流化床生物质气化炉系统控制论文

流化床生物质气化炉系统控制论文
摘要：以力控Forcecontrol 6.1组态软件和S7-200为基础平台的监控系统，实现了对生物质流化床系统的实时监控，系统自投运以来，自动化程度高、运行稳定，极大减少了工人的劳动强度，提高劳动生产率，减少了维护费用，故障响应及时，操作简单方便，保证了现场运行的安全可靠，提高了管理技术水平，各项指标均达到技术要求，为企业带来了显著的经济和社会效益，具有良好的推广应用价值。

0 引言
随着全球能源与环境问题的日益凸显，迫切地需要研究开发和利用新能源技术，生物质气化将成为未来10至20年内最为可行的技术之一，同时也是国内外的研究热点。

对于生物质气化设备来说，目前世界上应用最广泛的是固定床气化炉，随着科技的进步和技术的日趋成熟，欧美国家开始大力发展更为先进的循环流化床生物质气化技术，各种新形式的循环流化床气化装置不断涌现，其原料适应性更强，产气热值更高，生产能力和强度更大，调节范围更广。

国内流化床生物质气化炉处于初级阶段，流化床生物质气化炉系统多采用人工手动操作控制，精准性及稳定性得不到持续保证，对整个流化床生物质气化炉系统的自动控制就显得尤为重要。

1 工艺流程
流化床生物质气化炉系统采用较先进的内循环流化技术，使用来源广泛的核桃壳，咖啡壳等农田废弃物作为原料，产生大量可燃气体（CO），将农田废弃物变成了清洁环保的绿色能源。

整个汽化炉系统由给料电机、鼓风机、引风机、排碳电机四台变频调速的电机构成，系统配以两个关风器、一个二级排碳电机组成整个汽化炉系统的电气执行机构，控制系统的控制目标就是控制各电机的起停和转速调节，控制汽化炉系统的运行和产气量。

2 系统设计与工程实现
2.1 系统设计本系统上位机选用DELL计算机，组态软件选用力控Forcecontrol 6.1，下位机选用西门子S7-200系列，上位机与PLC 采用TCP/IP以太网通信，系统配置以太网交换机，通过TCP/IP以太网通信联接锅炉控制系统，实现整个系统的联锁协调监控。

通过上位机可显示整个流化床生物质气化炉工艺流程和工艺参数，实现历史数据储存、显示、查询、统计、报表、打印等管理功能。

系统控制鼓风机、引风机、给料电机、出碳电机各1台，均用变频器驱动，通过改变各电机的转速来达到控制气化炉产气量的目的。

另外，还配有关风器电机两台，以满足工艺需求；系统共设有6个温度采集点，实时监控炉内情况，每个温度传感器采用PT100，使用4～20mA的电流信号采集到PLC。

2.2 应用软件实现力控Forcecontrol 6.1实现人机交互功能，PLC接收力控的操作信号，PLC采集各设备的启停信号，需要由各种限制辅助条件一起判断设备是否可以启动，这些条件有系统是否启动，是自动还是手动、设备是否备妥、是否有故障、急停是否按下等，这些条件都满足设备启动前提时，手动按下启动按钮或者自动状态下按下自动启动，系统才能正常运行。

在组态软件的运行界面上，各相应位置有相关设备的图标，在图标中心是状态显示器，点击图标可以进入设备操作界面，在操作界面上实现设备启停、转速设定、转速反馈显示、故障复位等功能；在对应工艺位置，设置温度监视，实时跟踪显示气化炉内各监测点的温度变化。

另外，在程序编制过程中防止多个模拟量数据的混乱，在采集或者输出模拟量的时，都做了定标处理，使各数据都是以实际物理量的形式在程序中出现，减少了程序编制过程中一些不必要的麻烦。

操作步骤如下：
①用S7-200 PLC的编程电缆将PLC和电脑串口链接起来；依次合上控制箱上的总电源开关、空气开关；
②打开STEP 7设置相关参数，然后将系统程序下载到PLC，待下载完成后，关闭STEP7；
③打开工程，，进入力控开发界面，在界面左边项目管理器中找到“变量/IO设备组态”并双击，进入IO组态界面，如图1所示。

点击“PLC1”进入“设备配置第一步”，各参数项均用默认值，点击“下一步”，串口通道选择“COM1”（从“设备管理器”的“端口”中查看通信端口是多少，若不是COM1则在此处改为相应的端口即可），再点击“下一步”，然后点击“完成”，从而完成设备的IO组态；
④关闭IO组态界面，回到力控开发界面，点击“保存所有打开窗口”，然后点击“运行”，进入系统工作画面；
⑤此时若各设备的控制状态选在“DCS”则在系统运行界面上就能控制相应的设备了；
⑥确保“系统启动”按钮是绿色，方能进行后续操作。

“系统自动—开”按钮若是黄色，则系统处于手动状态，各设备由手动控制，点击相应设备图标将弹出设备控制
界面；
⑦按下“系统自动—开”按钮，该按钮将变成绿色，系统进入自动状态，此时按下“自动启动”按钮，系统将按照工业需求的顺序和时间间隔依次启动，此时，设备控制界面上的操作按钮除了“复位”和“转速给定”可用外，“启动”“停止”将不可用；
⑧设备停机时，按下“系统停止”按钮即可，此时“系统启动”按钮变成红色，“系统停止”按钮变成黄色，各设备将按照工业需求先后停机，待设备全部停机完成后，“系统停止”按钮也变成红色；
⑨系统在运行中如果出现紧急状况，按下“急停”，所有设备将立即停机，待情况处理完成后，按下“急停复位”，设备将重新启动；
⑩点击“趋势”按钮，将弹出历史趋势团，用坐标曲线的方式详细记录了蒸汽压力、密相区温度与时间的关系；
{11}在“报警”界面中记录了所有报警信息，可在该界面中查看历史报警信息。

2.3 控制软件实现影响气化炉产气量的因素主要有鼓风机转速、引风机转速、给料量、出碳速度、蒸汽锅炉压力等。

其中最重要的是给料量、引风机转速和鼓风机转速，控制软件实现对流化床生物质气化炉产气量的控制。

控制系统设自动和手动两种控制方式；在自动方式下，系统各电机、变频器按照工艺需求先后启动，手动启动停止操作按钮失效，只能给定转速，系统自动停止时，各设备将根据工艺需求依次停止；在手动方式下，鼠标点击组态软件运行界面工艺组态动画上的相应位置，将弹出该电机或变频器的操作界面，在该界面上能实现相应设备的启动、停止、故障复位，变频器转速给定和转速反馈以及设备运行状况显示；设备在故障时，系统自动转入故障停机程序，当设备启动命令发出1秒之后没有运行信号返回，系统将故障报警，报警时，组态运行界面上将弹出红色报警框并发出声音提示，引风机故障时，所有设备立即停机；在处理完故障需要再次启动设备前，必须先进行复位操作；在系统运行中如遇到紧急情况，可按下急停实现气化炉立即
停机；系统停止时，将按正常停机次序停止各设备，系统只有在系统启动状态下，软件才能操作运行。

系统在线检测可燃气体（CO）含量送中控室，并以此作为气化炉气化正常，燃气质量满足锅炉要求的判据之一，上位机显示该数据并可修改含量高、中、低、超低设定值。

当含量低时系统启动声光报警，当含量超低时可以根据工艺要求启动停机子程序。

系统部分软硬件资源配置表如表1。

3 结论
以力控Forcecontrol 6.1组态软件和S7-200为基础平台的监控系统，实现了对生物质流化床系统的实时监控，系统自投运以来，自动化程度高、运行稳定，极大减少了工人的劳动强度，提高劳动生产率，减少了维护费用，故障响应及时，操作简单方便，保证了现场运行的安全可靠，提高了管理技术水平，各项指标均达到技术要求，为企业带来了显著的经济和社会效益，具有良好的推广应用价值。

参考文献：
[1]朱华东，焦保才，段桂平，等.生物质流化床气化炉的发展与应用[J].农业工程学报，2006，22（增1）：263-267.
[2]刘鑫，陈文义，范晓旭，孙娇，等.不同形式的循环流化床生物质气化炉[J].锅炉技术，2012，1.
[3]陈冠益，高文学，颜蓓蓓，等.生物质气化技术研究现状与发展[J].煤气与热力，2006，7.。