；程序执行阶段CPU按照梯形图、功能块图等编程语言的逻辑指令进行运算；输出刷新阶段将运算结果写入输出映像区，驱动现场设备动作。该工作模式确保了PLC控制的实时性和可靠性，适用于煤气发电厂多设备、多参数的连续控制场景。

  煤气发电厂的核心工艺包括煤气燃烧、余热回收、蒸汽发电、辅助系统运行等环节，其控制需求大多数表现在三个方面：一是逻辑控制，需实现设备启停联锁、故障保护、运行模式切换等功能，如炉膛吹扫、燃料跳闸、孤立运行模式切换等；二是过程控制，需对炉膛压力、汽包水位、蒸汽温度等关键参数进行精确调节，确保系统稳定运行；三是监控与报警，需实时采集设备正常运行数据，对异常工况及时报警并记录，为运维提供依据。

  1. 可靠性原则：采用冗余配置、抗干扰设计等措施，如双机热备、屏蔽电缆、隔离变压器等，适应电厂高温、高电磁干扰的环境；

  2. 经济性原则：根据电厂规模和控制需求选择正真适合的PLC型号及模块，避免过度配置，降低系统成本；

  3. 扩展性原则：预留I/O接口和通信接口，便于后续系统升级和功能扩展；

  PLC控制管理系统的硬件组态需结合煤气发电厂的设备布局和控制范围，采用分布式架构设计。核心控制器通常选用中高端PLC系列，如西门子S7-400、S7-300等，根据控制规模配置冗余CPU或单机CPU；I/O模块采用分布式配置，通过Profibus-DP等现场总线与控制器连接，实现现场设备信号的远距离传输，减少布线成本并提高系统灵活性。通信网络采用工业以太网构建上位机与PLC的通信链路，实现数据高速传输，通信速率可达10Mbps以上。

  1. 逻辑控制策略：采用梯形图编程语言实现顺序控制逻辑，通过联锁条件判断确保设备按流程启停，如锅炉吹扫需满足风机运行正常、信道畅通等前提，燃料跳闸需响应炉膛超温、压力异常等故障信号；

  2. PID调节策略：针对连续变化的工艺参数，采用PID控制算法实现精确调节，包括单冲量、三冲量等调节方式。例如炉膛压力采用单冲量PI调节，经过控制引风机转速维持负压稳定；汽包水位采用三冲量PI调节，结合给水流量、蒸汽流量和水位信号实现动态平衡；

  3. 监控与报警策略：通过组态软件设计工艺流程画面、参数趋势图、报警窗口等，实时显示设备正常运行状态和工艺参数，按功能分区设置报警组，支持优先级过滤和全局报警确认功能。

  硬件层面采用双机热备配置（如S7-414-4H），实现故障无扰动切换；I/O模块采用隔离设计，避免信号干扰；电缆选用屏蔽线并合理布线，减少电磁耦合干扰。软件层面设置看门狗定时器、故障自诊断程序，对通信异常、模块故障等进行实时检测并触发保护动作；采用数据冗余存储，防止关键数据丢失。

  1. 项目背景：该项目为2×6000kw焦炉煤气发电工程，需实现两台余热锅炉、两套汽轮发电机组及辅助系统的集中控制，要求系统具备高可靠性和快速响应能力。

  ◦ 硬件配置：采用西门子S7-400H双机热备系统作为核心控制器，搭配ET200M分布式I/O模块，通过Profibus-DP总线构建冗余通信网络，系统I/O点数达2000余点（模拟量300余个）；上位机设置6台操作员站和2台工程师站，通过100兆工业以太网互连；

  ◦ 软件设计：采用STEP7进行系统组态，WinCC设计监控界面，实现工艺流程显示、参数趋势监控、全局报警等功能；编程实现8000余条逻辑控制语句，包含6个PID控制回路（2个三冲量、4个单冲量）；

  ◦ 核心控制功能：逻辑控制涵盖炉膛吹扫、风机启动、锅炉保护、燃料跳闸等19项关键流程；PID调节实现炉膛压力、汽包水位、过热蒸汽温度的精确控制，其中过热蒸汽温度调节引入减温器后温度作为前馈信号，提升调节精度。

  3. 应用效果：系统投运后运行稳定，焦炉煤气燃烧充分，燃尽率高，余热锅炉热效率达80%以上；设备故障响应时间小于1秒，无扰动切换成功率100%，大幅降低了运维成本，各项技术指标达到国际先进水平。

  1. 项目背景：该项目针对高炉煤气发电机组的送、引风机系统进行节能改造，采用PLC与高压变频器结合的控制方案，实现风机转速的无级调节和运作时的状态的实时监控。

  ◦ 硬件配置：选用西门子S7-200系列CPU226作为下位机，搭配CP243-1以太网模块，通过Modbus协议采集现场数据；上位机采用研华工控机，配置MDM3000电力综合测试仪实现电压、电流等参数采集；

  ◦ 软件设计：采用Step7-Microwin4.0编写PLC程序，整合Modbus与TCP/IP协议实现数据交互；上位机采用组态王Kingview5.1设计监控画面，搭配自主研发的节能计算软件，实现运行数据记录、趋势曲线显示和节能分析功能；

  3. 应用效果：系统投运后，操作员可通过监控画面实时掌握风机运行参数，节能效果显著，厂用电率大幅度降低；软启动功能避免了电机和电网的冲击，设备使用寿命延长30%以上，运维工作量减少50%。

  本文通过理论分析与实例验证，得出以下结论：1. PLC的周期扫描工作模式、分布式硬件架构和灵活的编程方式，能够满足煤气发电厂逻辑控制、过程调节、安全保护等多方面需求；2. 合理的硬件组态、优化的控制策略（如PID调节与前馈补偿结合）和完善的抗干扰设计，是提升PLC控制系统可靠性和控制精度的关键；3. 工程实例表明，PLC控制系统在焦炉煤气发电、高炉煤气发电等场景中应用效果非常明显，可提高燃烧效率、降低能耗、减少运维成本。

  本文的研究大多分布在在PLC的常规控制应用，未涉及智能算法（如模糊PID、神经网络）与PLC的结合优化。未来，煤气发电厂PLC应用可向三个方向发展：一是引入工业网络技术，实现PLC与云平台的数据交互，开展远程监控和预测性维护；二是融合智能控制算法，优化PID调节参数，提升复杂工况下的控制精度；三是推进多系统集成，实现PLC与DCS、SCADA系统的无缝对接，构建全流程智能化控制体系。

  [1] 佚名. 西门子PLC在焦炉煤气(高炉煤气)发电厂的应用[J]. 电源技术, 2016.

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